電磁流量傳感器如何抵抗電磁環(huán)境的干擾

電磁流量傳感器的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，產(chǎn)生的正比于被測(cè)流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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，因此電磁流量傳感器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)是電磁流量傳感器干擾噪聲的主要來(lái)源；被測(cè)流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量傳感器干擾噪聲的第二來(lái)源；電磁流量傳感器供電電源的電壓和頻率波動(dòng)等電源干擾噪聲是電磁流量傳感器干擾噪聲的第三來(lái)源。為滿足儀表的EMC要求，智能電磁流量傳感器分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù)，以提高傳感器抗干擾能力。
工頻干擾噪聲的特點(diǎn)及電磁流量傳感器抗干擾技術(shù)
    工頻干擾噪聲首先是由電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合形成，其二是電磁流量傳感器工作現(xiàn)場(chǎng)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(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。
    電磁流量傳感器勵(lì)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(duì)電磁流量傳感器工作影響最大，而且在不同的勵(lì)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(lì)磁磁場(chǎng)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(shì)，特點(diǎn)是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵(lì)磁頻率成正比，相位滯后流量信號(hào)電勢(shì)90°，且幅值較流量信號(hào)電勢(shì)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。直流勵(lì)磁、低頻矩形波勵(lì)磁及雙頻矩形波勵(lì)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(jiàn)的干擾，主要是由于電磁屏蔽缺陷，分布電容耦合，電磁流量傳感器接地不良等原因而產(chǎn)生，電磁流量傳感器采用輸入保護(hù)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系列電磁流量傳感器配有接地環(huán)，其作用是通過(guò)與液體接觸，建立液體接地，確保基準(zhǔn)電位與被測(cè)液體相同，并且保護(hù)流量傳感器內(nèi)襯。
電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)及電磁流量傳感器抗干擾技術(shù)
    1、電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)
    (1)電化學(xué)極化電勢(shì)干擾是由于電極感生電動(dòng)勢(shì)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(fù)交變勵(lì)磁磁場(chǎng)能顯著減弱極化電勢(shì)的數(shù)量級(jí)，但不能從根本上wan全消除極化電勢(shì)干擾。
    (2)泥漿干擾是在測(cè)量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)，固體顆粒或者氣泡擦過(guò)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。
    (3)流體流動(dòng)噪聲是在測(cè)量低導(dǎo)率液體(100μS/cm以下)流量時(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(lèi)似泥漿干擾的1/f頻譜特性。
    2、電磁流量傳感器抗電化學(xué)干擾技術(shù)
電磁流量傳感器在提高抗電化學(xué)干擾能力方面采取的措施主要是低頻矩形波勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁技術(shù)。低頻矩形波勵(lì)磁既具有直流勵(lì)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(diǎn)，又具有工頻正弦波勵(lì)磁基本不產(chǎn)生極化效應(yīng)，便于放大信號(hào)處理，而能避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問(wèn)題的產(chǎn)生，有較好的抗干擾性能。低頻矩形波勵(lì)磁雖然具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性，但在測(cè)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(shí)無(wú)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(dòng)噪聲具有1/f的頻譜特征。低頻時(shí)幅值大，高頻時(shí)幅值小，如果采用較高頻率的低頻矩形波勵(lì)磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級(jí)。因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動(dòng)噪聲，提高傳感器輸出信號(hào)的信噪比。
綜上所述，要保證電磁流量傳感器的零點(diǎn)穩(wěn)定性，最好采用低頻矩形波勵(lì)磁；為了能較準(zhǔn)確地測(cè)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(lì)磁。采用圖1所示的雙頻矩形波勵(lì)磁的方法是最佳方案。
    3、雙頻矩形波勵(lì)磁工作及抗干擾原理
在電磁流量傳感器測(cè)量管內(nèi)形成含有兩個(gè)頻率分量的電磁場(chǎng)：高頻勵(lì)磁分量不受液體干擾的影響，而低頻勵(lì)磁分量則有著ji好的零點(diǎn)穩(wěn)定性，根據(jù)高、低頻定時(shí)檢測(cè)到的各分量信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算，便可得到流量信號(hào)。
    雙頻矩形波勵(lì)磁是一個(gè)由高低頻分量迭加而成的電磁場(chǎng)通過(guò)勵(lì)磁線圈被施加到被測(cè)液體中，勵(lì)磁波形是在一個(gè)低頻矩形波上迭加一個(gè)高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)中，低頻分量通過(guò)一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的積分電路獲得一個(gè)零點(diǎn)穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號(hào)。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(shí)間常數(shù)的流量信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)差分電路以確定流速信號(hào)的變化，把這兩種不同頻率采樣所得的信號(hào)結(jié)合起來(lái)可獲得一個(gè)穩(wěn)定流速信號(hào)，該信號(hào)不受噪聲干擾，且有較高的零點(diǎn)穩(wěn)定性。
電源干擾噪聲特點(diǎn)及電磁流量傳感器抗干擾技術(shù)
    電磁流量傳感器一般都采用工頻交流電源供電，其電源電壓的幅值和頻率的變化都會(huì)給電磁流量傳感器帶來(lái)電源性干擾噪聲。對(duì)電源電壓的幅值變化，因采用多級(jí)集成穩(wěn)壓，一般而言電源電壓的幅值變化對(duì)電磁流量傳感器的測(cè)量精度影響不大。當(dāng)電源電壓的頻率波動(dòng)時(shí)，雖然其波動(dòng)范圍有限，但對(duì)電磁流量傳感器測(cè)量精度影響較大。為了解決工頻干擾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流速感應(yīng)電勢(shì)eab信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，需利用以下基本關(guān)系：①勵(lì)磁周期為工頻周期的整數(shù)倍，即勵(lì)磁頻率為50/nHz(n為偶數(shù))；②正負(fù)勵(lì)磁下的同相位采樣。這樣電磁流量傳感器的工頻干擾就有了可以克服的途徑，采用同步采樣技術(shù)，采樣頻率為工頻周期的整數(shù)倍。這樣即使混有干擾信號(hào)，因其采樣時(shí)間為完整的工頻周期，其平均值也為零，干擾電壓不起作用。