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      電磁流量計的精度提升及其抗干擾技術

      來源:作者:發表時間:2018-11-19 09:22:12

      摘要:電磁流量計在我國工業、制造業及其他行業的應用十分廣泛,在液體流量測量方面起到了不可替代的重要作用。由于流量計測量的精確程度直接影響到了生產質量,測量誤差可能會對生產過程造成巨大的經濟損失,因此,通過研究電磁流量計精度的影響因素,分析提升測量精度的方法和測量過程中的抗干擾能力具有十分重要的意義。
       
          隨著我國科學技術和經濟的不斷發展與進步,電磁流量計在我國的工業、技術檢測和管理等很多領域得到了廣泛的使用,電磁流量計具有良好的耐腐蝕性,并具備可靠性高、適應性強的特點。近年來,各個領域在不斷探索新技術的同時,對電磁流量計的精確程度和穩定性也提出了更高的要求。能夠影響電磁流量計精度的因素有很多,但只要明確了主要的干擾因素,就能夠有針對性地利用軟硬件技術來降低干擾因素對測量精度的影響,有效提升電磁流量計工作的可靠性。
       
      基本原理介紹
             電磁流量計是以法拉第電磁感應定律為理論基礎而制造的一種流量計。電磁流量計在工作時由磁路系統產生直流或交流磁場,用以提供測量所需的磁場環境,當被測液體在導管中通過磁場區域時,會做切割磁力線運動,此時就可以通過電極傳感器將導管內的流量轉換成為感應電勢信號,并將信號傳遞給轉換器。轉換器將獲取的各種不同的流量信號進行分析、對比和放大,**終轉換成為標準的信號輸出給積算儀,積算儀通過對信號的處理,將測得的流量在儀表上顯示,并對測量結果進行一定的記錄,其基礎工作流程如圖1所示。
      電磁流量計工作流程
      2、電磁流量計精度影響因素分析
          電磁流量計的干擾信號有很多,這些干擾信號會和實際的流量信號相混合,產生一種十分復雜的數據處理情況。因此,要提高電磁流量計對液體的測量精確度,就必須對這些干擾信號產生的原因進行分析與總結,以便有針對性地采取抗干擾措施,電磁流量計的常見影響因素如下。
       
      2.1正交干擾
          電磁流量計的磁路系統包含有兩個勵磁線圈,而導管內的液體與傳感器電極及轉換器結構組成了一個閉合的回路,如圖2所示。理論情況下,磁力線(圖中B)應與閉合回路相平行,但是由于裝配過程中的誤差,導致磁力線不可能完全平行于這一閉合回路,出現部分磁力線成一定角度穿過回路的現象,這引起了即使沒有液體流動的情況下,傳感器的電極上也會產生感應電動勢,就形成了正交干擾的基本形式。
      磁力線和閉合回路關系圖
          當磁力線圈中的電流發生變化時,由于傳感器電極的作用,在磁場發生轉變的過程中,兩個電極所形成的閉合回路會產生相反的感應電壓,當磁場再次發生變化時,傳感器的電磁回路又會再次產生相反的感應電壓。由于磁力線圈磁場的變化總是由一個穩定狀態向另一個穩定狀態進行轉變,再由此狀態轉變為原狀態,因此,所引起的電極反向感應電壓也具有相似的特質,說明正交干擾的產生只與磁力線圈的磁場變化有關,與實際被測的液體流量無關。因此,磁力線圈的勵磁頻率是正交干擾強弱的主要影響因素。
       
      2.2同相干擾
          在電磁流量傳感器中,部分主磁通會在流體內部形成正交干擾的閉合渦電流,由于交變電流的產生會導致出現交變磁場,而引起與之正交相連的二次磁通產生,同時因二次磁通的影響,又會引起與二次磁通正交相連的渦電流產生,這就是同向干擾產生的主要原因。
          下式是由正交干擾公式經過微分得到的同向干擾公式,通過公示可知,同相干擾與流量信號相位相同,大小與流量無關,因此很難將同向干擾產生的信號與流量信號進行分離,只能通過減少磁路系統的勵磁頻率來降低同向干擾信號的影響。
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          式中:er為同相干擾電壓;f為為勵磁頻率;w和t為常量。
       
      2.3串模干擾與共模干擾
          串模干擾是在單端信號輸人的同時,還有多種干擾信號與其疊加在一起成為前置放大器的輸入信號。若干擾信號過大,容易導致放大器飽和而無法正常工作。當設備存在漏磁問題時,也會在周圍形成很強的交變磁場,從而會引起串模干擾的形成。為了降低串模干擾產生的影響,現階段的流量傳感器通常將“零阻值”的被測流體作為轉換放大器的接地端,而傳感器的兩個電極作為放大器的輸人端,這就很好的抑制了幅度相等和極性相同的串模干擾。共模干擾主要是由于靜電干擾引起的,一般情況下,共模干擾不會直接影響測量的結果,但是若轉換放大器的輸入參數存在不對稱間題時,共模干擾就會轉變為串模干擾來影響**終的測量結果,將電解質與金屬材料圈和電極進行屏蔽能夠有效地降低共模干擾的影響。
       
      2.4直流干擾
          在被測液體與電極和接液部件接觸過程中,電解質中的正負離子會分別作定向運動,這會使被測液體在電極和接液部件之間形成電位差,通常將這種現象稱為極化現象。如圖3所示,理論上來說,兩電極A和B對接液部件的電位e1 , e2大小相等、方向相反,此時兩電極的電位差等于零。但是,若兩電極的材質或表面狀態存在差異,此時A,B電極之間的電位差就不為零,這就形成了極化電壓,極化電壓與共模狀態的電壓e3一起疊加在流量信號中,被輸人轉換器的差動放大器。當極化電壓過大,則會對差動放大器的輸入端造成較大影響,導致信號無法放大或流量信號的輸出波動過大,從而降低了電磁流量計的測量精度。
       
      3電磁流量計的抗干擾方式
          由于電磁流量計測量精度的干擾因素很多,且電磁流量計的工作條件通常也比較惡劣,電磁流量計的測量準確程度除受到系統內部產生的信號干擾外,還會不可避免的受到多種環境因素的影響,電磁流量計測量的誤差,會給生產帶來重大的經濟損失。因此,提升流量計的可靠性與測量精度,減少干擾對測量值的影響程度,是電磁流量計發展必須要做的工作。
      極化電壓示意圖
      3.1硬件抗干擾技術
          (1)電源端所產生的干擾是電子產品較為常見的精度干擾因素,由于這種干擾無法完全被去除,只能通過減小干擾脈沖的幅度來降低其影響。在實際工作中常采用在交流進線端串接人低通LC濾波器的方式來實現,這種方法在實際的工作中產生了顯著地效果。
          (2)傳輸電纜所產生的雜散電磁場會通過感應和輻射的方式進人信道而產生干擾,利用雙芯屏蔽電纜能夠實現較長線路傳輸的抗干擾功能。對于環境更為惡劣的情況,為提高抗干擾能力,可采用光電隔離方式將系統控制部分與1/0口部分分開,并采用雙電源供電來降低干擾產生的精度影響。
          (3)除了有針對性的抵抗干擾之外,還可以采取增加硬件的方式提升系統的整體抗干擾能力。例如:選擇和使用抗干擾能力強的單片機;使用硬件看門狗電路;使用電壓檢測電路;盡可能使用單片機的內部程序存儲器和內部數據存儲器等。
       
      3.2軟件抗干擾技術
          (1)通過在系統程序的關鍵位置插入部分單字節指令或將單字節指令進行重寫,從而達到恢復“跑飛”程序的目的,這種方法稱之為指令冗余。指令冗余的主要方法包括以下兩點:一是在雙字節指令和3字節指令之后插入兩個單字節NOP指令,以保證其后的指令不被拆散。二是對于程序流向起決定作用的指令和某些對系統工作狀態有重要作用的指令的后面,可重復寫上這些指令,以確保這些指令的正確執行。
          (2)若“跑飛”程序進入非程序區或者表格區時,指令冗余則無法起到抗干擾的目的,此時可采用設置軟件陷阱對“跑飛”程序進行攔截,軟件陷阱能將“跑飛”程序引向某一位置,再通過編制的程序對“跑飛”程序進行恢復。
          (3)某些程序被干擾后容易陷人死循環模式,通過程序監視技術,能夠及時發現運行超時的程序,并采用相應的方式使程序復位,保證程序的正常運行。
       
      4結語
          總之,在保證電磁流量計基本使用功能的前提下,通過對現階段技術的影響因素進行分析,就能夠有針對性地降低干擾對測量結果產生的影響,從而保證電磁流量計工作過程的可靠性,避免因測量不準確而導致的經濟損失和事故發生。
      日日干夜夜操

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