自祐仪表电磁流量计的测量原理？_南阳吧_百度贴吧
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电磁流量计的测量原理？
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为兴趣而生，贴吧更懂你。或智能电磁流量计抗干扰技术的研究
彭 端 彭珞丽
广东机械学院主动化系 广州510643
& &摘 要： 总述了（EMF）抗搅扰技能的开展前史，评论了电磁流量计三类搅扰噪声发生的物理机理和特征，研讨了矩形波励磁型智能电磁流量计的硬件和软件抗搅扰技能，为完结智能电磁流量计的高精度、高牢靠性、高抗搅扰才干奠定了坚实的技能根底。
&要害字: 电磁流量计 搅扰 噪声 智能仪器
& & & 一 概
&电磁流量计的开展和使用与其抗搅扰技能的开展前进密切相关，特别是近几十年来选用三直低频矩形动摇励磁技能和双频矩形波励磁技能，以及微处理器硬件和软件技能明显地前进了电磁流量计抗搅扰才干和丈量精度，扩展了电磁流量计的使用领域，改动了大家长时刻以为电磁流量计丈量精度低，抗搅扰才干差的概念。
&电磁流量计是依据导电性流体在磁场中运动所发生的感应电势来推算流体流量的丈量外表，其根本作业原理是电磁感应规则。因而电磁耦合静电感应是电磁流量计搅扰噪声的首要来历；被测流体介质特性发生的电化学搅扰噪声是电磁流量计搅扰燥声的第二来历；电磁流量计供电电源的电压和频率动摇等电源搅扰噪声是电磁流量计搅扰噪声的第三来历。以上三类搅扰噪声的来历、机理、特性不一样。对电磁流量计的影响办法不一样，相应选用的抗搅扰办法也不一样。作者联系双频矩形波励磁智能电磁流量计的研讨作业，侧重就智能电磁流量计抗搅扰技能加以讨论，提出一些抗搅扰的对策，以供智能仪器研讨规划参阅。
&二 电磁流量计抗搅扰技能的开展前史
&电磁流量计的开展前史就是其抗搅扰技能的开展前史。早在1832年，英国物理学家法拉第设想地球磁场来丈量泰晤土河水的流速，并进行了现场试验，但未能取得成功。首要因素是在直流励磁磁场下存在流体介质的极化效应和热电效应而发生搅扰噪声淹没了流量信号电势。河槽短路了流速信号电势，加之当时的流量技能远远没有到达处理各种搅扰噪声的按捺和高阻抗信号丈量的水平，因而致使初次电磁流量计试验研讨的失败。固然，从电磁流量计研讨伊始就面临怎么战胜各种搅扰噪声的扎手难题，正因如此，在今后的电磁流量计研讨过程中，大家都将其抗搅扰技能列为首要的技能疑问。
&电磁流量计励磁技能的开展极大地推进其抗搅扰技能的前进。50年代末电磁流量计初次工业使用开始，电磁流量计抗搅扰技能的开展阅历了几个期间，每一次前进都是为了处理其抗搅扰才干的疑问，促进电磁流量计抗搅扰技能呈现一次飞跃，电磁流量计的性能指标前进。50年代末六十年代初，为了削弱直流励磁磁场下电极外表的严峻极化电势的影响，选用了工频正弦波励磁技能，但致使了电磁感应、静电耦合等工频搅扰，致使选用复杂的正交搅扰按捺电路等多种抗搅扰办法，难以彻底消除工频搅扰噪声的影响，致使电磁流量计零点难以安稳、丈量精度低、牢靠性差。70年代中期，跟着电子技能的开展和同步采样技能的问世，选用低频矩形波励磁技能，改动工频搅扰的形状特征，使用工频同步采样技能，取得电磁流量计较好的抗工频搅扰的才干，丈量精度前进、零点安稳、牢靠性增强。80年代初选用三值低频矩形波励磁技能和动态校零技能、同步励磁、同步采样技能以取得电磁流量计最好的零点安稳性，进一步前进抗工频搅扰和极化电势搅扰的才干。80年代末选用双频矩形波励磁技能，既能战胜流体介质发生的泥浆搅扰和流体活动噪声，又能具有低频矩形波励磁电磁流量计的零点稳压性，完结电磁流量计零点安稳性、抗搅扰才干和响应速度的最好统一。因而电磁流量计励磁技能的前进，一方面改动正交搅扰电势的形状和特征，另一方面下降泥浆搅扰和活动噪声的数量级，然后前进电磁流量计抗搅扰才干，所以电磁流量计励磁技能的改善是最有用的抗搅扰办法。
电磁流量计搅扰噪声的物理机理、特性及其对策
&为了对电磁流量计抗搅扰技能加以讨论，首要有必要对电磁流量计搅扰噪声发生的物理机理和特性加以分析研讨，然后依据各种搅扰噪声的特性选用相应的抗搅扰对策，以前进电磁流量计抗搅扰的才干。
1 工频搅扰噪声
&工频搅扰噪声是由电磁流量传感器励磁绕组和流体、电极、放大器输入回路的电磁耦合，别的电磁流量计作业现场的工频共模搅扰，其三供电电源引进的工频串模搅扰等，其发生的物理机理均是电磁感应原理。首要就电磁流量传感器励磁绕组和流体、电极、放大器输入回路的电磁耦合发生的工频搅扰对电磁流量计作业影响最大，并且在不一样的励磁技能下其体现的形状、特性不一样，因而采纳抗搅扰办法也不一样，如图1所示在各种励磁技能
&下此工频搅扰噪声的特性。在工频正弦波励磁磁场下，此种电磁耦合工频搅扰噪声体现形式为正交搅扰（见图1
b），又称为变压器电势，其特色是搅扰噪声幅值和工频正弦波励磁频率成正比
，相位滞后流量信号电势900，且幅值较流量信号电势大几个数量级。在低频矩形波励磁，三值低频矩形波励磁和双频矩形波励磁条件，此种电磁偶合工频搅扰噪声体现形式为微分搅扰（见图1c），其波形为脉冲波形，其间幅值和磁通改动率成正比，且按指数规则衰减，通常来说其幅值比正弦波励磁条件下的正交搅扰大得多，别的此微分搅扰仅在励磁磁通改动时发生，而在磁通恒定时，下一个磁通发生改动之前不会发生微分搅扰，具有时段性。
&关于工频正弦波励磁下的正交搅扰噪声，选用复杂的主动正交按捺体系减小正交搅扰噪声的影响，但因为正交搅扰噪声比流量信号电势大几个数量级正交按捺电子电路的任何不完善都将致使一部分正交搅扰变换成同相搅扰，使工频正弦波励磁电磁流量计零点漂移，流量丈量精度难以前进。
&选用低频矩形波励磁、三值低频矩形波励磁、双频矩形波励磁，正交搅扰噪声演变变成微分搅扰。因为微分搅扰具有时段时，使用同步采样技能在磁场恒定时，即微分搅扰衰减为零以后，选用宽脉冲同步采样（
工频周期的偶数倍），以防止串入流量信号电势中的工频搅扰的影响。其次选用操控励磁电流（励磁磁通）改动率的办法减小微分搅扰的幅值，但减小流量信号采样的时刻距离；也可以选用程控增益技能使微分搅扰时段增益为Odb，而恒磁通时段增益为100db，以减小微分搅扰的幅值的影响。
&关于工频共模搅扰和工频串模搅扰是常见的搅扰，首要是因为电磁屏蔽缺点、分布电容耦合、电磁流量计接地不良等因素发生，选用输入维护技能、高输入阻抗、高共模按捺比自举前置放大器技能以及重复接地技能，工频宽脉冲同步采样技能等前进抗工频搅扰的才干。
2 流体介质特性发生的电化学搅扰噪声
&电化学极化电势搅扰是因为电极感生电动势在南北极极性不一样而致使电解质在电极外表极化发生。尽管选用正负交变励磁磁场能显著削弱极化电势的数量级，但不能根本上彻底消除极化电势搅扰。其特性于流体介质的性质、电极资料性质、电极的外形尺度形状有关，具有改动缓慢，数量级不大等特色，如图2所示流体电化学电势搅扰及其处理办法。因而挑选合适的电极资料（如碳化钨），规划最好的电极形状的尺度是减小极化电势的有用办法之一；别的选用正负南北极性交变的矩形波励磁技能合作微处理器同步宽脉冲采样技能，到用微处理器运算功用前后两次采样值相减消除流量信号电势中的极化电势搅扰。
&泥浆搅扰是在丈量泥浆、纤维浆等液固两相导电性流体流量时，固体颗粒或许气泡擦过电极外表时，电极外表的触摸电化学电势俄然改动，电磁流量传感器输出信号呈现尖峰脉冲状搅扰噪声如图3所示。在励磁频率较低时，泥浆搅扰的数量级较大，高频时搅扰数量级较小，具有1/f的频谱特性。前进抗泥浆搅扰的才干有必要选用较高频率的矩形波励磁，以前进电磁流量传感器输出的信噪比，但会献身电磁流量计的零点安稳性。别的也可选用流量信号改动率约束办法以除掉脉冲搅扰对电磁流量计的影响，但会献身外表的响应速度。
&流体活动噪声是在丈量低导率液体（100vs/cm以下）流体流量时，电极的电化学电势定时动摇，发生随流量添加而频率添加的随机搅扰噪声，具有相似泥浆搅扰的1/f频谱特性，因而前进励磁频率有助于下降流体活动噪声的数量级，以前进电磁流量传感器丈量低导电率流体流量的信噪比。
3 供电电源性搅扰
&电磁流量计通常都选用工频交流电源供电，其电源电压的幅值和频率的改动都会给电磁流量计带来电源性搅扰噪声。对电源电压的幅值改动，因选用多级集成稳压，通常来说电源电压的幅值改动对电磁流量的丈量精度影响不大。当电源电压的频率动摇时，尽管其动摇规模有限，但对电磁流量计丈量精度影响较大。在智能矩形波励磁电磁流量计中选用宽脉冲采样技能，其脉冲宽度为工频周期的整数倍，具同步于工频周期，以彻底消除工频搅扰，但前提条件是工频噪声搅扰根本不变。当供电电源频率动摇时，流量信号采样时使前后的工频噪声不能彻底相同，尽管选用同步励磁技能、同步采样技能依然不能彻底消除工频搅扰噪声，有必要选用相应的频率抵偿技能，使励磁电流、采样脉冲，A/D
变换同步于频率的改动。
& & 四 智能电磁流量计硬件抗搅扰技能
归纳上述电磁流量计搅扰噪声发生的物理和特性分析，智能电磁流量计别离选用硬件和软件搅扰技能，以前进电磁流量计抗搅扰才干。
新式励磁技能是前进电磁流量计抗搅扰才干的主要手法
&电磁流量计励磁技能的开展，不只削弱电极极化电势、泥浆搅扰、活动噪声的影响，又能改动工频搅扰的形状，便于同步采样技能处理工频搅扰噪声，以防止工频搅扰的影响。如今电磁流量传感器选用工频频率同步三值低频矩形励磁和双频矩形波励磁，然后前进电磁流量计全部抗搅扰才干，前进电磁流量计的丈量精度和牢靠性。
2 前置放大器的规划是前进抗搅扰才干的首要环节
&电磁流量传感器输出流信号非常弱小，内阻抗较高，因而高输收支阻抗、低漂移、低噪声、高CRMM前置放大器才干满意抗同相共模搅扰的请求。前置放大器选用JFET高输入阻抗电压缓冲器，低漂移低噪声减法器，精细电阻精心匹配构成仪用放大器，并选用输入维护技能，共模电压自举技能和接地技能大大前进抗共模搅扰的才干，按捺零点漂移的影响。
3 同步采样的频度抵偿技能
&同步采样和工频电源频率监督抵偿技能，是前进抗流量信号电势中混入工频搅扰和工频电源频率动摇发生工频搅扰才干的有用办法。同步采样技能，其采样脉宽为工频周期的整数倍，使流量信号电势中工频搅扰平均值等于零，以消除工频搅扰的影响；工频电源的频率动摇抵偿是确保频率的动态动摇中，励磁电源和采样脉冲得以同步调整，真实完结同步采样技能和同步励磁技能，同步A/D变换，以下降工频搅扰的影响。
4 选用新式HCMOS系列芯片技能
&选用74HC系列芯片技能较选用74LS系列芯片其低噪声容限前进2.4倍，高燥声容限前进2.1倍，智能电磁流量计全部硬件选用74HC系列芯片，不只下降全部功耗，并且前进元器件本身抗搅扰才干，为电源流量计小型轻量一体化奠定了根底。
5 微处理器体系电源电压监督技能
&智能电磁流量计中微处理器体系当电源瞬态欠压，励磁开关脉冲动作都会形成微处理器误动作，数据丢失等景象，因而有必要选用牢靠的复位电路和电源电压监督技能。最简略有用的办法是选用低成本电源合作高灵敏度的电源电压监督器，前进微处理器体系和抗搅扰才干。如图4所示微处理器电压监督器，其选用TL7705CP电源电压监督器芯片，具有电源加电、电源瞬时欠压均能发生牢靠的复位信号。
& 五 智能电磁流量计软件抗搅扰技能
&智能电磁流量计固化在EPROM中的软件合作硬件除完结智能电磁流量计的正常功用外，有必要具有较强的抗搅扰才干和容错才干，构成完善的使用程序。
1 数字滤波技能
&数字滤波技能是智能仪器中最常选用的技能，可以完结模拟滤波器不能完结的功用，很简单处理脉冲搅扰除掉、数字电路毛刺搅扰消除、A/D变换器的抗工频才干以及输入微处理器数字的牢靠性疑问。
2 程控放大器技能
&程控放大器技能即处理电磁流量计量程主动变换疑问，一起使用增益操控办法有用削弱微分搅扰峰值使放大器过载的疑问，便于流量信号电势处理，前进抗微分搅扰的才干。
3 微处理器硬件毛病自确诊技能
&微处理器硬件毛病自确诊技能是选用软件容错规划，极大地前进硬件体系的牢靠性，然后前进全部智能电磁流量计的抗搅扰才干。详细包含CPU自确诊，定时器确诊，中止功用确诊，RAM确诊，A/D通道确诊和校对，D/A通道确诊，数字I/O口通道的确诊等部分，涉及到智能电磁流量计的要害部件。
4 微处理器抗搅扰技能
&上述各种抗搅扰办法是处理输入、输出通道中的各种搅扰疑问，当搅扰噪声没有作用到微处理器本身时，微处理器依然准确无误地履行各种抗搅扰软件，消除或许削弱搅扰噪声对电磁流量计输入输出通路的影响，当搅扰噪声通过三总线等作用到微处理器本身，CPU将不能按正常情况履行程序，致使智能电磁流量计全部作业紊乱，为了前进微处理器本身的抗搅扰才干选用硬件和软件相合作的多种抗搅扰办法。多种复位办法处理失控的CPU最简略的办法，掉电维护技能，软件指令冗余办法，软件圈套抗搅扰办法也是扫除智能电磁流量计微处理器失控的有用办法。
5 程序运转监督体系（WATCHDOG）
&智能电磁流量计选用程序运转监督体系以监督微处理器履行使用程序的情况，当程序正弹到一个暂时构成的死循环中时看门狗能及时发并逼迫体系复位，脱节死循环情况，图5所示是由硬件和软件合作构成的程序运转监督器。
& &六 结 束 语
&智能电磁流量计多种抗搅扰技能的选用，使电磁流量计抗搅扰才干增强，精度和牢靠性前进，不只完结了电磁流量计小型轻量一体化智能化，并且推进了电磁流量计的广泛使用，开辟了电磁流量计的潜在商场。
彭端。双频智能电磁流量计的研讨，武汉水利电力大学硕士研讨生论文，1990.6.
2 唐樊官，彭端。双智能电磁流量计的研讨，武汉水利电大学学报，1993，VoI.26,
No.2; P110～117.
3 彭端。电磁流量计励磁技能的曩昔。如今和将来，主动化外表。1993.No.5,p1～7
唐樊官，彭端。新一代智能电磁流量计的研讨。“STC-93”第三届全国灵敏元件与传感器学术会议论文集。1993.6，北京。
5 刘欣荣，流量计（第二版），北京；水利电力出版社。1989.1
6 J.A.ShercIiff. The Theory of Eiectromagnetic Fiow Measurement
.London.Cambridge University Press,.
7 上田达夫。电磁流量计 日文
8 石川荣。电磁流量计 日文
9 桥本敏。电磁流量计 日文
10 冈庭 电磁流量计 日文
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