影響高壓電磁流量計(jì)精度的因素

高壓電磁流量計(jì)中流量信號和干擾信號同時(shí)出現(xiàn)且相互存在，因此在進(jìn)行檢測的過程中需要將干擾信號排除才能提取到更為準(zhǔn)確的流量信號，以進(jìn)行精度更高的高壓電磁流量計(jì)算。
經(jīng)過大量反復(fù)的試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，高壓電磁流量計(jì)在工作過程中會受到來自多方的干擾，影響高壓電磁流量計(jì)精度的因素主要有三種:
（1）流動電化學(xué)所產(chǎn)生的干擾噪聲；
（2）電磁耦合過程中所產(chǎn)生的靜電感應(yīng)；
（3）電源所產(chǎn)生的干擾噪聲。
各種干擾成分充斥在流量信號的邊邊角角，因此傳感器測出的電壓信號中包含了較多的噪聲，此部分噪聲的電壓信號可以表示為下述式：

2.3.1 各種干擾產(chǎn)生機(jī)理及對策分析
1.正交干擾

從上圖 2.5 中可以觀察到兩個(gè)電*、勵磁線圈、轉(zhuǎn)換器內(nèi)阻之間形成了一個(gè)閉合回路，將此回路稱之為初級繞組，從理論上進(jìn)行分析，磁力線 B 應(yīng)當(dāng)平行于勵磁線圈所產(chǎn)生的磁感應(yīng)線，但在實(shí)際的應(yīng)用過程中由于工藝差異，因此無法達(dá)到理想狀態(tài)，會產(chǎn)生磁力線穿過勵磁線圈磁感應(yīng)線的情況，此時(shí)將會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，將此部分感應(yīng)電動勢稱為變壓器效應(yīng)。此效應(yīng)同樣滿足于楞次定律，利用楞次定律進(jìn)行計(jì)算可得如下電動勢：

從(2.3)中可以觀察到正交干擾信號與流量信號相比，之間相差了 90°。電流經(jīng)過勵磁線圈時(shí)其穩(wěn)態(tài)會發(fā)生階段性的改變，電磁感應(yīng)充斥在高壓電磁流量計(jì)工作的所有流程中，因此流經(jīng)勵磁線圈的電流穩(wěn)態(tài)在轉(zhuǎn)變時(shí)需要經(jīng)過一個(gè)較長的過程。電流磁場穩(wěn)態(tài)的改變與勵磁電流改變的方向息息相關(guān)，兩電*形成的回路則會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓。隨后當(dāng)磁場方向再次發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，兩電*所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓方向也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與上一次產(chǎn)生感應(yīng)電壓的方向相反，兩個(gè)電壓在循環(huán)往復(fù)的過程中進(jìn)行碰撞，因此此時(shí)電*形成回路中所產(chǎn)生的微分干擾電壓視為零。
從式中可以了解到正交干擾電壓與勵磁頻率之間呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。觀察二者之間的線性關(guān)系又可以了解到利用低頻勵磁方式能夠幫助減小磁場中的正交干擾。而在磁場中還有磁場本身所產(chǎn)生的渦電流效應(yīng)也會導(dǎo)致出現(xiàn)正交干擾。
2.同相干擾
電場和磁場可以通過電磁感應(yīng)進(jìn)行及時(shí)轉(zhuǎn)換。流體在磁場中流動時(shí)將會不斷切割磁感應(yīng)線，此時(shí)便會形成閉合的正交干擾渦電流，除此之外還會形成二次磁通，此時(shí)二次磁通在流體內(nèi)部又會形成另一個(gè)閉合的正交干擾渦電流。將此種情況稱為同相干擾電壓Te 。

由式(2.4)了解到將正交干擾進(jìn)行再次微分即可得到同相干擾 ，式中同相干擾與流量信號的相位相同，且與勵磁頻率的平方形成正比，此時(shí)無法將其從流量信號中進(jìn)行分離，只能是利用低頻勵磁的方式將產(chǎn)生的同相干擾降低。為了能更好的降低電磁工作過程中所產(chǎn)生的干擾，需要將傳感器的電*、勵磁線圈的形狀、性能參數(shù)等等都進(jìn)行平衡，屏蔽互相所產(chǎn)生的干擾信號。
3.串模干擾
上世紀(jì)六十年代之前，高壓電磁流量計(jì)中的傳感器通常使用單端信號的傳輸方式，采用兩個(gè)測量電*進(jìn)行信號的傳輸，從一個(gè)電*傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電*，此種傳輸方式在進(jìn)行信號傳輸?shù)倪^程中會將多種干擾信號進(jìn)行疊加后傳輸，此時(shí)會出現(xiàn)兩種情況，一種是多種信號進(jìn)行疊加導(dǎo)致前置放大器的工作進(jìn)行飽和狀態(tài)而無法正常過程，另一種情況是在進(jìn)行信號提取的過程中需要更多的時(shí)間進(jìn)行干擾排除。
當(dāng)代高壓電磁流量計(jì)中傳感器更換了信號傳輸方式，利用差動方式進(jìn)行信號傳輸，將被測流體作為一個(gè)信號傳輸端，而將兩個(gè)電*作為另一個(gè)信號傳輸端，此種傳輸方式能夠有效的抑制電磁回路中所產(chǎn)生的串模干擾情況。
所謂的串模干擾主要是由于電磁流量傳感器周圍的磁場設(shè)備所引起，當(dāng)傳感器在工作的過程中，周圍一旦存在較大的磁場設(shè)備便會出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象，由于另一個(gè)磁感應(yīng)線的運(yùn)動，*二個(gè)磁場應(yīng)運(yùn)而生，而此磁場與傳感器回路中的磁感應(yīng)線相互切割會產(chǎn)生相應(yīng)的電流，從而形成感應(yīng)電動勢，此過程被稱為串模干擾。造成串模干擾的另一個(gè)原因是印刷電路板的兼容性不夠大，此時(shí)會造成信號質(zhì)量的下降。解除串模干擾的方式多種多樣，其中可以在前置放大器前再放置一個(gè)低通濾波器進(jìn)行高頻電勢的抑制。也可以對高壓電磁流量計(jì)進(jìn)行靜電屏蔽來降低串模干擾。 在轉(zhuǎn)換器的雙端通過電流時(shí)也會形成一個(gè)完整的閉合回路，此時(shí)亦會產(chǎn)生串模干擾。
通常而言，回路中所產(chǎn)生的串模干擾和供電的電源頻率保持一致，根據(jù)此現(xiàn)象，可以利用將采樣時(shí)間設(shè)置為供電電源周期的整數(shù)倍，以保證串模干擾的平均值為零，對串模干擾起到良好的抑制作用。
4.共模干擾
所謂的共模干擾主要是由于轉(zhuǎn)換器前端的放大器上同時(shí)出現(xiàn)同樣的干擾所造成。共模干擾在正常情況下對測量結(jié)果不會造成明顯的影響，但若是出現(xiàn)轉(zhuǎn)換器前端放大器中的參數(shù)不對等情況時(shí)，則會由共模干擾轉(zhuǎn)變成為串模干擾，此時(shí)將會對測量結(jié)果造成較大的影響。
引起共模干擾*主要的原因是靜電干擾，因此可以通過屏蔽靜電干擾的方式來有效的降低共模干擾對電磁傳感器造成的影響。
5.直流干擾
直流干擾主要來源于高壓電磁流量計(jì)工作時(shí)出現(xiàn)的電化學(xué)噪聲。當(dāng)電解質(zhì)和接液部件一旦接觸，電解質(zhì)中的正負(fù)離子將會即刻出現(xiàn)定向運(yùn)動，即使沒有通電，電解質(zhì)中的正負(fù)離子會產(chǎn)生一個(gè)定向運(yùn)動，此時(shí)在電解液中會形成一個(gè)明顯的電位差，出現(xiàn)的此種現(xiàn)象被稱為*化現(xiàn)象?？蓮膱D 2.6 中進(jìn)行觀察，兩個(gè)電*若是產(chǎn)生了大小相等，方向相反的電位e1=e 2時(shí)，兩個(gè)電*之間的電位差可視為零；當(dāng)兩個(gè)電*之間的電位呈現(xiàn)出e1 ≠e2 的關(guān)系時(shí)則表示兩個(gè)電位之間存在一個(gè)明顯的電位差，產(chǎn)生的電位差之間則會出現(xiàn)相應(yīng)的電流從而形成*化電壓。此電壓與共模電壓3e 將會共同被轉(zhuǎn)換器前的放大器攝取，此時(shí)*有可能會出現(xiàn)放大器無法工作的情況，此種情況主要是由于*化電壓過大所導(dǎo)致，當(dāng)*化電壓較大時(shí)將會把放大器的輸入端堵塞，此時(shí)放大器無法正常工作。為了能有效的避免發(fā)生此種情況需要控制降低在電磁場中所產(chǎn)生的*化電壓。

流動噪聲主要出現(xiàn)在低電導(dǎo)率流體的檢測中，由輸出端輸出的直流*化電壓時(shí)常出現(xiàn)左右擺動的現(xiàn)象，而此種擺動的電壓被稱為流動噪聲。上式（2.5）中可以觀察了解到流體電導(dǎo)率和流動噪聲呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，由此可以了解到在進(jìn)行低電導(dǎo)率的計(jì)算中需要重點(diǎn)考慮位移電流。

*化現(xiàn)象還有外電場頻率變化所導(dǎo)致，此種情況主要是由于當(dāng)電場頻率變化時(shí)，轉(zhuǎn)向*化未能完全同步所導(dǎo)致。
2.3.2 勵磁技術(shù)對精度的影響
勵磁電流的工作過程中將會產(chǎn)生對應(yīng)的磁場，此時(shí)便會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，為了能更好的對高壓電磁流量計(jì)進(jìn)行計(jì)算，需要選擇更合適的勵磁方式。
勵磁技術(shù)經(jīng)過了一個(gè)漫長的歷程，其中如直流勵磁、低頻矩形波勵磁、雙頻矩形波勵磁等。
1.直流勵磁
直流勵磁的產(chǎn)生主要來源于直流電流勵磁產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場和永磁體產(chǎn)生的恒定磁場。下圖 2.7 中展示了直流勵磁波的波形圖，從圖中可以直接觀察到此種勵磁方式較為穩(wěn)定，受到的干擾較小。

在現(xiàn)實(shí)的工作過程中直流勵磁方式中包含了較多的干擾信號，較為常見的有三種形式。*一種是由于直流信號促使測量管內(nèi)流體*化，從而疊加干擾的*化電壓信號。*二種是*化電壓容易受到溫度的影響導(dǎo)致其跟隨變化。*三種是需要利用到更大的直流放大器，此放大器進(jìn)行信號放大的過程將會更加困難。
2.交流勵磁

交流勵磁主要是在交流電流中所產(chǎn)生的勵磁方式，通常會在 60Hz 正弦波電流作用下產(chǎn)生。上圖 2.8 中展示了交流勵磁的波形圖，此種勵磁方式*大的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效的降低電流對電*所帶來的計(jì)劃作用。除此之外還能利用交流勵磁感應(yīng)更大的電動勢，能夠有效提高磁感應(yīng)強(qiáng)度。還有就是能夠?qū)⑿盘栔苯臃糯?，不需要再設(shè)置前端放大器。
由于交流勵磁的種種優(yōu)勢促使其在上世紀(jì)二十年代到五十年代風(fēng)靡**，但在交流勵磁的工作方式中也出現(xiàn)了較多明顯的缺點(diǎn)，其中如交流勵磁會產(chǎn)生明顯的正交和同相干擾、產(chǎn)生磁滯損失和渦流損失等等。
在針對漿液和脈動流的檢測中，使用交流勵磁仍能起到更可快速、便捷的檢測方式。
3.低頻矩形波勵磁

低頻矩形波勵磁方式能夠彌補(bǔ)交流勵磁所帶來的缺陷，因此從上世紀(jì)七十年起成為新的測量方式風(fēng)靡**。
低頻矩形波立此方式能夠有效減弱電磁感應(yīng)產(chǎn)生的干擾，同時(shí)也不容易出現(xiàn)*化現(xiàn)象。上圖 2.9 中展示了低頻矩形波的波形圖，從圖中可以直觀的觀察到dΦ/ dt 發(fā)生*有規(guī)律，能夠保證在一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)使得流量信號達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，同時(shí)圖中的波形穩(wěn)定時(shí)間較長，因此保證能夠具有穩(wěn)定的信號采樣過程。
值得重視的是若是使用其進(jìn)行漿液性流體測量時(shí)，流體會產(chǎn)生一定的噪聲，從而形成新的干擾，對于檢測結(jié)果會造成一定的影響。
總結(jié)
本內(nèi)容針對國內(nèi)外研究高壓電磁流量計(jì)的歷程進(jìn)行了回顧，簡單介紹了高壓電磁流量計(jì)工作的基本原理，分析了其基本結(jié)構(gòu)，包括傳感器和轉(zhuǎn)化器，然后重點(diǎn)研究了影響高壓電磁流量計(jì)精度的因素，并分析了各種干擾因素的產(chǎn)生機(jī)理及其對策，其中包括正交、串模干擾等；除此之外還分析了不同勵磁技術(shù)對高壓電磁流量計(jì)檢測精度的影響，重點(diǎn)介紹了直流、交流、低頻矩形波三種勵磁技術(shù)；*后，基于這些影響高壓電磁流量計(jì)精度的因素，針對性提出了抗干擾措施，其中，硬件方面包括電源設(shè)計(jì)、傳輸線路、隔離技術(shù)、接地技術(shù)、電路設(shè)計(jì)以及 PCB 印刷技術(shù)中的抗干擾措施；軟件方面包括數(shù)字濾波、CPU 抗干擾、程序監(jiān)控系統(tǒng)、故障自診斷技術(shù)等。