高壓渦輪流量計的勵磁干擾分析與抗干擾方法
點(diǎn)擊次數：1435 發(fā)布時(shí)間：2021-01-13 17:42:35
摘要：根據高壓渦輪流量計的測量原理，結合高壓渦輪流量計實(shí)際應用中遇到的正交干擾、微分干擾、工頻干擾等問(wèn)題，分析干擾產(chǎn)生的原因，提出采用同步采樣技術(shù)、采樣時(shí)間長(cháng)度選擇、數字濾波技術(shù)等方法，從根本上對這些干擾信號進(jìn)行抑制和消除，使高壓渦輪流量計更適應于現場(chǎng)應用。
1 低頻交流矩形波勵磁技術(shù)中干擾的分析
1.1 正交干擾與微分干擾
傳感器就如同一個(gè)副邊只有一匝的變壓器，由被測介質(zhì)、電極、引出線(xiàn)和轉換器的輸入電路所組成的閉合回路組成。當采用正弦交流勵磁時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，電極上產(chǎn)生的電勢為E=BmDvsin（ωt）。同時(shí)，因為這個(gè)閉合回路實(shí)際上不能與磁力線(xiàn)完全平行，總會(huì )有一部分磁力線(xiàn)穿過(guò)該閉合回路，從而在回路內產(chǎn)生一個(gè)干擾電動(dòng)勢疊加在電極上，即高壓渦輪流量計變壓器效應原理，其大小為：et=-dB/dt，對于正弦交流勵磁，B=Bmsin（ωt），則有：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比較流速信號E與干擾信號et，頻率相同，相位相差90°。因此，et為90°干擾，又稱(chēng)正交干擾。對于低頻交流矩形波勵磁，則表現在由于勵磁電流突變而導致微分干擾信號的產(chǎn)生，干擾信號會(huì )隨著(zhù)電流的穩定而逐步消失。
根據以上分析，采用低頻交流矩形波勵磁，電極走線(xiàn)偏離將會(huì )產(chǎn)生微分干擾以及由其衍生的直流偏置。如圖2所示。兩個(gè)電極分別通過(guò)引線(xiàn)引到傳感器上部與變送器相連，正面電極走線(xiàn)如圖所示，有標準、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背面電極是標準走線(xiàn)。采用恒流500mA，5Hz交流矩形波勵磁，相應的電極信號如圖3所示?？梢钥闯?，隨著(zhù)偏離的程度增加，微分干擾和直流偏置同趨勢增加。
1.2 工頻干擾
工頻干擾是高壓渦輪流量計常見(jiàn)的干擾源。當流量計處于電源形成電磁場(chǎng)中時(shí)，由于分布電容的存在，以電磁波的輻射形式干擾電極信號，或者是由供電電源引入的工頻串擾，工作現場(chǎng)的工頻共模干擾，其產(chǎn)生的物理機理均是電磁感應原理。幅度與流量信號相比，往往要大幾個(gè)數量級，頻率與供電電源頻率相同。如圖4所示，線(xiàn)圈驅動(dòng)頻率為5Hz的電極信號，被耦合了50Hz的工頻干擾，幅度大概相當于1feet/s。
1.3 泥漿干擾和流動(dòng)噪聲
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相導電性流體時(shí)，固體顆?；蛘邭馀莶吝^(guò)電極表面時(shí)，電極表面的接觸電化學(xué)電勢突然變化，電磁流量傳感器輸出信號出現尖峰脈沖狀干擾噪聲。流體流動(dòng)噪聲是在測量低導率流體時(shí)，電極的電化學(xué)電勢定期波動(dòng)，產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲，具有類(lèi)似泥漿干擾的1/f頻譜特性，因此提高勵磁頻率有助于降低流體流動(dòng)噪聲的數量級，以提高電磁流量傳感器測最低導電率流體流量的信噪比。
2 抗干擾方法
2.1 同步采樣技術(shù)
對于低頻方波勵磁我們可以采用同步采樣技術(shù)進(jìn)行。根據線(xiàn)圈驅動(dòng)給出的同步信號，對電極信號在指定時(shí)間開(kāi)始取樣，取指定的時(shí)間長(cháng)度。例如只取電極信號最后的20％納入流量計算，這樣就有效避免了微分干擾和建立穩定磁場(chǎng)需要一定時(shí)間的問(wèn)題。
2.2 采樣時(shí)間長(cháng)度
采樣時(shí)間長(cháng)度要取工頻周期的整數倍，這樣即使混有工頻干擾信號，因其采樣時(shí)間長(cháng)度為完整的工頻周期，其平均值也為零，干擾不起作用。
2.3 零點(diǎn)偏移與直流偏置
零點(diǎn)偏移是指在流體流速為零時(shí)，電極兩端依然有電勢差。理論上此時(shí)應該沒(méi)有電勢差，但由于電子部件的不對稱(chēng)、傳感器制造不對稱(chēng)等原因，造成此電勢差，這個(gè)值可以放在標定過(guò)程中去除。直流偏置是指電極信號整體向上或向下偏移，不以0電平對稱(chēng)，這是由于制造過(guò)程中線(xiàn)圈不對稱(chēng)、電極走線(xiàn)不標準、共模干擾、電化學(xué)效應等因素造成。直流偏置在采用了低頻交流矩形波勵磁后，不影響流量計的測量。
2.4 數字濾波技術(shù)
限幅濾波法，根據經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值。每次采樣測到的新值與前一次值作比較，如果差值小于允許的最大偏差值則有效，否則無(wú)效，用前一次值代替。這樣就可以有效過(guò)濾現場(chǎng)干擾、毛刺、過(guò)程流體顆粒撞擊電極引起的過(guò)程噪聲等干擾。算術(shù)平均濾波法，連續取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運算，N值較大時(shí)，信號平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)，信號平滑度較低，但靈敏度較高。
舉例，如圖5所示，線(xiàn)圈采用5Hz驅動(dòng)時(shí)的0feet/s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的電極信號，利用上述方法對信號進(jìn)行處理并計算流速。取每半波最后的20％納入流速計算，正半波與負半波相減即是流速。如3.1feet/s–（-2.8feet/s）=5.9feet/s，雖然有＋0.15 feet/s的直流偏置，但也不影響流速的計算。因線(xiàn)圈是5Hz驅動(dòng)，半波的20％是20ms，正好是1個(gè)完整的工頻周期，這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負半波相減，這樣就避免了直流偏置和共模干擾的影響。再加上在數字濾波過(guò)程中使用限幅濾波和算數平均，保證了流量信號的有效提取。
4 接地
由于在電極上產(chǎn)生的流量信號是μV級，流量計安裝地點(diǎn)附近經(jīng)常有其他電器設備，環(huán)境復雜，容易受到附近其他設備的影響，變送器必須可靠接地；流量計經(jīng)常被安裝在室外，風(fēng)吹日曬，溫濕度變化比較大，夏天容易受到雷電的沖擊，環(huán)境惡劣，接地可以減少損壞的風(fēng)險；為了保證測量的精度和穩定性，對于非金屬管道，傳感器的兩端必須采用接地環(huán)可靠接地，使進(jìn)入傳感器的流體保證零電位。必須強調，流量計一定要單獨接地，因為若與其他儀表或電氣裝置共同接地，接地線(xiàn)中的漏電流可能對測量信號將產(chǎn)生串模干擾，嚴重時(shí)流量計將無(wú)法工作。另外，接地點(diǎn)應遠離大型用電器，避免地電流串入流量計，造成干擾。
5 結束語(yǔ)
通過(guò)以上對干擾的分析，針對不同類(lèi)型的干擾，分別采取不同的措施，有效提高信噪比，強調接地的作用，提高了高壓渦輪流量計的抗干擾能力和穩定性，使其更加適應于工業(yè)應用現場(chǎng)。
1 低頻交流矩形波勵磁技術(shù)中干擾的分析
1.1 正交干擾與微分干擾
傳感器就如同一個(gè)副邊只有一匝的變壓器，由被測介質(zhì)、電極、引出線(xiàn)和轉換器的輸入電路所組成的閉合回路組成。當采用正弦交流勵磁時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，電極上產(chǎn)生的電勢為E=BmDvsin（ωt）。同時(shí)，因為這個(gè)閉合回路實(shí)際上不能與磁力線(xiàn)完全平行，總會(huì )有一部分磁力線(xiàn)穿過(guò)該閉合回路，從而在回路內產(chǎn)生一個(gè)干擾電動(dòng)勢疊加在電極上，即高壓渦輪流量計變壓器效應原理，其大小為：et=-dB/dt，對于正弦交流勵磁，B=Bmsin（ωt），則有：et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）
比較流速信號E與干擾信號et，頻率相同，相位相差90°。因此，et為90°干擾，又稱(chēng)正交干擾。對于低頻交流矩形波勵磁，則表現在由于勵磁電流突變而導致微分干擾信號的產(chǎn)生，干擾信號會(huì )隨著(zhù)電流的穩定而逐步消失。
根據以上分析，采用低頻交流矩形波勵磁，電極走線(xiàn)偏離將會(huì )產(chǎn)生微分干擾以及由其衍生的直流偏置。如圖2所示。兩個(gè)電極分別通過(guò)引線(xiàn)引到傳感器上部與變送器相連，正面電極走線(xiàn)如圖所示，有標準、偏1/3、偏2/3、完全偏離4種，背面電極是標準走線(xiàn)。采用恒流500mA，5Hz交流矩形波勵磁，相應的電極信號如圖3所示?？梢钥闯?，隨著(zhù)偏離的程度增加，微分干擾和直流偏置同趨勢增加。
1.2 工頻干擾
工頻干擾是高壓渦輪流量計常見(jiàn)的干擾源。當流量計處于電源形成電磁場(chǎng)中時(shí)，由于分布電容的存在，以電磁波的輻射形式干擾電極信號，或者是由供電電源引入的工頻串擾，工作現場(chǎng)的工頻共模干擾，其產(chǎn)生的物理機理均是電磁感應原理。幅度與流量信號相比，往往要大幾個(gè)數量級，頻率與供電電源頻率相同。如圖4所示，線(xiàn)圈驅動(dòng)頻率為5Hz的電極信號，被耦合了50Hz的工頻干擾，幅度大概相當于1feet/s。
1.3 泥漿干擾和流動(dòng)噪聲
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相導電性流體時(shí)，固體顆?；蛘邭馀莶吝^(guò)電極表面時(shí)，電極表面的接觸電化學(xué)電勢突然變化，電磁流量傳感器輸出信號出現尖峰脈沖狀干擾噪聲。流體流動(dòng)噪聲是在測量低導率流體時(shí)，電極的電化學(xué)電勢定期波動(dòng)，產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲，具有類(lèi)似泥漿干擾的1/f頻譜特性，因此提高勵磁頻率有助于降低流體流動(dòng)噪聲的數量級，以提高電磁流量傳感器測最低導電率流體流量的信噪比。
2 抗干擾方法
2.1 同步采樣技術(shù)
對于低頻方波勵磁我們可以采用同步采樣技術(shù)進(jìn)行。根據線(xiàn)圈驅動(dòng)給出的同步信號，對電極信號在指定時(shí)間開(kāi)始取樣，取指定的時(shí)間長(cháng)度。例如只取電極信號最后的20％納入流量計算，這樣就有效避免了微分干擾和建立穩定磁場(chǎng)需要一定時(shí)間的問(wèn)題。
2.2 采樣時(shí)間長(cháng)度
采樣時(shí)間長(cháng)度要取工頻周期的整數倍，這樣即使混有工頻干擾信號，因其采樣時(shí)間長(cháng)度為完整的工頻周期，其平均值也為零，干擾不起作用。
2.3 零點(diǎn)偏移與直流偏置
零點(diǎn)偏移是指在流體流速為零時(shí)，電極兩端依然有電勢差。理論上此時(shí)應該沒(méi)有電勢差，但由于電子部件的不對稱(chēng)、傳感器制造不對稱(chēng)等原因，造成此電勢差，這個(gè)值可以放在標定過(guò)程中去除。直流偏置是指電極信號整體向上或向下偏移，不以0電平對稱(chēng)，這是由于制造過(guò)程中線(xiàn)圈不對稱(chēng)、電極走線(xiàn)不標準、共模干擾、電化學(xué)效應等因素造成。直流偏置在采用了低頻交流矩形波勵磁后，不影響流量計的測量。
2.4 數字濾波技術(shù)
限幅濾波法，根據經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值。每次采樣測到的新值與前一次值作比較，如果差值小于允許的最大偏差值則有效，否則無(wú)效，用前一次值代替。這樣就可以有效過(guò)濾現場(chǎng)干擾、毛刺、過(guò)程流體顆粒撞擊電極引起的過(guò)程噪聲等干擾。算術(shù)平均濾波法，連續取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運算，N值較大時(shí)，信號平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)，信號平滑度較低，但靈敏度較高。
舉例，如圖5所示，線(xiàn)圈采用5Hz驅動(dòng)時(shí)的0feet/s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的電極信號，利用上述方法對信號進(jìn)行處理并計算流速。取每半波最后的20％納入流速計算，正半波與負半波相減即是流速。如3.1feet/s–（-2.8feet/s）=5.9feet/s，雖然有＋0.15 feet/s的直流偏置，但也不影響流速的計算。因線(xiàn)圈是5Hz驅動(dòng)，半波的20％是20ms，正好是1個(gè)完整的工頻周期，這樣就不受工頻干擾的影響。正半波與負半波相減，這樣就避免了直流偏置和共模干擾的影響。再加上在數字濾波過(guò)程中使用限幅濾波和算數平均，保證了流量信號的有效提取。
4 接地
由于在電極上產(chǎn)生的流量信號是μV級，流量計安裝地點(diǎn)附近經(jīng)常有其他電器設備，環(huán)境復雜，容易受到附近其他設備的影響，變送器必須可靠接地；流量計經(jīng)常被安裝在室外，風(fēng)吹日曬，溫濕度變化比較大，夏天容易受到雷電的沖擊，環(huán)境惡劣，接地可以減少損壞的風(fēng)險；為了保證測量的精度和穩定性，對于非金屬管道，傳感器的兩端必須采用接地環(huán)可靠接地，使進(jìn)入傳感器的流體保證零電位。必須強調，流量計一定要單獨接地，因為若與其他儀表或電氣裝置共同接地，接地線(xiàn)中的漏電流可能對測量信號將產(chǎn)生串模干擾，嚴重時(shí)流量計將無(wú)法工作。另外，接地點(diǎn)應遠離大型用電器，避免地電流串入流量計，造成干擾。
5 結束語(yǔ)
通過(guò)以上對干擾的分析，針對不同類(lèi)型的干擾，分別采取不同的措施，有效提高信噪比，強調接地的作用，提高了高壓渦輪流量計的抗干擾能力和穩定性，使其更加適應于工業(yè)應用現場(chǎng)。