污水流量計使用中干擾源及干擾技術(shù)的分析
點擊次數(shù)：2728 發(fā)布時間：2020-08-10 07:54:04
摘要：作為一種新型的流量測量儀表，污水流量計在*近幾年里獲得了長足的發(fā)展，其以自身優(yōu)良的性能和特點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中各種導電液體的流量測量，同時在食品、化工以及水處理等行業(yè)中各類漿液流量的測量中也有所應(yīng)用。雖然與其它流量計相比，污水流量計有著諸多優(yōu)點，但它也有一定的缺陷，即容易受到外界的干擾。為此，在應(yīng)用污水流量計時，必須采取有效的抗干擾措施，這對于確保測量結(jié)果的準確性具有非常重要的意義。基于此點，本文就污水流量計中干擾問題展開探討。
1、污水流量計的基本原理及干擾源分析
1.1污水流量計測量原理
所謂的污水流量計實質(zhì)上就是一種按照法拉*電磁感應(yīng)定律來對管內(nèi)導電介質(zhì)的體積流量進行測量的感應(yīng)式儀表，其主要是應(yīng)用單片機嵌入式技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字勵磁，并依托于CAN現(xiàn)場總線進行測量。由污水流量計的概念可知，其測量原理是基于法拉*電磁感應(yīng)定律，當導電的金屬桿以某種特定的速度進行垂直于磁力線方向的運動時便會產(chǎn)生出感應(yīng)電壓。通常情況下，可將流量計中測量管內(nèi)的導電介質(zhì)看作是導電的金屬桿，而上端與下端的勵磁線圈則會在管道的垂直方向上形成一個相對比較均勻的恒定磁場，當導電流體以特定的速度在管道內(nèi)經(jīng)過時，其便會對磁力線進行切割，從而產(chǎn)生出感生電動勢，若是在管道兩端分別加裝電極的話，則可在電極上探測到感生電壓。流量計中的信號轉(zhuǎn)換裝置能夠通過對感生電壓大小的測量計算出導電流體的體積流量，由此便可以獲得經(jīng)過管道的實際體積流量。污水流量計是由傳感器和信號轉(zhuǎn)換器兩個部分組成的，其中傳感器一般都是安裝在現(xiàn)場的被測管道當中，而信號轉(zhuǎn)換器則主要負責對傳感器測量獲得的微弱信號進行濾波和放大，并將該信號轉(zhuǎn)換為標準的輸出信號，進而實現(xiàn)顯示、記錄、調(diào)控的目的。
1.2污水流量計的干擾源分析
轉(zhuǎn)換器的流量信號由傳感器所提供，是一種電壓信號，即電極間的電位差。在測量實踐中，受靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、電化學電勢等因素的影響，致使電極上的電壓不僅與流速成比例形成電動勢，而且還包含多種干擾成分，主要來源于以下方面：
1）在污水流量計的工作現(xiàn)場擁有大量工頻信號，導致耦合在激磁回路、前端放大器、電極的工頻干擾噪聲嚴重影響污水流量計測量的準確性。
2）污水流量計在低頻矩形波激磁的作用下會產(chǎn)生干擾，這主要是由于激磁電流突變而導致微分干擾信號的產(chǎn)生。與此同時，干擾信號會隨著電流的穩(wěn)定而逐步消失。
3）電磁流量傳感器上的變壓器效應(yīng)也會產(chǎn)生相位上與流量信號形成90°的正交干擾信號。
4）部分電磁屏自身存在接地與屏蔽不良、電容雜散等弊端，極易導致返回電流不平衡，進而引發(fā)共模干擾，甚至造成某些電路電位變化，這是致使污水流量計零點漂移的重要因素之一。在此情況下，產(chǎn)生的高輻射電場會不斷惡化電磁兼容性。
5）電路板設(shè)計在未充分考慮電磁兼容性的情況下會造成串模干擾，進而導致信號質(zhì)量下降，尤其對于模擬電路和高速走線而言，會造成嚴重的不良影響。
6）在感應(yīng)電場作用下，被測液體中電解質(zhì)會在電極表面產(chǎn)生極化現(xiàn)象，形成電化學極化電動勢干擾，進而造成污水流量計零點漂移。
2、污水流量計抗干擾的有效措施
2.1抗正交干擾的措施
所謂的正交干擾具體是指在相位上與流量信號之間的差為90°的干擾。當電磁力量計的變送器以交流勵磁方式運行時，會形成一個交變的磁場，而閉合電路則處于該磁場當中，由于該閉合電路無法與污水流量計的變送器交變磁場產(chǎn)生出來的磁力線處于平行狀態(tài)，致使會有一部分交變磁力線從該閉合線路當中穿過，這樣一來便會在回路當中形成一個干擾電動勢。想要有效抑制或消除正交干擾對污水流量計的影響，可從變送器和信號轉(zhuǎn)換器這兩個部分分別采取措施，具體內(nèi)容如下：
1）從變送器上采取抗干擾措施。應(yīng)當盡可能使閉合回路的平面與交變磁力線保持平行，這樣便可以防止磁力線從閉合回路當中穿過的情況發(fā)生，同時可設(shè)置干擾調(diào)整機構(gòu)，借此來減少干擾信號。此外，還可以在變送器上設(shè)置調(diào)零電位器，通過該電位器能夠使兩個回路當中產(chǎn)生出來的電流的電勢互相抵消，從而達到消除正交干擾信號的目的。
2）從信號轉(zhuǎn)換器上采取抗干擾措施?？稍谵D(zhuǎn)換器當中設(shè)置抗干擾機構(gòu)，借此來消除變送器中殘余的正交干擾信號，具體做法是在主放大器輸出端設(shè)置補償和抑制正交干擾的機構(gòu)。
2.2軟件抗干擾技術(shù)
在EPROM中，污水流量計固化的軟件與硬件相配合不僅要確保污水流量計正常功能的實現(xiàn)，還必須具備較強的容錯能力和抗干擾能力，構(gòu)建起功能完善的應(yīng)用程序。
1）數(shù)字濾波技術(shù)。該技術(shù)是智能儀器中使用*為廣泛的技術(shù)，擁有模擬濾波器所不具備的功能，主要包括消除脈沖干擾、A/D轉(zhuǎn)換器的抗工頻能力、消除數(shù)字電路毛刺干擾、保障輸入微處理器數(shù)字的可靠性等。
2）程控放大器技術(shù)。該技術(shù)能夠解決污水流量計量程自動轉(zhuǎn)換問題，通過增益控制以達到削弱微分干擾峰值導致放大器過載的目的，有利于處理流量信號電勢，增強抗微分干擾能力。
2.3同步采樣抗干擾技術(shù)
在信號連續(xù)的狀態(tài)下，可采用同步采樣技術(shù)實施采樣。但必須注意的是，選取的采樣區(qū)域、對稱度、寬度、起始點在小流量的影響下，會導致污水流量計難以達到測量精度。為此，采樣頻率應(yīng)當選取工頻周期的整數(shù)倍，如此做法可以確保在混有干擾信號的采樣時間為工頻周期的情況下，免于電壓的干擾。
2.4接地抗干擾措施
通常情況下，受變送器輸出信號較小的影響會導致污水流量計的抗干擾能力降低，所以應(yīng)當將變動器輸入電路的零電位進行單獨接地處理，不僅可以起到屏蔽的作用，還能夠有效減少激磁系統(tǒng)本身電磁場干擾的影響。此外，污水流量計接地必須選擇遠離大型用電器的地點，以達到防止電流串入的目的。
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1.1污水流量計測量原理
所謂的污水流量計實質(zhì)上就是一種按照法拉*電磁感應(yīng)定律來對管內(nèi)導電介質(zhì)的體積流量進行測量的感應(yīng)式儀表，其主要是應(yīng)用單片機嵌入式技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字勵磁，并依托于CAN現(xiàn)場總線進行測量。由污水流量計的概念可知，其測量原理是基于法拉*電磁感應(yīng)定律，當導電的金屬桿以某種特定的速度進行垂直于磁力線方向的運動時便會產(chǎn)生出感應(yīng)電壓。通常情況下，可將流量計中測量管內(nèi)的導電介質(zhì)看作是導電的金屬桿，而上端與下端的勵磁線圈則會在管道的垂直方向上形成一個相對比較均勻的恒定磁場，當導電流體以特定的速度在管道內(nèi)經(jīng)過時，其便會對磁力線進行切割，從而產(chǎn)生出感生電動勢，若是在管道兩端分別加裝電極的話，則可在電極上探測到感生電壓。流量計中的信號轉(zhuǎn)換裝置能夠通過對感生電壓大小的測量計算出導電流體的體積流量，由此便可以獲得經(jīng)過管道的實際體積流量。污水流量計是由傳感器和信號轉(zhuǎn)換器兩個部分組成的，其中傳感器一般都是安裝在現(xiàn)場的被測管道當中，而信號轉(zhuǎn)換器則主要負責對傳感器測量獲得的微弱信號進行濾波和放大，并將該信號轉(zhuǎn)換為標準的輸出信號，進而實現(xiàn)顯示、記錄、調(diào)控的目的。
1.2污水流量計的干擾源分析
轉(zhuǎn)換器的流量信號由傳感器所提供，是一種電壓信號，即電極間的電位差。在測量實踐中，受靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、電化學電勢等因素的影響，致使電極上的電壓不僅與流速成比例形成電動勢，而且還包含多種干擾成分，主要來源于以下方面：
1）在污水流量計的工作現(xiàn)場擁有大量工頻信號，導致耦合在激磁回路、前端放大器、電極的工頻干擾噪聲嚴重影響污水流量計測量的準確性。
2）污水流量計在低頻矩形波激磁的作用下會產(chǎn)生干擾，這主要是由于激磁電流突變而導致微分干擾信號的產(chǎn)生。與此同時，干擾信號會隨著電流的穩(wěn)定而逐步消失。
3）電磁流量傳感器上的變壓器效應(yīng)也會產(chǎn)生相位上與流量信號形成90°的正交干擾信號。
4）部分電磁屏自身存在接地與屏蔽不良、電容雜散等弊端，極易導致返回電流不平衡，進而引發(fā)共模干擾，甚至造成某些電路電位變化，這是致使污水流量計零點漂移的重要因素之一。在此情況下，產(chǎn)生的高輻射電場會不斷惡化電磁兼容性。
5）電路板設(shè)計在未充分考慮電磁兼容性的情況下會造成串模干擾，進而導致信號質(zhì)量下降，尤其對于模擬電路和高速走線而言，會造成嚴重的不良影響。
6）在感應(yīng)電場作用下，被測液體中電解質(zhì)會在電極表面產(chǎn)生極化現(xiàn)象，形成電化學極化電動勢干擾，進而造成污水流量計零點漂移。
2、污水流量計抗干擾的有效措施
2.1抗正交干擾的措施
所謂的正交干擾具體是指在相位上與流量信號之間的差為90°的干擾。當電磁力量計的變送器以交流勵磁方式運行時，會形成一個交變的磁場，而閉合電路則處于該磁場當中，由于該閉合電路無法與污水流量計的變送器交變磁場產(chǎn)生出來的磁力線處于平行狀態(tài)，致使會有一部分交變磁力線從該閉合線路當中穿過，這樣一來便會在回路當中形成一個干擾電動勢。想要有效抑制或消除正交干擾對污水流量計的影響，可從變送器和信號轉(zhuǎn)換器這兩個部分分別采取措施，具體內(nèi)容如下：
1）從變送器上采取抗干擾措施。應(yīng)當盡可能使閉合回路的平面與交變磁力線保持平行，這樣便可以防止磁力線從閉合回路當中穿過的情況發(fā)生，同時可設(shè)置干擾調(diào)整機構(gòu)，借此來減少干擾信號。此外，還可以在變送器上設(shè)置調(diào)零電位器，通過該電位器能夠使兩個回路當中產(chǎn)生出來的電流的電勢互相抵消，從而達到消除正交干擾信號的目的。
2）從信號轉(zhuǎn)換器上采取抗干擾措施?？稍谵D(zhuǎn)換器當中設(shè)置抗干擾機構(gòu)，借此來消除變送器中殘余的正交干擾信號，具體做法是在主放大器輸出端設(shè)置補償和抑制正交干擾的機構(gòu)。
2.2軟件抗干擾技術(shù)
在EPROM中，污水流量計固化的軟件與硬件相配合不僅要確保污水流量計正常功能的實現(xiàn)，還必須具備較強的容錯能力和抗干擾能力，構(gòu)建起功能完善的應(yīng)用程序。
1）數(shù)字濾波技術(shù)。該技術(shù)是智能儀器中使用*為廣泛的技術(shù)，擁有模擬濾波器所不具備的功能，主要包括消除脈沖干擾、A/D轉(zhuǎn)換器的抗工頻能力、消除數(shù)字電路毛刺干擾、保障輸入微處理器數(shù)字的可靠性等。
2）程控放大器技術(shù)。該技術(shù)能夠解決污水流量計量程自動轉(zhuǎn)換問題，通過增益控制以達到削弱微分干擾峰值導致放大器過載的目的，有利于處理流量信號電勢，增強抗微分干擾能力。
2.3同步采樣抗干擾技術(shù)
在信號連續(xù)的狀態(tài)下，可采用同步采樣技術(shù)實施采樣。但必須注意的是，選取的采樣區(qū)域、對稱度、寬度、起始點在小流量的影響下，會導致污水流量計難以達到測量精度。為此，采樣頻率應(yīng)當選取工頻周期的整數(shù)倍，如此做法可以確保在混有干擾信號的采樣時間為工頻周期的情況下，免于電壓的干擾。
2.4接地抗干擾措施
通常情況下，受變送器輸出信號較小的影響會導致污水流量計的抗干擾能力降低，所以應(yīng)當將變動器輸入電路的零電位進行單獨接地處理，不僅可以起到屏蔽的作用，還能夠有效減少激磁系統(tǒng)本身電磁場干擾的影響。此外，污水流量計接地必須選擇遠離大型用電器的地點，以達到防止電流串入的目的。