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降低冷凍水計(jì)量表電磁干擾及如何進(jìn)行流量計(jì)的電磁兼容性分析

點(diǎn)擊次數(shù):1928 發(fā)布時(shí)間:2021-01-16 12:48:49
冷凍水計(jì)量表是由直接接觸管道介質(zhì)的傳感器和上端信號轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成。它是基于法拉*電磁感應(yīng)定律工作的,用來測量電導(dǎo)率大于3μs/cm的導(dǎo)電液體的流量,是一種測量導(dǎo)電介質(zhì)流量的儀表。除了可以測量一般導(dǎo)電液體的流量外,還可以用于測量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性液體和均勻含有液固兩相懸浮的液體,如泥漿、礦漿、紙漿等。特別設(shè)計(jì)了帶背光寬屏的中.英文液晶顯示器,功能齊全實(shí)用、顯示直觀、操作使用方便,在滿足現(xiàn)場顯示的同時(shí),還可以輸出4~20mA電流信號供記錄、調(diào)節(jié)和控制用,現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于化工、環(huán)保、冶金、醫(yī)藥、造紙、給排水等工業(yè)技術(shù)和管理部門。
冷凍水計(jì)量表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。但是,冷凍水計(jì)量表也有其不足,傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢很小,容易受到外界電磁干擾,如何提高冷凍水計(jì)量表的電磁兼容性,使其能在惡劣的電磁環(huán)境正常使用是冷凍水計(jì)量表設(shè)計(jì)必須考慮的問題。文中以LD系列冷凍水計(jì)量表為例,結(jié)合編者的工程實(shí)踐,介紹有關(guān)冷凍水計(jì)量表的使用并分析其電磁兼容性(EMC)。
1、冷凍水計(jì)量表的工作原理
冷凍水計(jì)量表的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ),即當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體在電磁場中運(yùn)動(dòng),并且運(yùn)動(dòng)方向垂直于電磁場時(shí)就會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向垂直于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)和電磁場運(yùn)動(dòng)的方向,感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)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y(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)度為曰(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(dòng)方向的電動(dòng)勢E:
E=DVB(V)(1)
容積流量Q為:
Q=,rrD2V/4(m’/s)(2)
將式(2)代入式(1)并處理得:
E=(4B/,rrO)×Q(V)(3)
如果君和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(dòng)勢層放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4—20mA的信號或脈沖信號,作為對應(yīng)的流量信號輸出。
2、冷凍水計(jì)量表的參數(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系列冷凍水計(jì)量表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“dl”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BTl00、BT200等型號,簡稱BT智能終端,它們采用BRAIN協(xié)議,將1個(gè)4-2mA、2.4kHz的調(diào)制信號迭加到4~20mA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—20mA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)2km,只要保證整個(gè)回路的負(fù)載電阻在250—750Q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**顯示和修改冷凍水計(jì)量表的各種參數(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冷凍水計(jì)量表數(shù)據(jù)設(shè)定與組態(tài)
冷凍水計(jì)量表是根據(jù)與流體流速相對應(yīng)的微小電動(dòng)勢計(jì)算出體積流量并輸出4~20mA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
冷凍水計(jì)量表的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ),產(chǎn)生的正比于被測流量的感應(yīng)電動(dòng)勢通常很小,*易受到外界電磁干擾,而它本身產(chǎn)生的電磁干擾很小,因此冷凍水計(jì)量表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)是冷凍水計(jì)量表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)干擾噪聲是冷凍水計(jì)量表干擾噪聲的*二來源;冷凍水計(jì)量表供電電源的電壓和頻率波動(dòng)等電源干擾噪聲是冷凍水計(jì)量表干擾噪聲的*三來源。為滿足儀表的EMC要求,智能冷凍水計(jì)量表分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù)?,以提高冷凍水計(jì)量表抗干擾能力。
3.1工頻干擾噪聲的特點(diǎn)及冷凍水計(jì)量表抗干擾技術(shù)工頻干擾噪聲*先是由冷凍水計(jì)量表勵(lì)磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電磁耦合形成,其二是電磁流量汁工作現(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。
冷凍水計(jì)量表勵(lì)磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對冷凍水計(jì)量表工作影響*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)量級舊’。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,冷凍水計(jì)量表接地不良等原因而產(chǎn)生,冷凍水計(jì)量表采用輸人保護(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系列冷凍水計(jì)量表配有接地環(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)及冷凍水計(jì)量表抗干擾技術(shù)
3.2.1電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)
(1)電化學(xué)*化電勢干擾是由于電*感生電動(dòng)勢在兩**性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電*表面*化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場能顯著減弱*化電勢的數(shù)量級,但不能從根本上完全消除*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*表面時(shí),電*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(dòng)噪聲是在測量低導(dǎo)率液體(100IxS/cm以下)流量時(shí),電*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(jī)干擾噪聲,具有類似泥漿干擾的1/f頻譜特性。
3.2.2冷凍水計(jì)量表抗電化學(xué)干擾技術(shù)
冷凍水計(jì)量表在提高抗電化學(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*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(dòng)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(dòng)噪聲,提高傳感器輸出信號的信噪比。綜上所述,要保證冷凍水計(jì)量表的零點(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冷凍水計(jì)量表測量管內(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*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l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(dòng)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。

3.3電源干擾噪聲特點(diǎn)及冷凍水計(jì)量表抗干擾技術(shù)

冷凍水計(jì)量表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冷凍水計(jì)量表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(dòng)時(shí),雖然其波動(dòng)范圍有限,但對冷凍水計(jì)量表測量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題,實(shí)現(xiàn)對流體流速感應(yīng)電勢e柚信號的準(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)t。和t:點(diǎn)為工頻干擾的等效干擾點(diǎn),且采樣寬度T=T1=T2,則e –ab的基本算式為:,

式(4)從理論上說明冷凍水計(jì)量表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、冷凍水計(jì)量表選型
4.1冷凍水計(jì)量表選型的一般原則H1
(1)被測介質(zhì)是否為導(dǎo)電液體或漿液,由此決定是否選用冷凍水計(jì)量表;
(2)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率決定冷凍水計(jì)量表的類型——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;1
(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*型式;
(6)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性來選擇電*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)冷凍水計(jì)量表勵(lì)磁方式的的特點(diǎn)選型
(1)直流勵(lì)磁型
這種冷凍水計(jì)量表數(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
較早期的冷凍水計(jì)量表用50Hz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*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)外尚有一些冷凍水計(jì)量表仍采用交流工頻勵(lì)磁方式。
(3)低頻矩形波勵(lì)磁型1.·
由于低頻矩形波勵(lì)磁方式功耗小,零點(diǎn)穩(wěn)定性好,所以它是目前冷凍水計(jì)量表的主要?jiǎng)?lì)磁方式。其波形有“正一負(fù)”二值和“正一零一負(fù)一零”三值兩種。有的冷凍水計(jì)量表勵(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(dòng)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,冷凍水計(jì)量表具有測量精度高、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)磁方式的冷凍水計(jì)量表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)和不同冷凍水計(jì)量表的技術(shù)原理是正確使用冷凍水計(jì)量表的前提。

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