智能电磁流量计抗干扰技术研究

1、智能电磁磁流量计计抗干扰扰技术的的研究内容摘要要:一、概述 电磁流流量计的的发展和和应用与与其抗干干扰技术术的发展展进步密密切相关关，特别别是近几几十年来来采用三三直低频频矩形波波动励磁磁技术和和双频矩矩形波励励磁技术术，以及及微处理理器硬件件和软件件技术明明显地提提高了电电磁流量量计抗干干扰能力力和测量量精度，扩大了了电磁流流量计的的应用领领域，改改变了人人们长期期认为电电磁流量量计测量量精度低低，抗干干扰能力力差的概概念。 电磁流流量计是是基于导导电性流流体在磁磁场中运运动所产产生的感感应电势势来推算算流体流流量的测测量仪表表，其基基本工作作原理是是电磁感感应定律律。因此此电磁耦耦合静电电

2、感应是是电磁流流量计干干扰噪声声的首要要来源。被测流流体介质质特性产产生的电电化学干干扰噪声声是电磁磁流量计计干扰燥燥声的第第二来源源。一、概述述 电磁磁流量计计的发展展和应用用与其抗抗干扰技技术的发发展进步步密切相相关，特特别是近近几十年年来采用用三直低低频矩形形波动励励磁技术术和双频频矩形波波励磁技技术，以以及微处处理器硬硬件和软软件技术术明显地地提高了了电磁流流量计抗抗干扰能能力和测测量精度度，扩大大了电磁磁流量计计的应用用领域，改变了了人们长长期认为为电磁流流量计测测量精度度低，抗抗干扰能能力差的的概念。 电磁磁流量计计是基于于导电性性流体在在磁场中中运动所所产生的的感应电电势来推推算

3、流体体流量的的测量仪仪表，其其基本工工作原理理是电磁磁感应定定律。因因此电磁磁耦合静静电感应应是电磁磁流量计计干扰噪噪声的首首要来源源；被测测流体介介质特性性产生的的电化学学干扰噪噪声是电电磁流量量计干扰扰燥声的的第二来来源；电电磁流量量计供电电电源的的电压和和频率波波动等电电源干扰扰噪声是是电磁流流量计干干扰噪声声的第三三来源。以上三三类干扰扰噪声的的来源、机理、特性不不同。对对电磁流流量计的的影响方方式不同同，相应应采用的的抗干扰扰措施也也不同。作者结结合双频频矩形波波励磁智智能电磁磁流量计计的研究究工作，着重就就智能电电磁流量量计抗干干扰技术术加以探探讨，提提出一些些抗干扰扰的对策策，以

4、供供智能仪仪器研究究设计参参考。 二、电电磁流量量计抗干干扰技术术的发展展历史 电磁流流量计的的发展历历史就是是其抗干干扰技术术的发展展历史。早在118322年，英英国物理理学家法法拉第构构想地球球磁场来来测量泰泰晤土河河水的流流速，并并进行了了现场实实验，但但未能获获得成功功。主要要原因是是在直流流励磁磁磁场下存存在流体体介质的的极化效效应和热热电效应应而产生生干扰噪噪声淹没没了流量量信号电电势。河河床短路路了流速速信号电电势，加加之当时时的流量量技术远远远没有有达到解解决各种种干扰噪噪声的抑抑制和高高阻抗信信号测量量的水平平，因此此导致首首次电磁磁流量计计实验研研究的失失败。诚诚然，从从电

5、磁流流量计研研究伊始始就面临临如何克克服各种种干扰噪噪声的棘棘手难题题，正因因如此，在以后后的电磁磁流量计计研究过过程中，人们都都将其抗抗干扰技技术列为为首要的的技术问问题。 电磁流流量计励励磁技术术的发展展极大地地推动其其抗干扰扰技术的的进步。50年年代末电电磁流量量计首次次工业应应用开始始，电磁磁流量计计抗干扰扰技术的的发展经经历了几几个阶段段，每一一次进步步都是为为了解决决其抗干干扰能力力的问题题，促使使电磁流流量计抗抗干扰技技术出现现一次飞飞跃，电电磁流量量计的性性能指标标提高。50年年代末六六十年代代初，为为了减弱弱直流励励磁磁场场下电极极表面的的严重极极化电势势的影响响，采用用了工

6、频频正弦波波励磁技技术，但但导致了了电磁感感应、静静电耦合合等工频频干扰，致使采采用复杂杂的正交交干扰抑抑制电路路等多种种抗干扰扰措施，难以完完全消除除工频干干扰噪声声的影响响，导致致电磁流流量计零零点难以以稳定、测量精精度低、可靠性性差。770年代代中期，随着电电子技术术的发展展和同步步采样技技术的问问世，采采用低频频矩形波波励磁技技术，改改变工频频干扰的的形态特特征，利利用工频频同步采采样技术术，获得得电磁流流量计较较好的抗抗工频干干扰的能能力，测测量精度度提高、零点稳稳定、可可靠性增增强。880年代代初采用用三值低低频矩形形波励磁磁技术和和动态校校零技术术、同步步励磁、同步采采样技术术以

7、获得得电磁流流量计最最佳的零零点稳定定性，进进一步提提高抗工工频干扰扰和极化化电势干干扰的能能力。880年代代末采用用双频矩矩形波励励磁技术术，既能能克服流流体介质质产生的的泥浆干干扰和流流体流动动噪声，又能具具有低频频矩形波波励磁电电磁流量量计的零零点稳压压性，实实现电磁磁流量计计零点稳稳定性、抗干扰扰能力和和响应速速度的最最佳统一一。因此此电磁流流量计励励磁技术术的进步步，一方方面改变变正交干干扰电势势的形态态和特征征，另一一方面降降低泥浆浆干扰和和流动噪噪声的数数量级，从而提提高电磁磁流量计计抗干扰扰能力，所以电电磁流量量计励磁磁技术的的改进是是最有效效的抗干干扰措施施。 三三、电磁磁流

8、量计计干扰噪噪声的物物理机理理、特性性及其对对策 为为了对电电磁流量量计抗干干扰技术术加以探探讨，首首先必须须对电磁磁流量计计干扰噪噪声产生生的物理理机理和和特性加加以分析析研究，从而根根据各种种干扰噪噪声的特特性采用用相应的的抗干扰扰对策，以提高高电磁流流量计抗抗干扰的的能力。 1 工频干干扰噪声声 工频频干扰噪噪声是由由电磁流流量传感感器励磁磁绕组和和流体、电极、放大器器输入回回路的电电磁耦合合，另外外电磁流流量计工工作现场场的工频频共模干干扰，其其三供电电电源引引入的工工频串模模干扰等等，其产产生的物物理机理理均是电电磁感应应原理。首先就就电磁流流量传感感器励磁磁绕组和和流体、电极、放大

9、器器输入回回路的电电磁耦合合产生的的工频干干扰对电电磁流量量计工作作影响最最大，而而且在不不同的励励磁技术术下其表表现的形形态、特特性不同同，因而而采取抗抗干扰措措施也不不同，如如图1所所示在各各种励磁磁技术。图1 各种励励磁技术术下电磁磁耦合工工频干扰扰的特性性下此工工频干扰扰噪声的的特性。在工频频正弦波波励磁磁磁场下，此种电电磁耦合合工频干干扰噪声声表现形形式为正正交干扰扰（见图图1 bb），又又称为变变压器电电势，其其特点是是干扰噪噪声幅值值和工频频正弦波波励磁频频率成正正比 ，相位滞滞后流量量信号电电势9000，且且幅值较较流量信信号电势势大几个个数量级级。在低低频矩形形波励磁磁，三值

10、值低频矩矩形波励励磁和双双频矩形形波励磁磁条件，此种电电磁偶合合工频干干扰噪声声表现形形式为微微分干扰扰（见图图1c），其波波形为脉脉冲波形形，其中中幅值和和磁通变变化率成成正比，且按指指数规律律衰减，一般而而言其幅幅值比正正弦波励励磁条件件下的正正交干扰扰大得多多，另外外此微分分干扰仅仅在励磁磁磁通变变化时产产生，而而在磁通通恒定时时，下一一个磁通通发生变变化之前前不会产产生微分分干扰，具有时时段性。 针对对工频正正弦波励励磁下的的正交干干扰噪声声，采用用复杂的的自动正正交抑制制系统减减小正交交干扰噪噪声的影影响，但但由于正正交干扰扰噪声比比流量信信号电势势大几个个数量级级正交抑抑制电子子电

11、路的的任何不不完善都都将导致致一部分分正交干干扰转换换成同相相干扰，使工频频正弦波波励磁电电磁流量量计零点点漂移，流量测测量精度度难以提提高。 采用低低频矩形形波励磁磁、三值值低频矩矩形波励励磁、双双频矩形形波励磁磁，正交交干扰噪噪声演变变成为微微分干扰扰。由于于微分干干扰具有有时段时时，利用用同步采采样技术术在磁场场恒定期期，即微微分干扰扰衰减为为零之后后，采用用宽脉冲冲同步采采样（ 工频周周期的偶偶数倍），以避避免串入入流量信信号电势势中的工工频干扰扰的影响响。其次次采用控控制励磁磁电流（励磁磁磁通）变变化率的的方法减减小微分分干扰的的幅值，但减小小流量信信号采样样的时间间间隔；也可以以采

12、用程程控增益益技术使使微分干干扰时段段增益为为Odbb，而恒恒磁通时时段增益益为1000dbb，以减减小微分分干扰的的幅值的的影响。 对于于工频共共模干扰扰和工频频串模干干扰是常常见的干干扰，主主要是由由于电磁磁屏蔽缺缺陷、分分布电容容耦合、电磁流流量计接接地不良良等原因因产生，采用输输入保护护技术、高输入入阻抗、高共模模抑制比比自举前前置放大大器技术术以及重重复接地地技术，工频宽宽脉冲同同步采样样技术等等提高抗抗工频干干扰的能能力。 2 流流体介质质特性产产生的电电化学干干扰噪声声 电化化学极化化电势干干扰是由由于电极极感生电电动势在在两极极极性不同同而导致致电解质质在电极极表面极极化产生生

13、。虽然然采用正正负交变变励磁磁磁场能显显著减弱弱极化电电势的数数量级，但不能能根本上上完全消消除极化化电势干干扰。其其特性于于流体介介质的性性质、电电极材料料性质、电极的的外形尺尺寸形状状有关，具有变变化缓慢慢，数量量级不大大等特点点，如图图2所示示流体电电化学电电势干扰扰及其解解决方法法。因此此选择合合适的电电极材料料（如碳碳化钨），设计计最佳的的电极形形状的尺尺寸是减减小极化化电势的的有效方方法之一一；另外外采用正正负两极极性交变变的矩形形波励磁磁技术配配合微处处理器同同步宽脉脉冲采样样技术，到用微微处理器器运算功功能前后后两次采采样值相相减消除除流量信信号电势势中的极极化电势势干扰。 图

14、22 流体体电化学学级化电电势干扰扰及其处处理方法法泥浆干干扰是在在测量泥泥浆、纤纤维浆等等液固两两相导电电性流体体流量时时，固体体颗粒或或者气泡泡擦过电电极表面面时，电电极表面面的接触触电化学学电势突突然变化化，电磁磁流量传传感器输输出信号号出现尖尖峰脉冲冲状干扰扰噪声如如图3所所示。在在励磁频频率较低低时，泥泥浆干扰扰的数量量级较大大，高频频时干扰扰数量级级较小，具有11/f的的频谱特特性。提提高抗泥泥浆干扰扰的能力力必须采采用较高高频率的的矩形波波励磁，以提高高电磁流流量传感感器输出出的信噪噪比，但但会牺牲牲电磁流流量计的的零点稳稳定性。另外也也可采用用流量信信号变化化率限制制方法以以剔

15、除脉脉冲干扰扰对电磁磁流量计计的影响响，但会会牺牲仪仪表的响响应速度度。 流流体流动动噪声是是在测量量低导率率液体（1000vs/cm以以下）流流体流量量时，电电极的电电化学电电势定期期波动，产生随随流量增增加而频频率增加加的随机机干扰噪噪声，具具有类似似泥浆干干扰的11/f频频谱特性性，因此此提高励励磁频率率有助于于降低流流体流动动噪声的的数量级级，以提提高电磁磁流量传传感器测测量低导导电率流流体流量量的信噪噪比。 图3 泥浆干干扰电势势波形和和频谱特特性 33 供电电电源性性干扰 电磁流流量计一一般都采采用工频频交流电电源供电电，其电电源电压压的幅值值和频率率的变化化都会给给电磁流流量计带

16、带来电源源性干扰扰噪声。对电源源电压的的幅值变变化，因因采用多多级集成成稳压，一般而而言电源源电压的的幅值变变化对电电磁流量量的测量量精度影影响不大大。当电电源电压压的频率率波动时时，虽然然其波动动范围有有限，但但对电磁磁流量计计测量精精度影响响较大。在智能能矩形波波励磁电电磁流量量计中采采用宽脉脉冲采样样技术，其脉冲冲宽度为为工频周周期的整整数倍，具同步步于工频频周期，以完全全消除工工频干扰扰，但前前提条件件是工频频噪声干干扰基本本不变。当供电电电源频频率波动动时，流流量信号号采样时时使前后后的工频频噪声不不能完全全相同，虽然采采用同步步励磁技技术、同同步采样样技术仍仍然不能能完全消消除工频

17、频干扰噪噪声，必必须采用用相应的的频率补补偿技术术，使励励磁电流流、采样样脉冲，A/DD 转换换同步于于频率的的变化。 四、智能电电磁流量量计硬件件抗干扰扰技术 综合上上述电磁磁流量计计干扰噪噪声产生生的物理理和特性性分析，智能电电磁流量量计分别别采用硬硬件和软软件干扰扰技术，以提高高电磁流流量计抗抗干扰能能力。 1 新新型励磁磁技术是是提高电电磁流量量计抗干干扰能力力的重要要手段 电磁流流量计励励磁技术术的发展展，不仅仅减弱电电极极化化电势、泥浆干干扰、流流动噪声声的影响响，又能能改变工工频干扰扰的形态态，便于于同步采采样技术术处理工工频干扰扰噪声，以避免免工频干干扰的影影响。目目前电磁磁流

18、量传传感器采采用工频频频率同同步三值值低频矩矩形励磁磁和双频频矩形波波励磁，从而提提高电磁磁流量计计整个抗抗干扰能能力，提提高电磁磁流量计计的测量量精度和和可靠性性。 22 前置置放大器器的设计计是提高高抗干扰扰能力的的首要环环节 电电磁流量量传感器器输出流流信号十十分微弱弱，内阻阻抗较高高，因此此高输出出入阻抗抗、低漂漂移、低低噪声、高CRRMM前前置放大大器才能能满足抗抗同相共共模干扰扰的要求求。前置置放大器器采用JJFETT高输入入阻抗电电压缓冲冲器，低低漂移低低噪声减减法器，精密电电阻精心心匹配组组成仪用用放大器器，并采采用输入入保护技技术，共共模电压压自举技技术和接接地技术术大大提提

19、高抗共共模干扰扰的能力力，抑制制零点漂漂移的影影响。 3 同同步采样样的频度度补偿技技术 同同步采样样和工频频电源频频率监视视补偿技技术，是是提高抗抗流量信信号电势势中混入入工频干干扰和工工频电源源频率波波动产生生工频干干扰能力力的有效效方法。同步采采样技术术，其采采样脉宽宽为工频频周期的的整数倍倍，使流流量信号号电势中中工频干干扰平均均值等于于零，以以消除工工频干扰扰的影响响；工频频电源的的频率波波动补偿偿是保证证频率的的动态波波动中，励磁电电源和采采样脉冲冲得以同同步调整整，真正正实现同同步采样样技术和和同步励励磁技术术，同步步A/DD转换，以降低低工频干干扰的影影响。 4 采采用新型型H

20、CMMOS系系列芯片片技术 采用774HCC系列芯芯片技术术较采用用74LLS系列列芯片其其低噪声声容限提提高2.4倍，高燥声声容限提提高2.1倍，智能电电磁流量量计整个个硬件采采用744HC系系列芯片片，不仅仅降低整整个功耗耗，而且且提高元元器件本本身抗干干扰能力力，为电电源流量量计小型型轻量一一体化奠奠定了基基础。 5 微微处理器器系统电电源电压压监视技技术 智智能电磁磁流量计计中微处处理器系系统当电电源瞬态态欠压，励磁开开关脉冲冲动作都都会造成成微处理理器误动动作，数数据丢失失等现象象，因此此必须采采用可靠靠的复位位电路和和电源电电压监视视技术。最简单单实用的的方法是是采用低低成本电电源

21、配合合高灵敏敏度的电电源电压压监视器器，提高高微处理理器系统统和抗干干扰能力力。如图图4所示示微处理理器电压压监视器器，其采采用TLL77005CPP电源电电压监视视器芯片片，具有有电源加加电、电电源瞬时时欠压均均能产生生可靠的的复位信信号。 五、智智能电磁磁流量计计软件抗抗干扰技技术 智智能电磁磁流量计计固化在在EPRROM中中的软件件配合硬硬件除完完成智能能电磁流流量计的的正常功功能外，必须具具备较强强的抗干干扰能力力和容错错能力，组成完完善的应应用程序序。 11 数字字滤波技技术 数数字滤波波技术是是智能仪仪器中最最常采用用的技术术，能够够完成模模拟滤波波器不能能完成的的功能，很容易易解

22、决脉脉冲干扰扰剔除、数字电电路毛刺刺干扰消消除、AA/D转转换器的的抗工频频能力以以及输入入微处理理器数字字的可靠靠性问题题。 22 程控控放大器器技术 程控放放大器技技术即解解决电磁磁流量计计量程自自动转换换问题，同时利利用增益益控制方方法有效效削弱微微分干扰扰峰值使使放大器器过载的的问题，便于流流量信号号电势处处理，提提高抗微微分干扰扰的能力力。 33 微处处理器硬硬件故障障自诊断断技术 微处理理器硬件件故障自自诊断技技术是采采用软件件容错设设计，极极大地提提高硬件件系统的的可靠性性，从而而提高整整个智能能电磁流流量计的的抗干扰扰能力。具体包包括CPPU自诊诊断，定定时器诊诊断，中中断功能能诊断，RAMM诊断，