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智能電磁流量計抗干扰技术研究分析

  電磁流量計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電磁流量計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電磁流量計干扰噪声的第二来源;電磁流量計供电电源的电压和频率波动等电源干扰噪声是電磁流量計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。对電磁流量計的影响方式不同,相应采用的抗干扰措施也不同。本文结合双频矩形波励磁智能電磁流量計的研究工作,着重就智能電磁流量計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。

電磁流量計干扰噪声的物理机理、特性及其对策为了对電磁流量計抗干扰技术加以探讨,首先必须对電磁流量計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,以提高電磁流量計抗干扰的能力。

2.1    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,其二是電磁流量計工作现场的工频共模干扰,其三是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電磁流量計工作影响最大,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,电磁流量传感器原理见图1(a)。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1b),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90°,且幅值较流量信号电势大几个数量级。


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、電磁流量計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。

2.2流體介質特性産生的電化學幹擾噪聲

(a)電化學極化電勢幹擾是由于電極感生電動勢在兩極極性不同而導致電解質在電極表面極化産生。雖然采用正負交變勵磁磁場能顯著減弱極化電勢的數量級,但不能根本上完全消除極化電勢幹擾。

(b)泥漿幹擾是在測量泥漿、纖維漿等液固兩相導電性流體流量時,固體顆粒或者氣泡擦過電極表面時,電極表面的接觸電化學電勢突然變化,電磁流量傳感器輸出信號出現尖峰脈沖狀幹擾噪聲。

(c)流體流動噪聲是在測量低導率液體(100vscm以下)流體流量時,電極的電化學電勢定期波動,産生隨流量增加而頻率增加的隨機幹擾噪聲,具有類似泥漿幹擾的1f頻譜特性,因此提高勵磁頻率有助于降低流體流動噪聲的數量級,以提高電磁流量傳感器測量低導電率流體流量的信噪比。

2.3供電電源性幹擾

電磁流量計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電磁流量計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,但对電磁流量計测量精度影响较大。

3智能電磁流量計硬件抗干扰技术

综合上述電磁流量計干扰噪声产生的物理和特性分析,智能電磁流量計分别采用硬件和软件干扰技术,以提高電磁流量計抗干扰能力。

3.1新型励磁技术是提高電磁流量計抗干扰能力的重要手段

電磁流量計励磁技术的发展,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,从而提高電磁流量計整个抗干扰能力,提高電磁流量計的测量精度和可靠性。

3.2前置放大器的設計是提高抗幹擾能力的首要環節

電磁流量傳感器輸出流信號十分微弱,內阻抗較高,因此高輸入阻抗、低漂移、低噪聲、高CRMM前置放大器才能滿足抗同相共模幹擾的要求。前置放大器采用JFET高輸入阻抗電壓緩沖器,低漂移低噪聲減法器,精密電阻精心匹配組成儀用放大器,並采用輸入保護技術,共模電壓自舉技術和接地技術大大提高抗共模幹擾的能力,抑制零點漂移的影響。

 



3.3同步采樣的頻率補償技術

同步采樣和工頻電源頻率監視補償技術,是提高抗流量信號電勢中混入工頻幹擾和工頻電源頻率波動産生工頻幹擾能力的有效方法。同步采樣技術,其采樣脈寬爲工頻周期的整數倍,使流量信號電勢中工頻幹擾平均值等于零,以消除工頻幹擾的影響;工頻電源的頻率波動補償是保證頻率的動態波動中,勵磁電源和采樣脈沖得以同步調整,真正實現同步采樣技術和同步勵磁技術,同步AD轉換,以降低工頻幹擾的影響。

3.4采用新型HCMOS系列芯片技術

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,智能電磁流量計整个硬件采用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,为電磁流量計小型轻量一体化奠定了基础。

3.5微處理器系統電源電壓監視技術

智能電磁流量計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2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。

4智能電磁流量計软件抗干扰技术

智能電磁流量計固化在EPROM中的软件配合硬件除完成智能電磁流量計的正常功能外,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。

4.1數字濾波技術

數字濾波技術是智能儀器中最常采用的技術,能夠完成模擬濾波器不能完成的功能,很容易解決脈沖幹擾剔除、數字電路毛刺幹擾消除、AD轉換器的抗工頻能力以及輸入微處理器數字的可靠性問題。

4.2程控放大器技術

程控放大器技术即解决電磁流量計量程自动转换问题,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。

4.3微處理器硬件故障自診斷技術

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,从而提高整个智能電磁流量計的抗干扰能力。具体包括CPU自诊断,定时器诊断,中断功能诊断,RAM诊断,AD通道诊断和校正,DA通道诊断,数字IO口通道的诊断等部分,涉及到智能電磁流量計的关键部件。

4.4微處理器抗幹擾技術

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電磁流量計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,导致智能電磁流量計整个工作混乱,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電磁流量計微处理器失控的有效方法。

4.5程序運行監視系統(WATCHDOG)

智能電磁流量計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3所示是由硬件和软件配合构成的程序运行监视器。

5結束語

智能電磁流量計多种抗干扰技术的采用,使電磁流量計抗干扰能力增强,精度和可靠性提高,不仅实现了電磁流量計小型轻量一体化智能化,而且推动了電磁流量計的广泛应用,开拓了電磁流量計的潜在市场。

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