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如何有效提升電磁流量計的精度及其測量過程中抗干擾能力
發(fā)表時間：2018-11-28 ??點擊次數(shù)：612? 技術(shù)支持：1560-1403-222
本文概述：
在工農(nóng)生產(chǎn)的許多現(xiàn)場，凡是涉及到液體和氣體原料和成品的測量與計量，都要用到流量計，流量計的種類有很多種，每一種類型的流量計又可以分出很多種型號，電磁流量計就是其中使用量廣的流量計種類之一。無論是對于生產(chǎn)過程的控制還是對于貿(mào)易環(huán)節(jié)的結(jié)算，流量測量都非常的重要，流量計測量的精確度直接關(guān)系到生產(chǎn)質(zhì)量和經(jīng)濟效益，在某些用量巨大的環(huán)節(jié)，由于測量誤差的失控，可能會嚴重影響到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞甚至是威脅到人身安全，在結(jié)算環(huán)節(jié)的誤差則有可能導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量的巨大的經(jīng)濟損失 。因此流量測量的精確度的高低絕不是一件小事。
伴隨著國內(nèi)科技和經(jīng)濟的持續(xù)進步與發(fā)展，電磁流量計在工農(nóng)業(yè)、供水、消防等許多領(lǐng)域得到了**的應(yīng)用。電磁流量計的特點在于其具備**的可靠性和適應(yīng)性，能夠做到良好的耐腐蝕性。近幾年，對于電磁流量計制造與應(yīng)用中的新技術(shù)仍然處于不斷探索過程中，對于流量計的精確度和穩(wěn)定性也有了更好的要求。能夠影響電磁流量計精度的因素有很多，但只要明確了主要的干擾因素，就能夠有針對性地利用軟硬件技術(shù)來降低干擾因素對測量精度的影響，有效提升電磁流量計工作的可靠性。
電磁流量計是以法拉第電磁感應(yīng)定律為理論基礎(chǔ)而隨著我國科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的不斷發(fā)展與進步，電磁流量計在我國的工業(yè)、技術(shù)檢測和管理等很多領(lǐng)域得到了**的使用，電磁流量計具有良好的耐腐蝕性，并具備可靠性高、適應(yīng)性強的特點。近年來，各個領(lǐng)域在不斷探索新技術(shù)的同時，對電磁流量計的精確程度和穩(wěn)定性也提出了更高的要求。能夠影響電磁流量計精度的因素有很多，但只要明確了主要的干擾因素，就能夠有針對性地利用軟硬件技術(shù)來降低干擾因素對測量精度的影響，有效提升電磁流量計工作的可靠性。
電磁流量計的干擾信號有很多，這些干擾信號會和實際的流量信號相混合，產(chǎn)生一種十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理情況。因此，要提高電磁流量計對液體的測量精確度，就必須對這些干擾信號產(chǎn)生的原因進行分析與總結(jié)，以便有針對性地采取抗干擾措施，電磁流量計的常見影響因素如下。
2. 1 正交干擾電磁流量計的磁路系統(tǒng)包含有兩個勵磁線圈，而導(dǎo)管內(nèi)的液體與傳感器電極及轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)組成了一個閉合的回路，如圖2 所示。理論情況下，磁力線( 圖中B) 應(yīng)與閉合回路相平行，但是由于裝配過程中的誤差，導(dǎo)致磁力線不可能完全平行于這一閉合回路，出現(xiàn)部分磁力線成一定角度穿過回路的現(xiàn)象，這引起了即使沒有液體流動的情況下，傳感器的電極上也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，就形成了正交干擾的基本形式。
當(dāng)磁力線圈中的電流發(fā)生變化時，由于傳感器電極的作用，在磁場發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程中，兩個電極所形成的閉合回路會產(chǎn)生相反的感應(yīng)電壓，當(dāng)磁場再次發(fā)生變化時，傳感器的電磁回路又會再次產(chǎn)生相反的感應(yīng)電壓。由于磁力線圈磁場的變化總是由一個穩(wěn)定狀態(tài)向另一個穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(zhuǎn)變，再由此狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓲顟B(tài)，因此，所引起的電極反向感應(yīng)電壓也具有相似的特質(zhì)，說明正交干擾的產(chǎn)生只與磁力線圈的磁場變化有關(guān)，與實際被測的液體流量無關(guān)。因此，磁力線圈的勵磁頻率是正交干擾強弱的主要影響因素。
2. 2 同相干擾
在電磁流量傳感器中，部分主磁通會在流體內(nèi)部形成正交干擾的閉合渦電流，由于交變電流的產(chǎn)生會導(dǎo)致出現(xiàn)交變磁場，而引起與之正交相連的二次磁通產(chǎn)生，同時因二次磁通的影響，又會引起與二次磁通正交相連的渦電流產(chǎn)生，這就是同向干擾產(chǎn)生的主要原因。下式是由正交干擾公式經(jīng)過微分得到的同向干擾公式，通過公示可知，同相干擾與流量信號相位相同，大小與流量無關(guān)，因此很難將同向干擾產(chǎn)生的信號與流量信號進行分離，只能通過減少磁路系統(tǒng)的勵磁頻率來降低同向干擾信號的影響。
er = ω2Bm sinωt = (2πf)2Bm sinωt
式中:er
為同相干擾電壓;f 為為勵磁頻率;ω 和t 為常量。
2. 3 串模干擾與共模干擾
串模干擾是在單端信號輸入的同時，還有多種干擾信號與其疊加在一起成為前置放大器的輸入信號。若干擾信號過大，容易導(dǎo)致放大器飽和而無法正常工作。當(dāng)設(shè)備存在漏磁問題時，也會在周圍形成很強的交變磁場，從而會引起串模干擾的形成。為了降低串模干擾產(chǎn)生的影響，現(xiàn)階段的流量傳感器通常將“零阻值”的被測流體作為轉(zhuǎn)換放大器的接地端，而傳感器的兩個電極作為放大器的輸入端，這就很好的抑制了幅度相等和極性相同的串模干擾。共模干擾主要是由于靜電干擾引起的，一般情況下，共模干擾不會直接影響測量的結(jié)果，但是若轉(zhuǎn)換放大器的輸入?yún)?shù)存在不對稱問題時，共模干擾就會轉(zhuǎn)變?yōu)榇８蓴_來影響終的測量結(jié)果，將電解質(zhì)與金屬材料圈和電極進行屏蔽能夠有效地降低共模干擾的影響。
2. 4 直流干擾
在被測液體與電極和接液部件接觸過程中，電解質(zhì)中的正負離子會分別作定向運動，這會使被測液體在電極和接液部件之間形成電位差，通常將這種現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象。如圖3 所示，理論上來說，兩電極A 和B 對接液部件的電位e1、e2大小相等、方向相反，此時兩電極的電位差等于零。但是，若兩電極的材質(zhì)或表面狀態(tài)存在差異，此時A、B 電極之間的電位差就不為零，這就形成了極化電壓，極化電壓與共模狀態(tài)的電壓e3一起疊加在流量信號中，被輸入轉(zhuǎn)換器的差動放大器。當(dāng)極化電壓過大，則會對差動放大器的輸入端造成較大影響，導(dǎo)致信號無法放大或流量信號的輸出波動過大，從而降低了電磁流量計的測量精度。
由于電磁流量計測量精度的干擾因素很多，且電磁流量計的工作條件通常也比較惡劣，電磁流量計的測量準(zhǔn)確程度除受到系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的信號干擾外，還會不可避免的受到多種環(huán)境因素的影響，電磁流量計測量的誤差，會給生產(chǎn)帶來重大的經(jīng)濟損失。因此，提升流量計的可靠性與測量精度，減少干擾對測量值的影響程度，是電磁流量計發(fā)展必須要做的工作。
3. 1 硬件抗干擾技術(shù)
(1)電源端所產(chǎn)生的干擾是電子產(chǎn)品較為常見的精度干擾因素，由于這種干擾無法完全被去除，只能通過減小干擾脈沖的幅度來降低其影響。在實際工作中常采用在交流進線端串接入低通LC 濾波器的方式來實現(xiàn)，這種方法在實際的工作中產(chǎn)生了顯著地效果。
(2)傳輸電纜所產(chǎn)生的雜散電磁場會通過感應(yīng)和輻射的方式進入信道而產(chǎn)生干擾，利用雙芯屏蔽電纜能夠?qū)崿F(xiàn)較長線路傳輸?shù)目垢蓴_功能。對于環(huán)境更為惡劣的情況，為提高抗干擾能力，可采用光電隔離方式將系統(tǒng)控制部分與I /O 口部分分開，并采用雙電源供電來降低干擾產(chǎn)生的精度影響。
(3)除了有針對性的抵抗干擾之外，還可以采取增加硬件的方式提升系統(tǒng)的整體抗干擾能力。例如:選擇和使用抗干擾能力強的單片機;使用硬件看門狗電路;使用電壓檢測電路;盡可能使用單片機的內(nèi)部程序存儲器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器等。
3. 2 軟件抗干擾技術(shù)
(1)通過在系統(tǒng)程序的關(guān)鍵位置插入部分單字節(jié)指令或?qū)巫止?jié)指令進行重寫，從而達到恢復(fù)“跑飛”程序的目的，這種方法稱之為指令冗余。指令冗余的主要方法包括以下兩點:一是在雙字節(jié)指令和3 字節(jié)指令之后插入兩個單字節(jié)NOP 指令，以保證其后的指令不被拆散。二是對于程序流向起決定作用的指令和某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)有重要作用的指令的后面，可重復(fù)寫上這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。
(2)若“跑飛”程序進入非程序區(qū)或者表格區(qū)時，指令冗余則無法起到抗干擾的目的，此時可采用設(shè)置軟件陷阱對“跑飛”程序進行攔截，軟件陷阱能將“跑飛”程序引向某一位置，再通過編制的程序?qū)?ldquo;跑飛”程序進行恢復(fù)。
(3)某些程序被干擾后容易陷入死循環(huán)模式，通過程序監(jiān)視技術(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)運行超時的程序，并采用相應(yīng)的方式使程序復(fù)位，保證程序的正常運行。
總之，在保證電磁流量計基本使用功能的前提下，通過對現(xiàn)階段技術(shù)的影響因素進行分析，就能夠有針對性地降低干擾對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，從而保證電磁流量計工作過程的可靠性，避免因測量不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的經(jīng)濟損失和事故發(fā)生。
伴隨著國內(nèi)科技和經(jīng)濟的持續(xù)進步與發(fā)展，電磁流量計在工農(nóng)業(yè)、供水、消防等許多領(lǐng)域得到了**的應(yīng)用。電磁流量計的特點在于其具備**的可靠性和適應(yīng)性，能夠做到良好的耐腐蝕性。近幾年，對于電磁流量計制造與應(yīng)用中的新技術(shù)仍然處于不斷探索過程中，對于流量計的精確度和穩(wěn)定性也有了更好的要求。能夠影響電磁流量計精度的因素有很多，但只要明確了主要的干擾因素，就能夠有針對性地利用軟硬件技術(shù)來降低干擾因素對測量精度的影響，有效提升電磁流量計工作的可靠性。
1 基本原理介紹
電磁流量計是以法拉第電磁感應(yīng)定律為理論基礎(chǔ)而隨著我國科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的不斷發(fā)展與進步，電磁流量計在我國的工業(yè)、技術(shù)檢測和管理等很多領(lǐng)域得到了**的使用，電磁流量計具有良好的耐腐蝕性，并具備可靠性高、適應(yīng)性強的特點。近年來，各個領(lǐng)域在不斷探索新技術(shù)的同時，對電磁流量計的精確程度和穩(wěn)定性也提出了更高的要求。能夠影響電磁流量計精度的因素有很多，但只要明確了主要的干擾因素，就能夠有針對性地利用軟硬件技術(shù)來降低干擾因素對測量精度的影響，有效提升電磁流量計工作的可靠性。
2 電磁流量計精度影響因素分析
電磁流量計的干擾信號有很多，這些干擾信號會和實際的流量信號相混合，產(chǎn)生一種十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理情況。因此，要提高電磁流量計對液體的測量精確度，就必須對這些干擾信號產(chǎn)生的原因進行分析與總結(jié)，以便有針對性地采取抗干擾措施，電磁流量計的常見影響因素如下。
2. 1 正交干擾電磁流量計的磁路系統(tǒng)包含有兩個勵磁線圈，而導(dǎo)管內(nèi)的液體與傳感器電極及轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)組成了一個閉合的回路，如圖2 所示。理論情況下，磁力線( 圖中B) 應(yīng)與閉合回路相平行，但是由于裝配過程中的誤差，導(dǎo)致磁力線不可能完全平行于這一閉合回路，出現(xiàn)部分磁力線成一定角度穿過回路的現(xiàn)象，這引起了即使沒有液體流動的情況下，傳感器的電極上也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，就形成了正交干擾的基本形式。
當(dāng)磁力線圈中的電流發(fā)生變化時，由于傳感器電極的作用，在磁場發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程中，兩個電極所形成的閉合回路會產(chǎn)生相反的感應(yīng)電壓，當(dāng)磁場再次發(fā)生變化時，傳感器的電磁回路又會再次產(chǎn)生相反的感應(yīng)電壓。由于磁力線圈磁場的變化總是由一個穩(wěn)定狀態(tài)向另一個穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(zhuǎn)變，再由此狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓲顟B(tài)，因此，所引起的電極反向感應(yīng)電壓也具有相似的特質(zhì)，說明正交干擾的產(chǎn)生只與磁力線圈的磁場變化有關(guān)，與實際被測的液體流量無關(guān)。因此，磁力線圈的勵磁頻率是正交干擾強弱的主要影響因素。
2. 2 同相干擾
在電磁流量傳感器中，部分主磁通會在流體內(nèi)部形成正交干擾的閉合渦電流，由于交變電流的產(chǎn)生會導(dǎo)致出現(xiàn)交變磁場，而引起與之正交相連的二次磁通產(chǎn)生，同時因二次磁通的影響，又會引起與二次磁通正交相連的渦電流產(chǎn)生，這就是同向干擾產(chǎn)生的主要原因。下式是由正交干擾公式經(jīng)過微分得到的同向干擾公式，通過公示可知，同相干擾與流量信號相位相同，大小與流量無關(guān)，因此很難將同向干擾產(chǎn)生的信號與流量信號進行分離，只能通過減少磁路系統(tǒng)的勵磁頻率來降低同向干擾信號的影響。
er = ω2Bm sinωt = (2πf)2Bm sinωt
式中:er
為同相干擾電壓;f 為為勵磁頻率;ω 和t 為常量。
2. 3 串模干擾與共模干擾
串模干擾是在單端信號輸入的同時，還有多種干擾信號與其疊加在一起成為前置放大器的輸入信號。若干擾信號過大，容易導(dǎo)致放大器飽和而無法正常工作。當(dāng)設(shè)備存在漏磁問題時，也會在周圍形成很強的交變磁場，從而會引起串模干擾的形成。為了降低串模干擾產(chǎn)生的影響，現(xiàn)階段的流量傳感器通常將“零阻值”的被測流體作為轉(zhuǎn)換放大器的接地端，而傳感器的兩個電極作為放大器的輸入端，這就很好的抑制了幅度相等和極性相同的串模干擾。共模干擾主要是由于靜電干擾引起的，一般情況下，共模干擾不會直接影響測量的結(jié)果，但是若轉(zhuǎn)換放大器的輸入?yún)?shù)存在不對稱問題時，共模干擾就會轉(zhuǎn)變?yōu)榇８蓴_來影響終的測量結(jié)果，將電解質(zhì)與金屬材料圈和電極進行屏蔽能夠有效地降低共模干擾的影響。
2. 4 直流干擾
在被測液體與電極和接液部件接觸過程中，電解質(zhì)中的正負離子會分別作定向運動，這會使被測液體在電極和接液部件之間形成電位差，通常將這種現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象。如圖3 所示，理論上來說，兩電極A 和B 對接液部件的電位e1、e2大小相等、方向相反，此時兩電極的電位差等于零。但是，若兩電極的材質(zhì)或表面狀態(tài)存在差異，此時A、B 電極之間的電位差就不為零，這就形成了極化電壓，極化電壓與共模狀態(tài)的電壓e3一起疊加在流量信號中，被輸入轉(zhuǎn)換器的差動放大器。當(dāng)極化電壓過大，則會對差動放大器的輸入端造成較大影響，導(dǎo)致信號無法放大或流量信號的輸出波動過大，從而降低了電磁流量計的測量精度。
3 電磁流量計的抗干擾方式
由于電磁流量計測量精度的干擾因素很多，且電磁流量計的工作條件通常也比較惡劣，電磁流量計的測量準(zhǔn)確程度除受到系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的信號干擾外，還會不可避免的受到多種環(huán)境因素的影響，電磁流量計測量的誤差，會給生產(chǎn)帶來重大的經(jīng)濟損失。因此，提升流量計的可靠性與測量精度，減少干擾對測量值的影響程度，是電磁流量計發(fā)展必須要做的工作。
3. 1 硬件抗干擾技術(shù)
(1)電源端所產(chǎn)生的干擾是電子產(chǎn)品較為常見的精度干擾因素，由于這種干擾無法完全被去除，只能通過減小干擾脈沖的幅度來降低其影響。在實際工作中常采用在交流進線端串接入低通LC 濾波器的方式來實現(xiàn)，這種方法在實際的工作中產(chǎn)生了顯著地效果。
(2)傳輸電纜所產(chǎn)生的雜散電磁場會通過感應(yīng)和輻射的方式進入信道而產(chǎn)生干擾，利用雙芯屏蔽電纜能夠?qū)崿F(xiàn)較長線路傳輸?shù)目垢蓴_功能。對于環(huán)境更為惡劣的情況，為提高抗干擾能力，可采用光電隔離方式將系統(tǒng)控制部分與I /O 口部分分開，并采用雙電源供電來降低干擾產(chǎn)生的精度影響。
(3)除了有針對性的抵抗干擾之外，還可以采取增加硬件的方式提升系統(tǒng)的整體抗干擾能力。例如:選擇和使用抗干擾能力強的單片機;使用硬件看門狗電路;使用電壓檢測電路;盡可能使用單片機的內(nèi)部程序存儲器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器等。
3. 2 軟件抗干擾技術(shù)
(1)通過在系統(tǒng)程序的關(guān)鍵位置插入部分單字節(jié)指令或?qū)巫止?jié)指令進行重寫，從而達到恢復(fù)“跑飛”程序的目的，這種方法稱之為指令冗余。指令冗余的主要方法包括以下兩點:一是在雙字節(jié)指令和3 字節(jié)指令之后插入兩個單字節(jié)NOP 指令，以保證其后的指令不被拆散。二是對于程序流向起決定作用的指令和某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)有重要作用的指令的后面，可重復(fù)寫上這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。
(2)若“跑飛”程序進入非程序區(qū)或者表格區(qū)時，指令冗余則無法起到抗干擾的目的，此時可采用設(shè)置軟件陷阱對“跑飛”程序進行攔截，軟件陷阱能將“跑飛”程序引向某一位置，再通過編制的程序?qū)?ldquo;跑飛”程序進行恢復(fù)。
(3)某些程序被干擾后容易陷入死循環(huán)模式，通過程序監(jiān)視技術(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)運行超時的程序，并采用相應(yīng)的方式使程序復(fù)位，保證程序的正常運行。
4 結(jié)語
總之，在保證電磁流量計基本使用功能的前提下，通過對現(xiàn)階段技術(shù)的影響因素進行分析，就能夠有針對性地降低干擾對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，從而保證電磁流量計工作過程的可靠性，避免因測量不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的經(jīng)濟損失和事故發(fā)生。
上一條：磁翻板液位計有哪幾種不同的型號及各自特點是什么
下一條：關(guān)于磁翻板液位計等液位儀表在液氨球罐測量中選型要求
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