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高壓渦輪流量計(jì)的勵(lì)磁干擾分析與抗干擾方法
點(diǎn)擊次數(shù)：2173 發(fā)布時(shí)間：2021-01-13 17:42:35
摘要：根據(jù)高壓渦輪流量計(jì)的測量原理，結(jié)合高壓渦輪流量計(jì)實(shí)際應(yīng)用中遇到的正交干擾、微分干擾、工頻干擾等問題，分析干擾產(chǎn)生的原因，提出采用同步采樣技術(shù)、采樣時(shí)間長度選擇、數(shù)字濾波技術(shù)等方法，從根本上對(duì)這些干擾信號(hào)進(jìn)行抑制和消除，使高壓渦輪流量計(jì)更適應(yīng)于現(xiàn)場應(yīng)用。
1 低頻交流矩形波勵(lì)磁技術(shù)中干擾的分析
1.1 正交干擾與微分干擾
傳感器就如同一個(gè)副邊只有一匝的變壓器，由被測介質(zhì)、電極、引出線和轉(zhuǎn)換器的輸入電路所組成的閉合回路組成。當(dāng)采用正弦交流勵(lì)磁時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場，電極上產(chǎn)生的電勢(shì)為E=BmDvsin（ωt）。同時(shí)，因?yàn)檫@個(gè)閉合回路實(shí)際上不能與磁力線完全平行，總會(huì)有一部分磁力線穿過該閉合回路，從而在回路內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)干擾電動(dòng)勢(shì)疊加在電極上，即高壓渦輪流量計(jì)變壓器效應(yīng)原理，其大小為：et=-dB/dt，對(duì)于正弦交流勵(lì)磁，B=Bmsin（ωt），則有：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比較流速信號(hào)E與干擾信號(hào)et，頻率相同，相位相差90°。因此，et為90°干擾，又稱正交干擾。對(duì)于低頻交流矩形波勵(lì)磁，則表現(xiàn)在由于勵(lì)磁電流突變而導(dǎo)致微分干擾信號(hào)的產(chǎn)生，干擾信號(hào)會(huì)隨著電流的穩(wěn)定而逐步消失。
根據(jù)以上分析，采用低頻交流矩形波勵(lì)磁，電極走線偏離將會(huì)產(chǎn)生微分干擾以及由其衍生的直流偏置。如圖2所示。兩個(gè)電極分別通過引線引到傳感器上部與變送器相連，正面電極走線如圖所示，有標(biāo)準(zhǔn)、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背面電極是標(biāo)準(zhǔn)走線。采用恒流500mA，5Hz交流矩形波勵(lì)磁，相應(yīng)的電極信號(hào)如圖3所示。可以看出，隨著偏離的程度增加，微分干擾和直流偏置同趨勢(shì)增加。
1.2 工頻干擾
工頻干擾是高壓渦輪流量計(jì)常見的干擾源。當(dāng)流量計(jì)處于電源形成電磁場中時(shí)，由于分布電容的存在，以電磁波的輻射形式干擾電極信號(hào)，或者是由供電電源引入的工頻串?dāng)_，工作現(xiàn)場的工頻共模干擾，其產(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。幅度與流量信號(hào)相比，往往要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，頻率與供電電源頻率相同。如圖4所示，線圈驅(qū)動(dòng)頻率為5Hz的電極信號(hào)，被耦合了50Hz的工頻干擾，幅度大概相當(dāng)于1feet/s。
1.3 泥漿干擾和流動(dòng)噪聲
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相導(dǎo)電性流體時(shí)，固體顆粒或者氣泡擦過電極表面時(shí)，電極表面的接觸電化學(xué)電勢(shì)突然變化，電磁流量傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。流體流動(dòng)噪聲是在測量低導(dǎo)率流體時(shí)，電極的電化學(xué)電勢(shì)定期波動(dòng)，產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機(jī)干擾噪聲，具有類似泥漿干擾的1/f頻譜特性，因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低流體流動(dòng)噪聲的數(shù)量級(jí)，以提高電磁流量傳感器測*低導(dǎo)電率流體流量的信噪比。
2 抗干擾方法
2.1 同步采樣技術(shù)
對(duì)于低頻方波勵(lì)磁我們可以采用同步采樣技術(shù)進(jìn)行。根據(jù)線圈驅(qū)動(dòng)給出的同步信號(hào)，對(duì)電極信號(hào)在指定時(shí)間開始取樣，取指定的時(shí)間長度。例如只取電極信號(hào)*后的20％納入流量計(jì)算，這樣就有效避免了微分干擾和建立穩(wěn)定磁場需要一定時(shí)間的問題。
2.2 采樣時(shí)間長度
采樣時(shí)間長度要取工頻周期的整數(shù)倍，這樣即使混有工頻干擾信號(hào)，因其采樣時(shí)間長度為完整的工頻周期，其平均值也為零，干擾不起作用。
2.3 零點(diǎn)偏移與直流偏置
零點(diǎn)偏移是指在流體流速為零時(shí)，電極兩端依然有電勢(shì)差。理論上此時(shí)應(yīng)該沒有電勢(shì)差，但由于電子部件的不對(duì)稱、傳感器制造不對(duì)稱等原因，造成此電勢(shì)差，這個(gè)值可以放在標(biāo)定過程中去除。直流偏置是指電極信號(hào)整體向上或向下偏移，不以0電平對(duì)稱，這是由于制造過程中線圈不對(duì)稱、電極走線不標(biāo)準(zhǔn)、共模干擾、電化學(xué)效應(yīng)等因素造成。直流偏置在采用了低頻交流矩形波勵(lì)磁后，不影響流量計(jì)的測量。
2.4 數(shù)字濾波技術(shù)
限幅濾波法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的*大偏差值。每次采樣測到的新值與前一次值作比較，如果差值小于允許的*大偏差值則有效，否則無效，用前一次值代替。這樣就可以有效過濾現(xiàn)場干擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電極引起的過程噪聲等干擾。算術(shù)平均濾波法，連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，N值較大時(shí)，信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)，信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。
舉例，如圖5所示，線圈采用5Hz驅(qū)動(dòng)時(shí)的0feet/s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的電極信號(hào)，利用上述方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并計(jì)算流速。取每半波*后的20％納入流速計(jì)算，正半波與負(fù)半波相減即是流速。如3.1feet/s–（-2.8feet/s）=5.9feet/s，雖然有＋0.15 feet/s的直流偏置，但也不影響流速的計(jì)算。因線圈是5Hz驅(qū)動(dòng)，半波的20％是20ms，正好是1個(gè)完整的工頻周期，這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負(fù)半波相減，這樣就避免了直流偏置和共模干擾的影響。再加上在數(shù)字濾波過程中使用限幅濾波和算數(shù)平均，保證了流量信號(hào)的有效提取。
4 接地
由于在電極上產(chǎn)生的流量信號(hào)是μV級(jí)，流量計(jì)安裝地點(diǎn)附近經(jīng)常有其他電器設(shè)備，環(huán)境復(fù)雜，容易受到附近其他設(shè)備的影響，變送器必須可靠接地；流量計(jì)經(jīng)常被安裝在室外，風(fēng)吹日曬，溫濕度變化比較大，夏天容易受到雷電的沖擊，環(huán)境惡劣，接地可以減少損壞的風(fēng)險(xiǎn)；為了保證測量的精度和穩(wěn)定性，對(duì)于非金屬管道，傳感器的兩端必須采用接地環(huán)可靠接地，使進(jìn)入傳感器的流體保證零電位。必須強(qiáng)調(diào)，流量計(jì)一定要單獨(dú)接地，因?yàn)槿襞c其他儀表或電氣裝置共同接地，接地線中的漏電流可能對(duì)測量信號(hào)將產(chǎn)生串模干擾，嚴(yán)重時(shí)流量計(jì)將無法工作。另外，接地點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大型用電器，避免地電流串入流量計(jì)，造成干擾。
5 結(jié)束語
通過以上對(duì)干擾的分析，針對(duì)不同類型的干擾，分別采取不同的措施，有效提高信噪比，強(qiáng)調(diào)接地的作用，提高了高壓渦輪流量計(jì)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，使其更加適應(yīng)于工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場。
1 低頻交流矩形波勵(lì)磁技術(shù)中干擾的分析
1.1 正交干擾與微分干擾
傳感器就如同一個(gè)副邊只有一匝的變壓器，由被測介質(zhì)、電極、引出線和轉(zhuǎn)換器的輸入電路所組成的閉合回路組成。當(dāng)采用正弦交流勵(lì)磁時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場，電極上產(chǎn)生的電勢(shì)為E=BmDvsin（ωt）。同時(shí)，因?yàn)檫@個(gè)閉合回路實(shí)際上不能與磁力線完全平行，總會(huì)有一部分磁力線穿過該閉合回路，從而在回路內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)干擾電動(dòng)勢(shì)疊加在電極上，即高壓渦輪流量計(jì)變壓器效應(yīng)原理，其大小為：et=-dB/dt，對(duì)于正弦交流勵(lì)磁，B=Bmsin（ωt），則有：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比較流速信號(hào)E與干擾信號(hào)et，頻率相同，相位相差90°。因此，et為90°干擾，又稱正交干擾。對(duì)于低頻交流矩形波勵(lì)磁，則表現(xiàn)在由于勵(lì)磁電流突變而導(dǎo)致微分干擾信號(hào)的產(chǎn)生，干擾信號(hào)會(huì)隨著電流的穩(wěn)定而逐步消失。
根據(jù)以上分析，采用低頻交流矩形波勵(lì)磁，電極走線偏離將會(huì)產(chǎn)生微分干擾以及由其衍生的直流偏置。如圖2所示。兩個(gè)電極分別通過引線引到傳感器上部與變送器相連，正面電極走線如圖所示，有標(biāo)準(zhǔn)、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背面電極是標(biāo)準(zhǔn)走線。采用恒流500mA，5Hz交流矩形波勵(lì)磁，相應(yīng)的電極信號(hào)如圖3所示。可以看出，隨著偏離的程度增加，微分干擾和直流偏置同趨勢(shì)增加。
1.2 工頻干擾
工頻干擾是高壓渦輪流量計(jì)常見的干擾源。當(dāng)流量計(jì)處于電源形成電磁場中時(shí)，由于分布電容的存在，以電磁波的輻射形式干擾電極信號(hào)，或者是由供電電源引入的工頻串?dāng)_，工作現(xiàn)場的工頻共模干擾，其產(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。幅度與流量信號(hào)相比，往往要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，頻率與供電電源頻率相同。如圖4所示，線圈驅(qū)動(dòng)頻率為5Hz的電極信號(hào)，被耦合了50Hz的工頻干擾，幅度大概相當(dāng)于1feet/s。
1.3 泥漿干擾和流動(dòng)噪聲
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相導(dǎo)電性流體時(shí)，固體顆粒或者氣泡擦過電極表面時(shí)，電極表面的接觸電化學(xué)電勢(shì)突然變化，電磁流量傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。流體流動(dòng)噪聲是在測量低導(dǎo)率流體時(shí)，電極的電化學(xué)電勢(shì)定期波動(dòng)，產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機(jī)干擾噪聲，具有類似泥漿干擾的1/f頻譜特性，因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低流體流動(dòng)噪聲的數(shù)量級(jí)，以提高電磁流量傳感器測*低導(dǎo)電率流體流量的信噪比。
2 抗干擾方法
2.1 同步采樣技術(shù)
對(duì)于低頻方波勵(lì)磁我們可以采用同步采樣技術(shù)進(jìn)行。根據(jù)線圈驅(qū)動(dòng)給出的同步信號(hào)，對(duì)電極信號(hào)在指定時(shí)間開始取樣，取指定的時(shí)間長度。例如只取電極信號(hào)*后的20％納入流量計(jì)算，這樣就有效避免了微分干擾和建立穩(wěn)定磁場需要一定時(shí)間的問題。
2.2 采樣時(shí)間長度
采樣時(shí)間長度要取工頻周期的整數(shù)倍，這樣即使混有工頻干擾信號(hào)，因其采樣時(shí)間長度為完整的工頻周期，其平均值也為零，干擾不起作用。
2.3 零點(diǎn)偏移與直流偏置
零點(diǎn)偏移是指在流體流速為零時(shí)，電極兩端依然有電勢(shì)差。理論上此時(shí)應(yīng)該沒有電勢(shì)差，但由于電子部件的不對(duì)稱、傳感器制造不對(duì)稱等原因，造成此電勢(shì)差，這個(gè)值可以放在標(biāo)定過程中去除。直流偏置是指電極信號(hào)整體向上或向下偏移，不以0電平對(duì)稱，這是由于制造過程中線圈不對(duì)稱、電極走線不標(biāo)準(zhǔn)、共模干擾、電化學(xué)效應(yīng)等因素造成。直流偏置在采用了低頻交流矩形波勵(lì)磁后，不影響流量計(jì)的測量。
2.4 數(shù)字濾波技術(shù)
限幅濾波法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的*大偏差值。每次采樣測到的新值與前一次值作比較，如果差值小于允許的*大偏差值則有效，否則無效，用前一次值代替。這樣就可以有效過濾現(xiàn)場干擾、毛刺、過程流體顆粒撞擊電極引起的過程噪聲等干擾。算術(shù)平均濾波法，連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，N值較大時(shí)，信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)，信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。
舉例，如圖5所示，線圈采用5Hz驅(qū)動(dòng)時(shí)的0feet/s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的電極信號(hào)，利用上述方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并計(jì)算流速。取每半波*后的20％納入流速計(jì)算，正半波與負(fù)半波相減即是流速。如3.1feet/s–（-2.8feet/s）=5.9feet/s，雖然有＋0.15 feet/s的直流偏置，但也不影響流速的計(jì)算。因線圈是5Hz驅(qū)動(dòng)，半波的20％是20ms，正好是1個(gè)完整的工頻周期，這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負(fù)半波相減，這樣就避免了直流偏置和共模干擾的影響。再加上在數(shù)字濾波過程中使用限幅濾波和算數(shù)平均，保證了流量信號(hào)的有效提取。
4 接地
由于在電極上產(chǎn)生的流量信號(hào)是μV級(jí)，流量計(jì)安裝地點(diǎn)附近經(jīng)常有其他電器設(shè)備，環(huán)境復(fù)雜，容易受到附近其他設(shè)備的影響，變送器必須可靠接地；流量計(jì)經(jīng)常被安裝在室外，風(fēng)吹日曬，溫濕度變化比較大，夏天容易受到雷電的沖擊，環(huán)境惡劣，接地可以減少損壞的風(fēng)險(xiǎn)；為了保證測量的精度和穩(wěn)定性，對(duì)于非金屬管道，傳感器的兩端必須采用接地環(huán)可靠接地，使進(jìn)入傳感器的流體保證零電位。必須強(qiáng)調(diào)，流量計(jì)一定要單獨(dú)接地，因?yàn)槿襞c其他儀表或電氣裝置共同接地，接地線中的漏電流可能對(duì)測量信號(hào)將產(chǎn)生串模干擾，嚴(yán)重時(shí)流量計(jì)將無法工作。另外，接地點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大型用電器，避免地電流串入流量計(jì)，造成干擾。
5 結(jié)束語
通過以上對(duì)干擾的分析，針對(duì)不同類型的干擾，分別采取不同的措施，有效提高信噪比，強(qiáng)調(diào)接地的作用，提高了高壓渦輪流量計(jì)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，使其更加適應(yīng)于工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場。