給水廠原水電磁流量計(jì)面世至今，其技術(shù)已經(jīng)成熟，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的許多地方都有著廣泛的應(yīng)用，由于給水廠原水電磁流量計(jì)的測量過程不受被測介質(zhì)溫度、黏度、密度等因素影響, 具有測量速度快、精度高、測量口徑寬、輸出線性度好, 與被測介質(zhì)不接觸, 耐腐蝕、抗磨損, 流體壓力損失小等優(yōu)點(diǎn), 因而廣泛應(yīng)用于造紙廠紙漿、助劑、水等流體的測量。不過, 給水廠原水電磁流量計(jì)也有其不足, 傳感器的輸出感應(yīng)電動勢很小, 容易受到外界電磁干擾, 而現(xiàn)場情況又都是千差萬別，無法做到每個(gè)測量環(huán)境都能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，因此如何提高給水廠原水電磁流量計(jì)的電磁兼容性, 使其能在惡劣的電磁環(huán)境正常使用是給水廠原水電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)必須考慮的問題。文中以橫河公司的ADMAGAE系列給水廠原水電磁流量計(jì)為例, 結(jié)合筆者的工程實(shí)踐, 介紹有關(guān)給水廠原水電磁流量計(jì)的使用并分析其電磁兼容性(EMC)。介紹利用面板及智能終端進(jìn)行給水廠原水電磁流量計(jì)參數(shù)設(shè)置和組態(tài)的方法, 以及提高給水廠原水電磁流量計(jì)的電磁兼容性技術(shù)。給水廠原水電磁流量計(jì)的干擾源主要包括工頻電磁干擾、流體電化學(xué)干擾噪聲和電源干擾噪聲。目前給水廠原水電磁流量計(jì)主要采用低頻或雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)、同步采樣技術(shù)、輸入保護(hù)、接地技術(shù)等來降低干擾。實(shí)際應(yīng)用表明, 這些技術(shù)有較好的抗干擾效果。
1、給水廠原水電磁流量計(jì)的工作原理
給水廠原水電磁流量計(jì)的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 即當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體在電磁場中運(yùn)動, 并且運(yùn)動方向垂直于電磁場時(shí)就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢, 所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向垂直于導(dǎo)體運(yùn)動和電磁場運(yùn)動的方向, 感應(yīng)電動勢的大小與導(dǎo)體的運(yùn)動速度和磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。當(dāng)導(dǎo)電流體以平均流速V(m/s)通過一根內(nèi)徑為D(m)的管子時(shí), 若管子內(nèi)存在一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B(T)的磁場, 那么就可產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場方向和流體流動方向的電動勢E:
E = DVB　(V) (1)
容積流量Q為:
Q =πD2 V/4　(m3 / s) (2)
將式(2)代入式(1)并處理得:
E=(4B/πD)×Q　(V) (3)
如果B和D是常數(shù), 那么從式(3)可看出, E與
Q成正比。電磁流量轉(zhuǎn)換器把電動勢E放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4 ～ 20 mA的信號或脈沖信號, 作為對應(yīng)的流量信號輸出。
2、給水廠原水電磁流量計(jì)的參數(shù)設(shè)置方法及組態(tài)
流量計(jì)的參數(shù)設(shè)置(組態(tài))有兩種方法, 一是利用顯示面板上的按鍵, 二是利用手持智能終端。
2.1　使用面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)定ADMAGAE系列給水廠原水電磁流量計(jì)面板上常用的符號有:
(1)RED(紅)　正常工作時(shí)不亮, 有報(bào)警時(shí)閃爍;
(2)定義符　定義符用冒號“:” , 表示所顯示的數(shù)據(jù)正處于待設(shè)定狀態(tài);
(3)單位顯示　顯示流量單位;
(4)顯示數(shù)據(jù)　顯示流量數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)和報(bào)警的種類;
(5)小數(shù)點(diǎn)　表示數(shù)據(jù)中的小數(shù)點(diǎn);
(6)設(shè)定鍵　這些鍵用來改變數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定數(shù)據(jù)的類型。數(shù)據(jù)顯示類型共有3 種:流量數(shù)據(jù)顯示模式、設(shè)定模式、報(bào)警顯示模式。
2.1.1　流量數(shù)據(jù)顯示模式
流量數(shù)據(jù)顯示模式表示的是瞬時(shí)流量值和累積流量值, ADMAGAE可顯示12種類型的流量數(shù)據(jù)。進(jìn)入流量顯示模式用“d1”參數(shù)來改變顯示項(xiàng), 詳細(xì)設(shè)定可參考流量計(jì)用戶手冊。
2.1.2　設(shè)定模式
設(shè)定模式用來檢查參數(shù)內(nèi)容和重寫數(shù)據(jù)。只要按下“SET”鍵, 可將該模式從正常的操作模式中調(diào)出。
2.1.3　報(bào)警顯示模式
當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí), 報(bào)警模式就會取代當(dāng)前模式來顯示發(fā)生報(bào)警的類型, 但是這種情況只是發(fā)生在當(dāng)前流量顯示模式或設(shè)定模式中參數(shù)號被改變時(shí)(當(dāng)正在該部數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí), 不顯示報(bào)警)。
2.2　BT智能終端設(shè)定
具有智能通信功能的儀表可與智能終端通信。橫河的智能終端有BT100、BT200 等型號, 簡稱BT智能終端, 它們采用BRAIN協(xié)議, 將1個(gè)±2 mA、2.4 kHz的調(diào)制信號迭加到4 ～ 20 mA的模擬信號上用作信號傳輸。由于調(diào)制信號是交流信號, 所以迭加不會影響模擬信號的數(shù)值。
BT智能終端與流量計(jì)的連接有兩種方式:一是直接與流量計(jì)端蓋下面的BT端子相連, 這種方式適用于現(xiàn)場調(diào)試或流量計(jì)不具備智能通信功能的情況;二是與4 ～ 20 mA直流信號線連接, BT智能終端可以連接在從控制柜到流量計(jì)信號線的任何位置,*大距離可達(dá)2 km, 只要保證整個(gè)回路的負(fù)載電阻在250 ～ 750 Ψ之間, 就可以可靠地通信。這種方式操作者不必去現(xiàn)場, 在控制室就可對流量計(jì)進(jìn)行設(shè)置和在線監(jiān)測, 是使用*多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作, 可以**顯示和修改給水廠原水電磁流量計(jì)的各種參數(shù), 其基本的操作有流量計(jì)自檢、量程調(diào)整、顯示方式設(shè)置、報(bào)警設(shè)置等。
2.3　給水廠原水電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定與組態(tài)
給水廠原水電磁流量計(jì)是根據(jù)與流體流速相對應(yīng)的微小電動勢計(jì)算出體積流量并輸出4 ～ 20 mA的信號。為保證獲得正確的信號, 必須設(shè)定通徑、流量量程和儀表系數(shù)3個(gè)參數(shù), 這3個(gè)參數(shù)中, 通徑和儀表系數(shù)早在儀表出廠前就設(shè)定好的, 因此用戶不能設(shè)定這兩個(gè)參數(shù)。用戶也可以在儀表出廠前將流量量程設(shè)定好, 這種設(shè)定只有在用戶要求改變量程時(shí)才可進(jìn)行重新設(shè)定。
3、電磁兼容性分析
給水廠原水電磁流量計(jì)的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 產(chǎn)生的正比于被測流量的感應(yīng)電動勢通常很小, 極易受到外界電磁干擾, 而它本身產(chǎn)生的電磁干擾很小,因此給水廠原水電磁流量計(jì)的電磁兼容性主要體現(xiàn)在它如何在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作。在惡劣的電磁環(huán)境下, 電磁耦合靜電感應(yīng)是給水廠原水電磁流量計(jì)干擾噪聲的主要來源;被測流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是給水廠原水電磁流量計(jì)干擾噪聲的*二來源;給水廠原水電磁流量計(jì)供電電源的電壓和頻率波動等電源干擾噪聲是給水廠原水電磁流量計(jì)干擾噪聲的*三來源。為滿足儀表的EMC要求, 智能給水廠原水電磁流量計(jì)分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù) , 以提高給水廠原水電磁流量計(jì)抗干擾能力。
3.1　工頻干擾噪聲的特點(diǎn)及給水廠原水電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)
工頻干擾噪聲*先是由給水廠原水電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合形成, 其二是給水廠原水電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場的工頻共模干擾, 其三是供電電源引入的工頻串模干擾等, 其產(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。
給水廠原水電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對給水廠原水電磁流量計(jì)工作影響*大, 而且在不同的勵(lì)磁技術(shù)下其表現(xiàn)的形態(tài)、特性不同, 因而采取抗干擾措施也不同。在工頻正弦波勵(lì)磁磁場下, 此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為正交干擾, 又稱為變壓器電勢, 特點(diǎn)是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵(lì)磁頻率成正比, 相位滯后流量信號電勢90°, 且幅值較流量信號電勢大幾個(gè)數(shù)量級。直流勵(lì)磁、低頻矩形波勵(lì)磁及雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù), 可以基本消除正交干擾的影響。工頻共模干擾和工頻串模干擾這兩種常見的干擾, 主要是由于電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合, 給水廠原水電磁流量計(jì)接地不良等原因而產(chǎn)生, 給水廠原水電磁流量計(jì)采用輸入保護(hù)技術(shù)、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術(shù)以及重復(fù)接地技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。ADMAGAE系列給水廠原水電磁流量計(jì)配有接地環(huán), 其作用是通過與液體接觸, 建立液體接地, 確保基準(zhǔn)電位與被測液體相同, 并且保護(hù)流量計(jì)內(nèi)襯。
3.2　電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)及給水廠原水電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)
3.2.1　電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)
(1)電化學(xué)極化電勢干擾是由于電極感生電動勢在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場能顯著減弱極化電勢的數(shù)量級, 但不能從根本上完全消除極化電勢干擾。
(2)泥漿干擾是在測量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí), 固體顆粒或者氣泡擦過電極表面時(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(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。
(3)流體流動噪聲是在測量低導(dǎo)率液體(100μS/cm以下)流量時(shí), 電極的電化學(xué)電勢定期波動,產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機(jī)干擾噪聲, 具有類似泥漿干擾的1 /f頻譜特性。
3.2.2　給水廠原水電磁流量計(jì)抗電化學(xué)干擾技術(shù)
給水廠原水電磁流量計(jì)在提高抗電化學(xué)干擾能力方面采取的措施主要是低頻矩形波勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁技術(shù)。低頻矩形波勵(lì)磁既具有直流勵(lì)磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、變壓器效應(yīng)(正交干擾)的特點(diǎn), 又具有工頻正弦波勵(lì)磁基本不產(chǎn)生極化效應(yīng), 便于放大信號處理,而能避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問題的產(chǎn)生, 有較好的抗干擾性能。
低頻矩形波勵(lì)磁雖然具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性,但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)無法克服泥漿干擾和流體噪聲干擾。研究分析表明, 泥漿干擾和流動噪聲具有1 /f的頻譜特征。低頻時(shí)幅值大, 高頻時(shí)幅值小, 如果采用較高頻率的低頻矩形波勵(lì)磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級。因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動噪聲, 提高傳感器輸出信號的信噪比。
綜上所述, 要保證給水廠原水電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性, *好采用低頻矩形波勵(lì)磁;為了能較準(zhǔn)確地測量液固兩相導(dǎo)電性流體和低導(dǎo)電率流體的流量, 又必須采用較高頻率的矩形波勵(lì)磁。采用圖1所示的雙頻矩形波勵(lì)磁的方法是*佳方案。
3.2.3　雙頻矩形波勵(lì)磁工作及抗干擾原理
在給水廠原水電磁流量計(jì)測量管內(nèi)形成含有兩個(gè)頻率分量的電磁場:高頻勵(lì)磁分量不受液體干擾的影響, 而低頻勵(lì)磁分量則有著極好的零點(diǎn)穩(wěn)定性, 根據(jù)高、低頻定時(shí)檢測到的各分量信號經(jīng)過計(jì)算, 便可得到流量信號。
雙頻矩形波勵(lì)磁測量原理如圖1所示,
一個(gè)由高低頻分量迭加而成的電磁場通過勵(lì)磁線圈被施加到被測液體中, 勵(lì)磁波形是在一個(gè)低頻矩形波上迭加一個(gè)高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產(chǎn)生的電動勢中, 低頻分量通過一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的積分電路獲得一個(gè)零點(diǎn)穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號。而由漿液或低電導(dǎo)率流體產(chǎn)生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所抑制, 有著同樣時(shí)間常數(shù)的流量信號經(jīng)過一個(gè)差分電路以確定流速信號的變化, 把這兩種不同頻率采樣所得的信號結(jié)合起來可獲得一個(gè)穩(wěn)定流速信號, 該信號不受噪聲干擾, 且有較高的零點(diǎn)穩(wěn)定性。

圖1雙頻矩形波勵(lì)磁測量原理圖
3.3　電源干擾噪聲特點(diǎn)及給水廠原水電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)

圖2基本信號關(guān)系
給水廠原水電磁流量計(jì)一般都采用工頻交流電源供電, 其電源電壓的幅值和頻率的變化都會給給水廠原水電磁流量計(jì)帶來電源性干擾噪聲。對電源電壓的幅值變化, 因采用多級集成穩(wěn)壓, 一般而言電源電壓的幅值變化對電磁流量的測量精度影響不大。當(dāng)電源電壓的頻率波動時(shí), 雖然其波動范圍有限, 但對給水廠原水電磁流量計(jì)測量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題, 實(shí)現(xiàn)對流體流速感應(yīng)電勢eab信號的準(zhǔn)確測量, 需利用以下基本關(guān)系:①勵(lì)磁周期為工頻周期的整數(shù)倍, 即勵(lì)磁頻率為50/nHz(n為偶數(shù));②正負(fù)勵(lì)磁下的同相位采樣。圖2是對應(yīng)低頻矩形波勵(lì)磁形式下的典型電勢信號形式, 按上述關(guān)系在一個(gè)勵(lì)磁周期下, 若假設(shè)t1 和t2 點(diǎn)為工頻干擾的等效干擾點(diǎn), 且采樣寬度T=T1 =T2 , 則eab的基本算式為:
μ0 (t2)=1
2T ∫t1
+T1 t1
e(t1 )dt-∫t2
+T2 t2
e(t2 )dt=eab (4)
式(4)從理論上說明給水廠原水電磁流量計(jì)的工頻干擾有可克服的途徑, 即同步采樣技術(shù), 其方法是以同相位(t1=t2 )、同寬度采樣(T1 =T2 =T)為前提的, 采樣頻率要選為工頻周期的整數(shù)倍。這樣即使混有干擾信號, 因其采樣時(shí)間為完整的工頻周期, 其平均值也為零, 干擾電壓不起作用。
4、給水廠原水電磁流量計(jì)選型
4.1　給水廠原水電磁流量計(jì)選型的一般原則
(1)被測介質(zhì)是否為導(dǎo)電液體或漿液, 由此決定是否選用給水廠原水電磁流量計(jì);
(2)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率決定給水廠原水電磁流量計(jì)的類型———是高電導(dǎo)率還是低電導(dǎo)率;
(3)工藝要求的*大、*小和常用流量工藝管道的公稱通徑, 決定介質(zhì)的流速是否處在較經(jīng)濟(jì)的流速點(diǎn)上, 管道是否需要變徑, *后確定流量計(jì)的口徑;
(4)以工藝管道的布置情況, 來確定采用一體型還是分體型流量計(jì), 以及流量計(jì)的防護(hù)等級等;
(5)根據(jù)被測介質(zhì)是否易結(jié)晶、結(jié)疤來選擇電極型式;
(6)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性來選擇電極材料;
(7)被測介質(zhì)的腐蝕性、磨損性及溫度來決定采用何種襯里材料;
(8)被測介質(zhì)的*高工作壓力決定流量計(jì)的公稱壓力;
(9)工藝管道的絕緣性決定接地環(huán)的型式。
4.2　根據(jù)給水廠原水電磁流量計(jì)勵(lì)磁方式的的特點(diǎn)選型
(1)直流勵(lì)磁型
這種給水廠原水電磁流量計(jì)數(shù)量很少, 只用于測量液態(tài)金屬流量, 如常溫下的汞和高溫下的液態(tài)鈉、鉀等。
(2)交流工頻勵(lì)磁型
較早期的給水廠原水電磁流量計(jì)用50 Hz工頻市電勵(lì)磁,由于易受電磁干擾和零點(diǎn)漂移等原因, 現(xiàn)已逐漸被低頻矩形勵(lì)磁所代替。但在測量泥漿、礦漿等液固兩相流時(shí), 低頻矩形波勵(lì)磁方式不能克服固體擦過電極表面產(chǎn)生的尖峰噪聲, 而工頻交流勵(lì)磁的儀表則不存在這一缺點(diǎn), 所以國內(nèi)外尚有一些給水廠原水電磁流量計(jì)仍采用交流工頻勵(lì)磁方式。
(3)低頻矩形波勵(lì)磁型
由于低頻矩形波勵(lì)磁方式功耗小, 零點(diǎn)穩(wěn)定性好, 所以它是目前給水廠原水電磁流量計(jì)的主要勵(lì)磁方式。其波形有“正-負(fù)”二值和“正-零-負(fù)-零”三值兩種。有的給水廠原水電磁流量計(jì)勵(lì)磁頻率可以由用戶設(shè)定, 一般小口徑儀表用較高頻率, 大口徑儀表用較低頻率。
(4)雙頻勵(lì)磁型勵(lì)磁電流的波形是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波, 主要為克服二值矩形波勵(lì)磁存在的漿液噪聲和流動噪聲, 提高儀表的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性, 因此廣泛用于制漿造紙及污水處理等行業(yè)。
5、結(jié)束語
通過上面分析可知, 給水廠原水電磁流量計(jì)具有測量精度高、速度快、使用方便, 測量范圍廣、口徑寬等諸多優(yōu)點(diǎn), 但同時(shí)也存在著測量輸出信號易受工頻電磁干擾, 流體電化學(xué)噪聲及電源頻率變化影響的缺點(diǎn)。不同勵(lì)磁方式的給水廠原水電磁流量計(jì)具有不同的抗干擾技術(shù)和應(yīng)用范圍。正確了解各種勵(lì)磁技術(shù)的特點(diǎn)和不同給水廠原水電磁流量計(jì)的技術(shù)原理是正確使用給水廠原水電磁流量計(jì)的前提。

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