电磁流量计测量原理及其电磁干扰问题

工程师3 发表于 2018-06-04 02:41:00 收藏 已收藏
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电磁流量计测量原理及其电磁干扰问题

工程师3 发表于 2018-06-04 02:41:00

所谓电磁流量计是指根据法拉第电磁感应定律,用来测量导电性液体体积流量的仪表。它可在层流、紊流、脉动流量以及产生流线振动等情况下对流体进行流量测量。由于其流量管光滑,压力损失小,测量范围宽,准确度高,反应灵敏,能获得与流量成比例的信号,加之其测量管直通无死角,便于清洗和灭菌消毒,因此它在用于特殊卫生要求的医药和食品工业中得到了广泛的应用。

由于液体中所感应出的电势数值很小,所以要引入高放大倍数的放大器,然而这样就使得电磁流量计特别容易受外界电磁场的干扰,即使很微弱的信号在经过高倍放大后,对结果的影响也是巨大的,这样势必会大大地影响仪表的准确度,对控制系统的稳定性、可靠性也构成很大的隐患。所以研究电磁流量计的所受的电磁干扰及相应对策就显得特别有必要。这里有几点不成熟的看法,与大家共同探讨。

电磁流量计测量原理及其电磁干扰问题

1 电磁流量计测量原理

根据法拉第电磁感应定律,当一导体在磁场中运动而切割磁力线时,在导体两端便会产生感应电动势。设在均匀磁场中,垂直于磁场方向有一个直径为D的管道。管道由不导磁材料制成,内表面加绝缘衬里。当导电的液体在管道中流动时,导电液体就切割磁力线,因而在和磁场及流动方向垂直的方向将产生感应电动势。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极,可以证明,只要管道内流速v为轴对称分布,两级之间就会产生感应电动势:

E=BDv(1)

由此可得管道的体积流量为:

  (2)

综合式(1)和式(2)得:

  (3)

式中:

K为仪表常数,在管道直径D已确定并维持磁感应强度B恒定时,K是一个常数。此时感应电动势与体积流量具有线性关系。

2 励磁方式

由电磁流量计的工作原理可知,为使式(3)成立,第一个必须满足的条件就是要有一个均匀恒定的磁场,才能保证感应电动势E与体积流量Q具有线性关系,这就需要选择合适的励磁方式,也就是产生磁场的方式,一般有三种励磁方式可供选择,即直流励磁、交流励磁、低频方波励磁。

3 干扰的抑制和消除

由于本系统需在劣势的现场环境中使用,对抗干扰性和可靠性具有较高的要求,因此在系统开发和设计过程中,将提高系统抗干扰性和可靠性作为一项重要的内容。根据一般电磁流量计系统的特点,主要从硬件优化方面讨论如电磁耦合、静电感应是电磁流量计产生干扰噪声的重要来源。在电磁流量变速器中,由于两电极的引线处于交变磁场中,当变速器通电后,在引线的闭合回路内就产生出感应电动势。这种干扰信号叠加到测量信号中,影响了系统的运行。各种励磁方式产生会带来不同的电磁干扰问题。直流励磁方式易产生极化干扰,交流励磁方式易产生正交干扰(90度干扰)、同相干扰(即工频干扰)等。由于实际应用中多采用交流励磁方式,因此以下主要阐述交流励磁下的干扰问题及抑制。

3.1 正交干扰及其抑制或消除方法

正交干扰是指在相位上与流量信号相差90度的干扰。电磁流量变送器采用交流励磁方式时,要产生一个交变的磁场,而由电极、引出线、被测介质和转换器的输入电路所组成的闭合回路,正处于干扰交变磁场中、闭合回路不可能与变送器的交变磁场产生的磁力线完全平行,总会有一部分交变的磁力线穿过该闭合回路,从而在回路内产生一个干扰电动势,其大小为:

  (4)

对于交流励磁,B=Bmsin(ωt)则有:

  (5)

比较可知,测量信号E与干扰信号et的频率相同,相位差90°。因此称et为90°干扰,又称正交干扰。在电磁流量计中,从变送器和转换器两部分采取措施,来消除或抑制90°干扰。

3.1.1 从变频器部分采取措施

在变送器的结构上,注意使闭合回路的平面保持与交变磁力线平行,避免磁力线穿过闭合回路,并设有干扰调整机构,以减少干扰信号et。另外,在变送器上设置调零电位器。从一般电极引出二根导线,并分别绕过磁极形成两个回路,当有磁力线穿过此闭合回路,必然在两个回路内产生方向相反的感应电势。因此,在两个回路中有相反方向的电流I1、I2。通过调整电位器,使两个回路中产生的电流I1、I2在转换器的输入电阻上产生的电势相互抵消,减少90°干扰信号。

3.1.2 从转换器部分采取措施

对于正交干扰,除了变送器的干扰调整机构调零以外,转换器中也要设置抗干扰机构,以消除变送器中剩余的正交干扰信号。否则,这些剩余的正交干扰信号同样会被放大器放大,严重影响仪表正常工作。为此,在主放大器的输出端设置抑制抑制和补偿90°干扰的机构,经主放大器放大后的90°干扰信号,被鉴别和分离出来,然后再反馈到主放大器的输入端,以抵消输入端进来的90°干扰信号。

3.2 同相干扰及其抑制方法

同相干扰工频干扰或共模干扰,是指在同一瞬间出现在变送器的两个电极上,并且幅值和相位都相同的干扰信号。当流量为零时,即被测液体静止不动时,所测得的同相信号就是同相干扰信号。对于同相干扰,抑制的方法较多。在变送器方面,将电极和励磁线圈在几何形状、尺寸以及性能参数上做得均衡对称,并分别严格屏蔽,以减少电极与励磁线圈之间的分布电容影响。

为了减少地电流造成的同相干扰,在安装接地线时,要把变送器两端的管道法兰盘与转换器的外壳都接在同一点上,以减少同相干扰,但不能完全消除同相干扰。因此,通常还在转换器的前置放大级采用增加了恒流源的差动放大电路,利用差动放大器的高共模抑制比,使进入转换器输入端的同相干扰信号互相抵消而被抑制,可以达到很好的效果。同时,为了避免干扰信号,变送器和转换器之间的信号必须用屏蔽导线传输。

3.3 其他应注意的问题

在使用中要注意维护,防止电极与管道间绝缘的破坏,安装时要远离一切磁源(例如大功率电机、变压器等),不能有振动。单独、良好的接地也是十分重要的。接地线应尽量加粗,地电流是同相干扰产生的主要原因。如果变送器附近存在大功率的电器设备,特别是从绝缘不好的等效电路中可以看出,接地线接地电阻Rn产生的电压降en通过变送器而发生漏电时,地电流将使各个不同接地点电。

分析系统的电磁干扰原因,通过对电磁流量计实行一系列的抗干扰措施,大大抑制和消除了干扰信号对有用的流量信号的影响,提高了测量的准确度,减少了故障率。

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