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智能电磁流量计抗干扰技术的研究 |
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作者：广东机械学院 彭端 彭珞丽 |
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一、概述
电磁流量计的发展和应用与其抗干扰技术的发展进步密切相关，特别是近几十年来采用三直低频矩形波动励磁技术和双频矩形波励磁技术，以及微处理器硬件和软件技术明显地提高了电磁流量计抗干扰能力和测量精度，扩大了电磁流量计的应用领域，改变了人们长期认为电磁流量计测量精度低，抗干扰能力差的概念。
电磁流量计是基于导电性流体在磁场中运动所产生的感应电势来推算流体流量的测量仪表，其基本工作原理是电磁感应定律。因此电磁耦合静电感应是电磁流量计干扰噪声的首要来源；被测流体介质特性产生的电化学干扰噪声是电磁流量计干扰燥声的第二来源；电磁流量计供电电源的电压和频率波动等电源干扰噪声是电磁流量计干扰噪声的第三来源。以上三类干扰噪声的来源、机理、特性不同。对电磁流量计的影响方式不同，相应采用的抗干扰措施也不同。作者结合双频矩形波励磁智能电磁流量计的研究工作，着重就智能电磁流量计抗干扰技术加以探讨，提出一些抗干扰的对策，以供智能仪器研究设计参考。
二、电磁流量计抗干扰技术的发展历史
电磁流量计的发展历史就是其抗干扰技术的发展历史。早在1832年，英国物理学家法拉第构想地球磁场来测量泰晤土河水的流速，并进行了现场实验，但未能获得成功。主要原因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产生干扰噪声淹没了流量信号电势。河床短路了流速信号电势，加之当时的流量技术远远没有达到解决各种干扰噪声的抑制和高阻抗信号测量的水平，因此导致首次电磁流量计实验研究的失败。诚然，从电磁流量计研究伊始就面临如何克服各种干扰噪声的棘手难题，正因如此，在以后的电磁流量计研究过程中，人们都将其抗干扰技术列为首要的技术问题。
电磁流量计励磁技术的发展极大地推动其抗干扰技术的进步。50年代末电磁流量计首次工业应用开始，电磁流量计抗干扰技术的发展经历了几个阶段，每一次进步都是为了解决其抗干扰能力的问题，促使电磁流量计抗干扰技术出现一次飞跃，电磁流量计的性能指标提高。50年代末六十年代初，为了减弱直流励磁磁场下电极表面的严重极化电势的影响，采用了工频正弦波励磁技术，但导致了电磁感应、静电耦合等工频干扰，致使采用复杂的正交干扰抑制电路等多种抗干扰措施，难以完全消除工频干扰噪声的影响，导致电磁流量计零点难以稳定、测量精度低、可靠性差。70年代中期，随着电子技术的发展和同步采样技术的问世，采用低频矩形波励磁技术，改变工频干扰的形态特征，利用工频同步采样技术，获得电磁流量计较好的抗工频干扰的能力，测量精度提高、零点稳定、可靠性增强。80年代初采用三值低频矩形波励磁技术和动态校零技术、同步励磁、同步采样技术以获得电磁流量计最佳的零点稳定性，进一步提高抗工频干扰和极化电势干扰的能力。80年代末采用双频矩形波励磁技术，既能克服流体介质产生的泥浆干扰和流体流动噪声，又能具有低频矩形波励磁电磁流量计的零点稳压性，实现电磁流量计零点稳定性、抗干扰能力和响应速度的最佳统一。因此电磁流量计励磁技术的进步，一方面改变正交干扰电势的形态和特征，另一方面降低泥浆干扰和流动噪声的数量级，从而提高电磁流量计抗干扰能力，所以电磁流量计励磁技术的改进是最有效的抗干扰措施。
三、电磁流量计干扰噪声的物理机理、特性及其对策
为了对电磁流量计抗干扰技术加以探讨，首先必须对电磁流量计干扰噪声产生的物理机理和特性加以分析研究，从而根据各种干扰噪声的特性采用相应的抗干扰对策，以提高电磁流量计抗干扰的能力。
1 工频干扰噪声
工频干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，另外电磁流量计工作现场的工频共模干扰，其三供电电源引入的工频串模干扰等，其产生的物理机理均是电磁感应原理。首先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产生的工频干扰对电磁流量计工作影响最大，而且在不同的励磁技术下其表现的形态、特性不同，因而采取抗干扰措施也不同，如图1所示在各种励磁技术。
图1 各种励磁技术下电磁耦合工频干扰的特性
下此工频干扰噪声的特性。在工频正弦波励磁磁场下，此种电磁耦合工频干扰噪声表现形式为正交干扰（见图1 b），又称为变压器电势，其特点是干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，此种电磁偶合工频干扰噪声表现形式为微分干扰（见图1c），其波形为脉冲波形，其中幅值和磁通变化率成正比，且按指数规律衰减，一般而言其幅值比正弦波励磁条件下的正交干扰大得多，另外此微分干扰仅在励磁磁通变化时产生，而在磁通恒定时，下一个磁通发生变化之前不会产生微分干扰，具有时段性。
针对工频正弦波励磁下的正交干扰噪声，采用复杂的自动正交抑制系统减小正交干扰噪声的影响，但由于正交干扰噪声比流量信号电势大几个数量级正交抑制电子电路的任何不完善都将导致一部分正交干扰转换成同相干扰，使工频正弦波励磁电磁流量计零点漂移，流量测量精度难以提高。
采用低频矩形波励磁、三值低频矩形波励磁、双频矩形波励磁，正交干扰噪声演变成为微分干扰。由于微分干扰具有时段时，利用同步采样技术在磁场恒定期，即微分干扰衰减为零之后，采用宽脉冲同步采样（ 工频周期的偶数倍），以避免串入流量信号电势中的工频干扰的影响。其次采用控制励磁电流（励磁磁通）变化率的方法减小微分干扰的幅值，但减小流量信号采样的时间间隔；也可以采用程控增益技术使微分干扰时段增益为Odb，而恒磁通时段增益为100db，以减小微分干扰的幅值的影响。
对于工频共模干扰和工频串模干扰是常见的干扰，主要是由于电磁屏蔽缺陷、分布电容耦合、电磁流量计接地不良等原因产生，采用输入保护技术、高输入阻抗、高共模抑制比自举前置放大器技术以及重复接地技术，工频宽脉冲同步采样技术等提高抗工频干扰的能力。
2 流体介质特性产生的电化学干扰噪声
电化学极化电势干扰是由于电极感生电动势在两极极性不同而导致电解质在电极表面极化产生。虽然采用正负交变励磁磁场能显著减弱极化电势的数量级，但不能根本上完全消除极化电势干扰。其特性于流体介质的性质、电极材料性质、电极的外形尺寸形状有关，具有变化缓慢，数量级不大等特点，如图2所示流体电化学电势干扰及其解决方法。因此选择合适的电极材料（如碳化钨），设计最佳的电极形状的尺寸是减小极化电势的有效方法之一；另外采用正负两极性交变的矩形波励磁技术配合微处理器同步宽脉冲采样技术，到用微处理器运算功能前后两次采样值相减消除流量信号电势中的极化电势干扰。
图2 流体电化学级化电势干扰及其处理方法
泥浆干扰是在测量泥浆、纤维浆等液固两相导电性流体流量时，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如图3所示。在励磁频率较低时，泥浆干扰的数量级较大，高频时干扰数量级较小，具有1/f的频谱特性。提高抗泥浆干扰的能力必须采用较高频率的矩形波励磁，以提高电磁流量传感器输出的信噪比，但会牺牲电磁流量计的零点稳定性。另外也可采用流量信号变化率限制方法以剔除脉冲干扰对电磁流量计的影响，但会牺牲仪表的响应速度。
流体流动噪声是在测量低导率液体（100vs/cm以下）流体流量时，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量低导电率流体流量的信噪比。
图3 泥浆干扰电势波形和频谱特性
3 供电电源性干扰
电磁流量计一般都采用工频交流电源供电，其电源电压的幅值和频率的变化都会给电磁流量计带来电源性干扰噪声。对电源电压的幅值变化，因采用多级集成稳压，一般而言电源电压的幅值变化对电磁流量的测量精度影响不大。当电源电压的频率波动时，虽然其波动范围有限，但对电磁流量计测量精度影响较大。在智能矩形波励磁电磁流量计中采用宽脉冲采样技术，其脉冲宽度为工频周期的整数倍，具同步于工频周期，以完全消除工频干扰，但前提条件是工频噪声干扰基本不变。当供电电源频率波动时，流量信号采样时使前后的工频噪声不能完全相同，虽然采用同步励磁技术、同步采样技术仍然不能完全消除工频干扰噪声，必须采用相应的频率补偿技术，使励磁电流、采样脉冲，A/D 转换同步于频率的变化。
四、智能电磁流量计硬件抗干扰技术
综合上述电磁流量计干扰噪声产生的物理和特性分析，智能电磁流量计分别采用硬件和软件干扰技术，以提高电磁流量计抗干扰能力。
1 新型励磁技术是提高电磁流量计抗干扰能力的重要手段
电磁流量计励磁技术的发展，不仅减弱电极极化电势、泥浆干扰、流动噪声的影响，又能改变工频干扰的形态，便于同步采样技术处理工频干扰噪声，以避免工频干扰的影响。目前电磁流量传感器采用工频频率同步三值低频矩形励磁和双频矩形波励磁，从而提高电磁流量计整个抗干扰能力，提高电磁流量计的测量精度和可靠性。
2 前置放大器的设计是提高抗干扰能力的首要环节
电磁流量传感器输出流信号十分微弱，内阻抗较高，因此高输出入阻抗、低漂移、低噪声、高CRMM前置放大器才能满足抗同相共模干扰的要求。前置放大器采用JFET高输入阻抗电压缓冲器，低漂移低噪声减法器，精密电阻精心匹配组成仪用放大器，并采用输入保护技术，共模电压自举技术和接地技术大大提高抗共模干扰的能力，抑制零点漂移的影响。
3 同步采样的频度补偿技术
同步采样和工频电源频率监视补偿技术，是提高抗流量信号电势中混入工频干扰和工频电源频率波动产生工频干扰能力的有效方法。同步采样技术，其采样脉宽为工频周期的整数倍，使流量信号电势中工频干扰平均值等于零，以消除工频干扰的影响；工频电源的频率波动补偿是保证频率的动态波动中，励磁电源和采样脉冲得以同步调整，真正实现同步采样技术和同步励磁技术，同步A/D转换，以降低工频干扰的影响。
4 采用新型HCMOS系列芯片技术
采用74HC系列芯片技术较采用74LS系列芯片其低噪声容限提高2.4倍，高燥声容限提高2.1倍，智能电磁流量计整个硬件采用74HC系列芯片，不仅降低整个功耗，而且提高元器件本身抗干扰能力，为电源流量计小型轻量一体化奠定了基础。
5 微处理器系统电源电压监视技术
智能电磁流量计中微处理器系统当电源瞬态欠压，励磁开关脉冲动作都会造成微处理器误动作，数据丢失等现象，因此必须采用可靠的复位电路和电源电压监视技术。最简单实用的方法是采用低成本电源配合高灵敏度的电源电压监视器，提高微处理器系统和抗干扰能力。如图4所示微处理器电压监视器，其采用TL7705CP电源电压监视器芯片，具有电源加电、电源瞬时欠压均能产生可靠的复位信号。
五、智能电磁流量计软件抗干扰技术
智能电磁流量计固化在EPROM中的软件配合硬件除完成智能电磁流量计的正常功能外，必须具备较强的抗干扰能力和容错能力，组成完善的应用程序。
1 数字滤波技术
数字滤波技术是智能仪器中最常采用的技术，能够完成模拟滤波器不能完成的功能，很容易解决脉冲干扰剔除、数字电路毛刺干扰消除、A/D转换器的抗工频能力以及输入微处理器数字的可靠性问题。
2 程控放大器技术
程控放大器技术即解决电磁流量计量程自动转换问题，同时利用增益控制方法有效削弱微分干扰峰值使放大器过载的问题，便于流量信号电势处理，提高抗微分干扰的能力。
3 微处理器硬件故障自诊断技术
微处理器硬件故障自诊断技术是采用软件容错设计，极大地提高硬件系统的可靠性，从而提高整个智能电磁流量计的抗干扰能力。具体包括CPU自诊断，定时器诊断，中断功能诊断，RAM诊断，A/D通道诊断和校正，D/A通道诊断，数字I/O口通道的诊断等部分，涉及到智能电磁流量计的关键部件。
4 微处理器抗干扰技术
上述各种抗干扰措施是解决输入、输出通道中的各种干扰问题，当干扰噪声没有作用到微处理器本身时，微处理器仍然正确无误地执行各种抗干扰软件，消除或者削弱干扰噪声对电磁流量计输入输出通路的影响，当干扰噪声通过三总线等作用到微处理器本身，CPU将不能按正常状态执行程序，导致智能电磁流量计整个工作混乱，为了提高微处理器自身的抗干扰能力采用硬件和软件相配合的多种抗干扰措施。多种复位方式解决失控的CPU最简单的方法，掉电保护技术，软件指令冗余措施，软件陷阱抗干扰方法也是排除智能电磁流量计微处理器失控的有效方法。
5 程序运行监视系统（WATCHDOG）
智能电磁流量计采用程序运行监视系统以监视微处理器执行应用程序的状况，当程序正弹到一个临时构成的死循环中时看门狗能及时发并强迫系统复位，摆脱死循环状态，图5所示是由硬件和软件配合构成的程序运行监视器。
图4 微处理器系统电源电压监视器
图5 程序运行监视器
六、结束语
智能电磁流量计多种抗干扰技术的采用，使电磁流量计抗干扰能力增强，精度和可靠性提高，不仅实现了电磁流量计小型轻量一体化智能化，而且推动了电磁流量计的广泛应用，开拓了电磁流量计的潜在市场。
参考文献
[1] 彭端。双频智能电磁流量计的研究，武汉水利电力大学硕士研究生论文，1990.6.
[2] 唐樊官，彭端。双智能电磁流量计的研究，武汉水利电大学学报，1993，VoI.26，No.2; P110～117.
[3] 彭端。电磁流量计励磁技术的过去。现在和未来，自动化仪表。1993.No.5,p1～7
[4] 唐樊官，彭端。新一代智能电磁流量计的研究。“STC-93”第三届全国敏感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,1962,p10～30.
[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(end)
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(11/25/2005) |
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