電磁流量計(jì)測量原理及其電磁干擾問題

所謂電磁流量計(jì)是指根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，用來測量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。它可在層流、紊流、脈動(dòng)流量以及產(chǎn)生流線振動(dòng)等情況下對流體進(jìn)行流量測量。由于其流量管光滑，壓力損失小，測量范圍寬，準(zhǔn)確度高，反應(yīng)靈敏，能獲得與流量成比例的信號，加之其測量管直通無死角，便于清洗和滅菌消毒，因此它在用于特殊衛(wèi)生要求的醫(yī)藥和食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

由于液體中所感應(yīng)出的電勢數(shù)值很小，所以要引入高放大倍數(shù)的放大器，然而這樣就使得電磁流量計(jì)特別容易受外界電磁場的干擾，即使很微弱的信號在經(jīng)過高倍放大后，對結(jié)果的影響也是巨大的，這樣勢必會大大地影響儀表的準(zhǔn)確度，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性也構(gòu)成很大的隱患。所以研究電磁流量計(jì)的所受的電磁干擾及相應(yīng)對策就顯得特別有必要。這里有幾點(diǎn)不成熟的看法，與大家共同探討。

1?電磁流量計(jì)測量原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)而切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體兩端便會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。設(shè)在均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個(gè)直徑為D的管道。管道由不導(dǎo)磁材料制成，內(nèi)表面加絕緣襯里。當(dāng)導(dǎo)電的液體在管道中流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體就切割磁力線，因而在和磁場及流動(dòng)方向垂直的方向?qū)a(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，可以證明，只要管道內(nèi)流速v為軸對稱分布，兩級之間就會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢：

E=BDv（1）

由此可得管道的體積流量為：

? （2）

綜合式（1）和式（2）得：

? （3）

式中：

K為儀表常數(shù)，在管道直徑D已確定并維持磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定時(shí)，K是一個(gè)常數(shù)。此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢與體積流量具有線性關(guān)系。

2 勵(lì)磁方式

由電磁流量計(jì)的工作原理可知，為使式（3）成立，第一個(gè)必須滿足的條件就是要有一個(gè)均勻恒定的磁場，才能保證感應(yīng)電動(dòng)勢E與體積流量Q具有線性關(guān)系，這就需要選擇合適的勵(lì)磁方式，也就是產(chǎn)生磁場的方式，一般有三種勵(lì)磁方式可供選擇，即直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁、低頻方波勵(lì)磁。

3 干擾的抑制和消除

由于本系統(tǒng)需在劣勢的現(xiàn)場環(huán)境中使用，對抗干擾性和可靠性具有較高的要求，因此在系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中，將提高系統(tǒng)抗干擾性和可靠性作為一項(xiàng)重要的內(nèi)容。根據(jù)一般電磁流量計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，主要從硬件優(yōu)化方面討論如電磁耦合、靜電感應(yīng)是電磁流量計(jì)產(chǎn)生干擾噪聲的重要來源。在電磁流量變速器中，由于兩電極的引線處于交變磁場中，當(dāng)變速器通電后，在引線的閉合回路內(nèi)就產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢。這種干擾信號疊加到測量信號中，影響了系統(tǒng)的運(yùn)行。各種勵(lì)磁方式產(chǎn)生會帶來不同的電磁干擾問題。直流勵(lì)磁方式易產(chǎn)生極化干擾，交流勵(lì)磁方式易產(chǎn)生正交干擾（90度干擾）、同相干擾（即工頻干擾）等。由于實(shí)際應(yīng)用中多采用交流勵(lì)磁方式，因此以下主要闡述交流勵(lì)磁下的干擾問題及抑制。

3.1 正交干擾及其抑制或消除方法

正交干擾是指在相位上與流量信號相差90度的干擾。電磁流量變送器采用交流勵(lì)磁方式時(shí)，要產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場，而由電極、引出線、被測介質(zhì)和轉(zhuǎn)換器的輸入電路所組成的閉合回路，正處于干擾交變磁場中、閉合回路不可能與變送器的交變磁場產(chǎn)生的磁力線完全平行，總會有一部分交變的磁力線穿過該閉合回路，從而在回路內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)干擾電動(dòng)勢，其大小為：

? （4）

對于交流勵(lì)磁，B=Bmsin（ωt）則有：

? （5）

比較可知，測量信號E與干擾信號et的頻率相同，相位差90°。因此稱et為90°干擾，又稱正交干擾。在電磁流量計(jì)中，從變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分采取措施，來消除或抑制90°干擾。

3.1.1 從變頻器部分采取措施

在變送器的結(jié)構(gòu)上，注意使閉合回路的平面保持與交變磁力線平行，避免磁力線穿過閉合回路，并設(shè)有干擾調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減少干擾信號et。另外，在變送器上設(shè)置調(diào)零電位器。從一般電極引出二根導(dǎo)線，并分別繞過磁極形成兩個(gè)回路，當(dāng)有磁力線穿過此閉合回路，必然在兩個(gè)回路內(nèi)產(chǎn)生方向相反的感應(yīng)電勢。因此，在兩個(gè)回路中有相反方向的電流I1、I2。通過調(diào)整電位器，使兩個(gè)回路中產(chǎn)生的電流I1、I2在轉(zhuǎn)換器的輸入電阻上產(chǎn)生的電勢相互抵消，減少90°干擾信號。

3.1.2 從轉(zhuǎn)換器部分采取措施

對于正交干擾，除了變送器的干擾調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)零以外，轉(zhuǎn)換器中也要設(shè)置抗干擾機(jī)構(gòu)，以消除變送器中剩余的正交干擾信號。否則，這些剩余的正交干擾信號同樣會被放大器放大，嚴(yán)重影響儀表正常工作。為此，在主放大器的輸出端設(shè)置抑制抑制和補(bǔ)償90°干擾的機(jī)構(gòu)，經(jīng)主放大器放大后的90°干擾信號，被鑒別和分離出來，然后再反饋到主放大器的輸入端，以抵消輸入端進(jìn)來的90°干擾信號。

3.2 同相干擾及其抑制方法

同相干擾工頻干擾或共模干擾，是指在同一瞬間出現(xiàn)在變送器的兩個(gè)電極上，并且幅值和相位都相同的干擾信號。當(dāng)流量為零時(shí)，即被測液體靜止不動(dòng)時(shí)，所測得的同相信號就是同相干擾信號。對于同相干擾，抑制的方法較多。在變送器方面，將電極和勵(lì)磁線圈在幾何形狀、尺寸以及性能參數(shù)上做得均衡對稱，并分別嚴(yán)格屏蔽，以減少電極與勵(lì)磁線圈之間的分布電容影響。

為了減少地電流造成的同相干擾，在安裝接地線時(shí)，要把變送器兩端的管道法蘭盤與轉(zhuǎn)換器的外殼都接在同一點(diǎn)上，以減少同相干擾，但不能完全消除同相干擾。因此，通常還在轉(zhuǎn)換器的前置放大級采用增加了恒流源的差動(dòng)放大電路，利用差動(dòng)放大器的高共模抑制比，使進(jìn)入轉(zhuǎn)換器輸入端的同相干擾信號互相抵消而被抑制，可以達(dá)到很好的效果。同時(shí)，為了避免干擾信號，變送器和轉(zhuǎn)換器之間的信號必須用屏蔽導(dǎo)線傳輸。

3.3 其他應(yīng)注意的問題

在使用中要注意維護(hù)，防止電極與管道間絕緣的破壞，安裝時(shí)要遠(yuǎn)離一切磁源（例如大功率電機(jī)、變壓器等），不能有振動(dòng)。單獨(dú)、良好的接地也是十分重要的。接地線應(yīng)盡量加粗，地電流是同相干擾產(chǎn)生的主要原因。如果變送器附近存在大功率的電器設(shè)備，特別是從絕緣不好的等效電路中可以看出，接地線接地電阻Rn產(chǎn)生的電壓降en通過變送器而發(fā)生漏電時(shí)，地電流將使各個(gè)不同接地點(diǎn)電。

分析系統(tǒng)的電磁干擾原因，通過對電磁流量計(jì)實(shí)行一系列的抗干擾措施，大大抑制和消除了干擾信號對有用的流量信號的影響，提高了測量的準(zhǔn)確度，減少了故障率。