硫酸管道流量计的励磁干扰分析与抗干扰方法

摘要：根据硫酸管道流量计的测量原理，结合硫酸管道流量计实际应用中遇到的正交干扰、微分干扰、工频干扰等问题，分析干扰产生的原因，提出采用同步采样技术、采样时间长度选择、数字滤波技术等方法，从根本上对这些干扰信号进行抑制和消除，使硫酸管道流量计更适应于现场应用。
1 低频交流矩形波励磁技术中干扰的分析
1.1 正交干扰与微分干扰
传感器就如同一个副边只有一匝的变压器，由被测介质、电极、引出线和转换器的输入电路所组成的闭合回路组成。当采用正弦交流励磁时，将产生一个交变的磁场，电极上产生的电势为E=BmDvsin（ωt）。同时，因为这个闭合回路实际上不能与磁力线完全平行，总会有一部分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叠加在电极上，即硫酸管道流量计变压器效应原理，其大小为：et=-dB/dt，对于正弦交流励磁，B=Bmsin（ωt），则有：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比较流速信号E与干扰信号et，频率相同，相位相差90°。因此，et为90°干扰，又称正交干扰。对于低频交流矩形波励磁，则表现在由于励磁电流突变而导致微分干扰信号的产生，干扰信号会随着电流的稳定而逐步消失。
根据以上分析，采用低频交流矩形波励磁，电极走线偏离将会产生微分干扰以及由其衍生的直流偏置。如图2所示。两个电极分别通过引线引到传感器上部与变送器相连，正面电极走线如图所示，有标准、偏1/3、偏2/3、完全偏离4种，背面电极是标准走线。采用恒流500mA，5Hz交流矩形波励磁，相应的电极信号如图3所示。可以看出，随着偏离的程度增加，微分干扰和直流偏置同趋势增加。

1.2 工频干扰
工频干扰是硫酸管道流量计常见的干扰源。当流量计处于电源形成电磁场中时，由于分布电容的存在，以电磁波的辐射形式干扰电极信号，或者是由供电电源引入的工频串扰，工作现场的工频共模干扰，其产生的物理机理均是电磁感应原理。幅度与流量信号相比，往往要大几个数量级，频率与供电电源频率相同。如图4所示，线圈驱动频率为5Hz的电极信号，被耦合了50Hz的工频干扰，幅度大概相当于1feet/s。
1.3 泥浆干扰和流动噪声
泥浆干扰是在测量泥浆、纤维浆等固液两相导电性流体时，固体颗粒或者气泡擦过电极表面时，电极表面的接触电化学电势突然变化，电磁流量传感器输出信号出现尖峰脉冲状干扰噪声。流体流动噪声是在测量低导率流体时，电极的电化学电势定期波动，产生随流量增加而频率增加的随机干扰噪声，具有类似泥浆干扰的1/f频谱特性，因此提高励磁频率有助于降低流体流动噪声的数量级，以提高电磁流量传感器测最低导电率流体流量的信噪比。
2 抗干扰方法
2.1 同步采样技术
对于低频方波励磁我们可以采用同步采样技术进行。根据线圈驱动给出的同步信号，对电极信号在指定时间开始取样，取指定的时间长度。例如只取电极信号最后的20％纳入流量计算，这样就有效避免了微分干扰和建立稳定磁场需要一定时间的问题。
2.2 采样时间长度
采样时间长度要取工频周期的整数倍，这样即使混有工频干扰信号，因其采样时间长度为完整的工频周期，其平均值也为零，干扰不起作用。
2.3 零点偏移与直流偏置
零点偏移是指在流体流速为零时，电极两端依然有电势差。理论上此时应该没有电势差，但由于电子部件的不对称、传感器制造不对称等原因，造成此电势差，这个值可以放在标定过程中去除。直流偏置是指电极信号整体向上或向下偏移，不以0电平对称，这是由于制造过程中线圈不对称、电极走线不标准、共模干扰、电化学效应等因素造成。直流偏置在采用了低频交流矩形波励磁后，不影响流量计的测量。

2.4 数字滤波技术
限幅滤波法，根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值。每次采样测到的新值与前一次值作比较，如果差值小于允许的最大偏差值则有效，否则无效，用前一次值代替。这样就可以有效过滤现场干扰、毛刺、过程流体颗粒撞击电极引起的过程噪声等干扰。算术平均滤波法，连续取N个采样值进行算术平均运算，N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高。
举例，如图5所示，线圈采用5Hz驱动时的0feet/s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的电极信号，利用上述方法对信号进行处理并计算流速。取每半波最后的20％纳入流速计算，正半波与负半波相减即是流速。如3.1feet/s–（-2.8feet/s）=5.9feet/s，虽然有＋0.15 feet/s的直流偏置，但也不影响流速的计算。因线圈是5Hz驱动，半波的20％是20ms，正好是1个完整的工频周期，这样就不受工频干扰的影响。正半波与负半波相减，这样就避免了直流偏置和共模干扰的影响。再加上在数字滤波过程中使用限幅滤波和算数平均，保证了流量信号的有效提取。

4 接地
由于在电极上产生的流量信号是μV级，流量计安装地点附近经常有其他电器设备，环境复杂，容易受到附近其他设备的影响，变送器必须可靠接地；流量计经常被安装在室外，风吹日晒，温湿度变化比较大，夏天容易受到雷电的冲击，环境恶劣，接地可以减少损坏的风险；为了保证测量的精度和稳定性，对于非金属管道，传感器的两端必须采用接地环可靠接地，使进入传感器的流体保证零电位。必须强调，流量计一定要单独接地，因为若与其他仪表或电气装置共同接地，接地线中的漏电流可能对测量信号将产生串模干扰，严重时流量计将无法工作。另外，接地点应远离大型用电器，避免地电流串入流量计，造成干扰。
5 结束语
通过以上对干扰的分析，针对不同类型的干扰，分别采取不同的措施，有效提高信噪比，强调接地的作用，提高了硫酸管道流量计的抗干扰能力和稳定性，使其更加适应于工业应用现场。

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