電磁流量計的使用及電磁兼容性分析
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發(fā)布時間：1970-01-01 08:00:00
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摘要:介紹利用面板及智能終端進行電磁流量計參數(shù)設(shè)置和組態(tài)的方法 ,以及提高電磁流量計的電磁兼容性技術(shù)。電磁流量計的干擾源主要包括工頻電磁干擾、流體電化學(xué)干擾噪聲和電源干擾噪聲 。目前電磁流量計主要采用低頻或雙頻矩形波勵磁技術(shù) 、同步采樣技術(shù) 、輸入保護 、接地技術(shù)等來降低干擾 。實際應(yīng)用表明 ,這些技術(shù)有較好的抗干擾效果。
引言
電磁流量計的測量過程不受被測介質(zhì)溫度 、黏度 、密度等因素影響, 具有測量速度快 、精度高 、測量口徑寬 、輸出線性度好 ,與被測介質(zhì)不接觸 ,耐腐蝕 、抗磨損 ,流體壓力損失小等優(yōu)點 ,因而廣泛應(yīng)用于造紙廠紙漿 、助劑 、水等流體的測量 。但是, 電磁流量計也有其不足,傳感器的輸出感應(yīng)電動勢很小 ,容易受到外界電磁干擾, 如何提高電磁流量計的電磁兼容性, 使其能在惡劣的電磁環(huán)境正常使用是電磁流量計設(shè)計必須考慮的問題 。文中以橫河公司的ADMAGAE系列電磁流量計為例, 結(jié)合筆者的工程實踐, 介紹有關(guān)電磁流量計的使用并分析其電磁兼容性(EMC)。
電磁流量計的工作原理
電磁流量計的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 即當一個導(dǎo)體在電磁場中運動, 并且運動方向垂直于電磁場時就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢, 所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向垂直于導(dǎo)體運動和電磁場運動的方向, 感應(yīng)電動勢的大小與導(dǎo)體的運動速度和磁場的磁感應(yīng)強度成正比。當導(dǎo)電流體以平均流速 V(m/s)通過一根內(nèi)徑為 D(m)的管子時, 若管子內(nèi)存在一個磁感應(yīng)強度為 B(T)的磁場, 那么就可產(chǎn)生一個垂直于磁場方向和流體流動方向的電動勢 E:
E=DVB (V) (1)
容積流量 Q為 :
Q =πD2V/4 (m3/ s) (2)
將式 (2)代入式 (1)并處理得:
E=(4B/πD)×Q (V) (3)
如果 B和 D是常數(shù) ,那么從式 (3)可看出, E與Q成正比 。電磁流量轉(zhuǎn)換器把電動勢 E放大并轉(zhuǎn)換成標準的 4 ～ 20 mA的信號或脈沖信號 , 作為對應(yīng)的流量信號輸出 。
2、電磁流量計的參數(shù)設(shè)置方法及組態(tài)
流量計的參數(shù)設(shè)置(組態(tài) )有兩種方法, 一是利用顯示面板上的按鍵 ,二是利用手持智能終端
2.1 使用面板進行參數(shù)設(shè)定
ADMAGAE系列電磁流量計面板上常用的符號有:
(1)RED(紅 ) 正常工作時不亮, 有報警時閃爍；
(2)定義符 定義符用冒號 “:”,表示所顯示的數(shù)據(jù)正處于待設(shè)定狀態(tài);
(3)單位顯示 顯示流量單位
(4)顯示數(shù)據(jù) 顯示流量數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)和報警的種類
(5)小數(shù)點 表示數(shù)據(jù)中的小數(shù)點;
(6)設(shè)定鍵 這些鍵用來改變數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定數(shù)據(jù)的類型 。數(shù)據(jù)顯示類型共有 3種:流量數(shù)據(jù)顯示模式 、設(shè)定模式 、報警顯示模式。
2.1.1 流量數(shù)據(jù)顯示模式
流量數(shù)據(jù)顯示模式表示的是瞬時流量值和累積流量值 , ADMAGAE可顯示 12種類型的流量數(shù)據(jù) 。進入流量顯示模式用 “d1”參數(shù)來改變顯示項 , 詳細設(shè)定可參考流量計用戶手冊。
2.1.2 設(shè)定模式
設(shè)定模式用來檢查參數(shù)內(nèi)容和重寫數(shù)據(jù)。只要按下“SET”鍵 ,可將該模式從正常的操作模式中調(diào)出 。
2.1.3 報警顯示模式
當報警發(fā)生時, 報警模式就會取代當前模式來顯示發(fā)生報警的類型, 但是這種情況只是發(fā)生在當前流量顯示模式或設(shè)定模式中參數(shù)號被改變時 (當正在該部數(shù)據(jù)項時,不顯示報警 )。
2.2 BT智能終端設(shè)定
具有智能通信功能的儀表可與智能終端通信 。橫河的智能終端有 BT100、BT200等型號 , 簡稱 BT智能終端, 它們采用 BRAIN協(xié)議 , 將 1個 ±2 mA、2.4 kHz的調(diào)制信號迭加到 4 ～ 20 mA的模擬信號上用作信號傳輸。由于調(diào)制信號是交流信號 , 所以迭加不會影響模擬信號的數(shù)值。
BT智能終端與流量計的連接有兩種方式:一是直接與流量計端蓋下面的 BT端子相連, 這種方式適用于現(xiàn)場調(diào)試或流量計不具備智能通信功能的情況;
二是與 4 ～ 20 mA直流信號線連接, BT智能終端可以連接在從控制柜到流量計信號線的任何位置,最大距離可達 2 km,只要保證整個回路的負載電阻在 250 ～ 750 Ψ之間 ,就可以可靠地通信 。這種方式操作者不必去現(xiàn)場 ,在控制室就可對流量計進行設(shè)置和在線監(jiān)測 ,是使用最多的一種方式 。 BT智能終端采用菜單式操作 ,可以隨時顯示和修改電磁流量計的各種參數(shù) ,其基本的操作有流量計自檢 、量程調(diào)整、顯示方式設(shè)置、報警設(shè)置等。
2.3 電磁流量計數(shù)據(jù)設(shè)定與組態(tài)
電磁流量計是根據(jù)與流體流速相對應(yīng)的微小電動勢計算出體積流量并輸出 4 ～ 20 mA的信號。為保證獲得正確的信號,必須設(shè)定通徑、流量量程和儀表系數(shù) 3個參數(shù),這 3個參數(shù)中,通徑和儀表系數(shù)早在儀表出廠前就設(shè)定好的, 因此用戶不能設(shè)定這兩個參數(shù)。用戶也可以在儀表出廠前將流量量程設(shè)定好, 這種設(shè)定只有在用戶要求改變量程時才可進行重新設(shè)定 。
3 電磁兼容性分析
電磁流量計的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 產(chǎn)生的正比于被測流量的感應(yīng)電動勢通常很小, 極易受到外界電磁干擾 ,而它本身產(chǎn)生的電磁干擾很小,因此電磁流量計的電磁兼容性主要體現(xiàn)在它如何在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作 。在惡劣的電磁環(huán)境下, 電磁耦合靜電感應(yīng)是電磁流量計干擾噪聲的主要來源;被測流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量計干擾噪聲的第二來源 ;電磁流量計供電電源的電壓和頻率波動等電源干擾噪聲是電磁流
量計干擾噪聲的第三來源。為滿足儀表的 EMC要求, 智能電磁流量計分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù)[ 1], 以提高電磁流量計抗干擾能力 。
3.1 工頻干擾噪聲的特點及電磁流量計抗干擾技術(shù)
工頻干擾噪聲首先是由電磁流量計勵磁繞組和流體 、電極 、放大器輸入回路的電磁耦合形成, 其二是電磁流量計工作現(xiàn)場的工頻共模干擾 ,其三是供電電源引入的工頻串模干擾等, 其產(chǎn)生的物理機理均是電磁感應(yīng)原理 。
電磁流量計勵磁繞組和流體 、電極 、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對電磁流量計工作影響最大 ,而且在不同的勵磁技術(shù)下其表現(xiàn)的形態(tài)、特性不同 ,因而采取抗干擾措施也不同 。在工頻正弦波勵磁磁場下, 此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為正交干擾 ,又稱為變壓器電勢 ,特點是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵磁頻率成正比, 相位滯后流量信號電勢 90°, 且幅值較流量信號電勢大幾個數(shù)量級[ 2]。直流勵磁 、低頻矩形波勵磁及雙頻矩形波勵磁技術(shù),可以基本消除正交干擾的影響 。工頻共模干擾和工頻串模干擾這兩種常見的干擾 ,主要是由于電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合 , 電磁流量計接地不良等原因而產(chǎn)生 ,電磁流量計采用輸入保護技術(shù) 、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術(shù)以及重復(fù)接地技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力 。 ADMAGAE系列電磁流量計配有接地環(huán) , 其作用是通過與液體接觸 ,建立液體接地 ,確?；鶞孰娢慌c被測液體相同 ,并且保護流量計內(nèi)襯。
3.2 電化學(xué)干擾噪聲的特點及電磁流量計抗干擾技術(shù)
3.2.1 電化學(xué)干擾噪聲的特點
(1)電化學(xué)極化電勢干擾是由于電極感生電動勢在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生 。雖然采用正負交變勵磁磁場能顯著減弱極化電勢的數(shù)量級 ,但不能從根本上完全消除極化電勢干擾 。
(2)泥漿干擾是在測量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時, 固體顆?；蛘邭馀莶吝^電極表面時 ,電極表面的接觸電化學(xué)電勢突然變化 ,電磁流量傳感器輸出信號出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲 。
(3)流體流動噪聲是在測量低導(dǎo)率液體 (100μS/cm以下 )流量時, 電極的電化學(xué)電勢定期波動 ,產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲 , 具有類似泥漿干擾的 1/f頻譜特性。
3.2.2 電磁流量計抗電化學(xué)干擾技術(shù)
電磁流量計在提高抗電化學(xué)干擾能力方面采取的措施主要是低頻矩形波勵磁和雙頻勵磁技術(shù) 。低頻矩形波勵磁既具有直流勵磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng) 、變壓器效應(yīng) (正交干擾 )的特點, 又具有工頻正弦波勵磁基本不產(chǎn)生極化效應(yīng) ,便于放大信號處理 ,而能避免直流放大器零點漂移 、噪聲 、穩(wěn)定性等問題的產(chǎn)生 ,有較好的抗干擾性能。低頻矩形波勵磁雖然具有優(yōu)良的零點穩(wěn)定性 ,但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時無法克服泥漿干擾和流體噪聲干擾。研究分析表明 ,泥漿干擾和流動噪聲具有 1/f的頻譜特征 。低頻時幅值大,高頻時幅值小,如果采用較高頻率的低頻矩形波勵磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級 。因此提高勵磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動噪聲 ,提高傳感器輸出信號的信噪比。
綜上所述 ,要保證電磁流量計的零點穩(wěn)定性 ,最好采用低頻矩形波勵磁;為了能較準確地測量液固兩相導(dǎo)電性流體和低導(dǎo)電率流體的流量 ,又必須采用較高頻率的矩形波勵磁。采用圖 1所示的雙頻矩形波勵磁的方法是最佳方案 。
3.2.3 雙頻矩形波勵磁工作及抗干擾原理
在電磁流量計測量管內(nèi)形成含有兩個頻率分量的電磁場 :高頻勵磁分量不受液體干擾的影響,而低頻勵磁分量則有著極好的零點穩(wěn)定性, 根據(jù)高、低頻定時檢測到的各分量信號經(jīng)過計算 , 便可得到流量信號 。
雙頻矩形波勵磁測量原理如圖 1所示 ,一個由高低頻分量迭加而成的電磁場通過勵磁線圈被施加到被測液體中 ,勵磁波形是在一個低頻矩形波上迭加一個高于市電頻率的矩形波而得到的波形 。在產(chǎn)生的電動勢中 ,低頻分量通過一個大時間常數(shù)的積分電路獲得一個零點穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號。而由漿液或低電導(dǎo)率流體產(chǎn)生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所抑制, 有著同樣時間常數(shù)的流量信號經(jīng)過一個差分電路以確定流速信號的變化, 把這兩種不同頻率采樣所得的信號結(jié)合起來可獲得一個穩(wěn)定流速信號 ,該信號不受噪聲干擾,且有較高的零點穩(wěn)定性 。
