一、概述

電磁流量計的發(fā)展和應(yīng)用與其抗干擾技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步密切相關(guān)，特別是近幾十年來采用三直低頻矩形波動勵磁技術(shù)和雙頻矩形波勵磁技術(shù)，以及微處理器硬件和軟件技術(shù)明顯地提高了電磁流量計抗干擾能力和測量精度，擴大了電磁流量計的應(yīng)用領(lǐng)域，改變了人們長期認(rèn)為電磁流量計測量精度低，抗干擾能力差的概念。

電磁流量計是基于導(dǎo)電性流體在磁場中運動所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢來推算流體流量的測量儀表，其基本工作原理是電磁感應(yīng)定律。因此電磁耦合靜電感應(yīng)是電磁流量計干擾噪聲的首要來源；被測流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量計干擾燥聲的第二來源；電磁流量計供電電源的電壓和頻率波動等電源干擾噪聲是電磁流量計干擾噪聲的第三來源。以上三類干擾噪聲的來源、機理、特性不同。對電磁流量計的影響方式不同，相應(yīng)采用的抗干擾措施也不同。作者結(jié)合雙頻矩形波勵磁智能電磁流量計的研究工作，著重就智能電磁流量計抗干擾技術(shù)加以探討，提出一些抗干擾的對策，以供智能儀器研究設(shè)計參考。

二、電磁流量計抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷史

電磁流量計的發(fā)展歷史就是其抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷史。早在1832年，英國物理學(xué)家法拉第構(gòu)想地球磁場來測量泰晤土河水的流速，并進(jìn)行了現(xiàn)場實驗，但未能獲得成功。主要原因是在直流勵磁磁場下存在流體介質(zhì)的極化效應(yīng)和熱電效應(yīng)而產(chǎn)生干擾噪聲淹沒了流量信號電勢。河床短路了流速信號電勢，加之當(dāng)時的流量技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到解決各種干擾噪聲的抑制和高阻抗信號測量的水平，因此導(dǎo)致首次電磁流量計實驗研究的失敗。誠然，從電磁流量計研究伊始就面臨如何克服各種干擾噪聲的棘手難題，正因如此，在以后的電磁流量計研究過程中，人們都將其抗干擾技術(shù)列為首要的技術(shù)問題。

電磁流量計勵磁技術(shù)的發(fā)展極大地推動其抗干擾技術(shù)的進(jìn)步。50年代末電磁流量計首次工業(yè)應(yīng)用開始，電磁流量計抗干擾技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段，每一次進(jìn)步都是為了解決其抗干擾能力的問題，促使電磁流量計抗干擾技術(shù)出現(xiàn)一次飛躍，電磁流量計的性能指標(biāo)提高。50年代末六十年代初，為了減弱直流勵磁磁場下電極表面的嚴(yán)重極化電勢的影響，采用了工頻正弦波勵磁技術(shù)，但導(dǎo)致了電磁感應(yīng)、靜電耦合等工頻干擾，致使采用復(fù)雜的正交干擾抑制電路等多種抗干擾措施，難以完全消除工頻干擾噪聲的影響，導(dǎo)致電磁流量計零點難以穩(wěn)定、測量精度低、可靠性差。70年代中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和同步采樣技術(shù)的問世，采用低頻矩形波勵磁技術(shù)，改變工頻干擾的形態(tài)特征，利用工頻同步采樣技術(shù)，獲得電磁流量計較好的抗工頻干擾的能力，測量精度提高、零點穩(wěn)定、可靠性增強。80年代初采用三值低頻矩形波勵磁技術(shù)和動態(tài)校零技術(shù)、同步勵磁、同步采樣技術(shù)以獲得電磁流量計較佳的零點穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高抗工頻干擾和極化電勢干擾的能力。80年代末采用雙頻矩形波勵磁技術(shù)，既能克服流體介質(zhì)產(chǎn)生的泥漿干擾和流體流動噪聲，又能具有低頻矩形波勵磁電磁流量計的零點穩(wěn)壓性，實現(xiàn)電磁流量計零點穩(wěn)定性、抗干擾能力和響應(yīng)速度的較佳統(tǒng)一。因此電磁流量計勵磁技術(shù)的進(jìn)步，一方面改變正交干擾電勢的形態(tài)和特征，另一方面降低泥漿干擾和流動噪聲的數(shù)量級，從而提高電磁流量計抗干擾能力，所以電磁流量計勵磁技術(shù)的改進(jìn)是比較有效的抗干擾措施。

三、電磁流量計干擾噪聲的物理機理、特性及其對策

為了對電磁流量計抗干擾技術(shù)加以探討，首先必須對電磁流量計干擾噪聲產(chǎn)生的物理機理和特性加以分析研究，從而根據(jù)各種干擾噪聲的特性采用相應(yīng)的抗干擾對策，以提高電磁流量計抗干擾的能力。

1 工頻干擾噪聲

工頻干擾噪聲是由電磁流量傳感器勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合，另外電磁流量計工作現(xiàn)場的工頻共模干擾，其三供電電源引入的工頻串模干擾等，其產(chǎn)生的物理機理均是電磁感應(yīng)原理。首先就電磁流量傳感器勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對電磁流量計工作影響最大，而且在不同的勵磁技術(shù)下其表現(xiàn)的形態(tài)、特性不同，因而采取抗干擾措施也不同，如圖1所示在各種勵磁技術(shù)。

圖1 各種勵磁技術(shù)下電磁耦合工頻干擾的特性

下此工頻干擾噪聲的特性。在工頻正弦波勵磁磁場下，此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為正交干擾（見圖1 b），又稱為變壓器電勢，其特點是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵磁頻率成正比 ，相位滯后流量信號電勢900，且幅值較流量信號電勢大幾個數(shù)量級。在低頻矩形波勵磁，三值低頻矩形波勵磁和雙頻矩形波勵磁條件，此種電磁偶合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為微分干擾（見圖1c），其波形為脈沖波形，其中幅值和磁通變化率成正比，且按指數(shù)規(guī)律衰減，一般而言其幅值比正弦波勵磁條件下的正交干擾大得多，另外此微分干擾僅在勵磁磁通變化時產(chǎn)生，而在磁通恒定時，下一個磁通發(fā)生變化之前不會產(chǎn)生微分干擾，具有時段性。

針對工頻正弦波勵磁下的正交干擾噪聲，采用復(fù)雜的自動正交抑制系統(tǒng)減小正交干擾噪聲的影響，但由于正交干擾噪聲比流量信號電勢大幾個數(shù)量級正交抑制電子電路的任何不完善都將導(dǎo)致一部分正交干擾轉(zhuǎn)換成同相干擾，使工頻正弦波勵磁電磁流量計零點漂移，流量測量精度難以提高。

采用低頻矩形波勵磁、三值低頻矩形波勵磁、雙頻矩形波勵磁，正交干擾噪聲演變成為微分干擾。由于微分干擾具有時段時，利用同步采樣技術(shù)在磁場恒定期，即微分干擾衰減為零之后，采用寬脈沖同步采樣（ 工頻周期的偶數(shù)倍），以避免串入流量信號電勢中的工頻干擾的影響。其次采用控制勵磁電流（勵磁磁通）變化率的方法減小微分干擾的幅值，但減小流量信號采樣的時間間隔；也可以采用程控增益技術(shù)使微分干擾時段增益為Odb，而恒磁通時段增益為100db，以減小微分干擾的幅值的影響。

對于工頻共模干擾和工頻串模干擾是常見的干擾，主要是由于電磁屏蔽缺陷、分布電容耦合、電磁流量計接地不良等原因產(chǎn)生，采用輸入保護(hù)技術(shù)、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術(shù)以及重復(fù)接地技術(shù)，工頻寬脈沖同步采樣技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。

2 流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲

電化學(xué)極化電勢干擾是由于電極感生電動勢在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵磁磁場能顯著減弱極化電勢的數(shù)量級，但不能根本上完全消除極化電勢干擾。其特性于流體介質(zhì)的性質(zhì)、電極材料性質(zhì)、電極的外形尺寸形狀有關(guān)，具有變化緩慢，數(shù)量級不大等特點，如圖2所示流體電化學(xué)電勢干擾及其解決方法。因此選擇合適的電極材料（如碳化鎢），設(shè)計較佳的電極形狀的尺寸是減小極化電勢的有效方法之一；另外采用正負(fù)兩極性交變的矩形波勵磁技術(shù)配合微處理器同步寬脈沖采樣技術(shù)，到用微處理器運算功能前后兩次采樣值相減消除流量信號電勢中的極化電勢干擾。

圖2 流體電化學(xué)級化電勢干擾及其處理方法

泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等液固兩相導(dǎo)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(xué)電勢突然變化，電磁流量傳感器輸出信號出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲如圖3所示。在勵磁頻率較低時，泥漿干擾的數(shù)量級較大，高頻時干擾數(shù)量級較小，具有1/f的頻譜特性。提高抗泥漿干擾的能力必須采用較高頻率的矩形波勵磁，以提高電磁流量傳感器輸出的信噪比，但會犧牲電磁流量計的零點穩(wěn)定性。另外也可采用流量信號變化率限制方法以剔除脈沖干擾對電磁流量計的影響，但會犧牲儀表的響應(yīng)速度。

流體流動噪聲是在測量低導(dǎo)率液體（100vs/cm以下）流體流量時，電極的電化學(xué)電勢定期波動，產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲，具有類似泥漿干擾的1/f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(shù)量級，以提高電磁流量傳感器測量低導(dǎo)電率流體流量的信噪比。

圖3 泥漿干擾電勢波形和頻譜特性

3 供電電源性干擾

電磁流量計一般都采用工頻交流電源供電，其電源電壓的幅值和頻率的變化都會給電磁流量計帶來電源性干擾噪聲。對電源電壓的幅值變化，因采用多級集成穩(wěn)壓，一般而言電源電壓的幅值變化對電磁流量的測量精度影響不大。當(dāng)電源電壓的頻率波動時，雖然其波動范圍有限，但對電磁流量計測量精度影響較大。在智能矩形波勵磁電磁流量計中采用寬脈沖采樣技術(shù)，其脈沖寬度為工頻周期的整數(shù)倍，具同步于工頻周期，以完全消除工頻干擾，但前提條件是工頻噪聲干擾基本不變。當(dāng)供電電源頻率波動時，流量信號采樣時使前后的工頻噪聲不能完全相同，雖然采用同步勵磁技術(shù)、同步采樣技術(shù)仍然不能完全消除工頻干擾噪聲，必須采用相應(yīng)的頻率補償技術(shù)，使勵磁電流、采樣脈沖，A/D 轉(zhuǎn)換同步于頻率的變化。

四、智能電磁流量計硬件抗干擾技術(shù)

綜合上述電磁流量計干擾噪聲產(chǎn)生的物理和特性分析，智能電磁流量計分別采用硬件和軟件干擾技術(shù)，以提高電磁流量計抗干擾能力。

1 新型勵磁技術(shù)是提高電磁流量計抗干擾能力的重要手段

電磁流量計勵磁技術(shù)的發(fā)展，不僅減弱電極極化電勢、泥漿干擾、流動噪聲的影響，又能改變工頻干擾的形態(tài)，便于同步采樣技術(shù)處理工頻干擾噪聲，以避免工頻干擾的影響。目前電磁流量傳感器采用工頻頻率同步三值低頻矩形勵磁和雙頻矩形波勵磁，從而提高電磁流量計整個抗干擾能力，提高電磁流量計的測量精度和可靠性。

2 前置放大器的設(shè)計是提高抗干擾能力的首要環(huán)節(jié)

電磁流量傳感器輸出流信號十分微弱，內(nèi)阻抗較高，因此高輸出入阻抗、低漂移、低噪聲、高CRMM前置放大器才能滿足抗同相共模干擾的要求。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，并采用輸入保護(hù)技術(shù)，共模電壓自舉技術(shù)和接地技術(shù)大大提高抗共模干擾的能力，抑制零點漂移的影響。

3 同步采樣的頻度補償技術(shù)

同步采樣和工頻電源頻率監(jiān)視補償技術(shù)，是提高抗流量信號電勢中混入工頻干擾和工頻電源頻率波動產(chǎn)生工頻干擾能力的有效方法。同步采樣技術(shù)，其采樣脈寬為工頻周期的整數(shù)倍，使流量信號電勢中工頻干擾平均值等于零，以消除工頻干擾的影響；工頻電源的頻率波動補償是保證頻率的動態(tài)波動中，勵磁電源和采樣脈沖得以同步調(diào)整，真正實現(xiàn)同步采樣技術(shù)和同步勵磁技術(shù)，同步A/D轉(zhuǎn)換，以降低工頻干擾的影響。

4 采用新型HCMOS系列芯片技術(shù)

采用74HC系列芯片技術(shù)較采用74LS系列芯片其低噪聲容限提高2.4倍，高燥聲容限提高2.1倍，智能電磁流量計整個硬件采用74HC系列芯片，不僅降低整個功耗，而且提高元器件本身抗干擾能力，為電源流量計小型輕量一體化奠定了基礎(chǔ)。

5 微處理器系統(tǒng)電源電壓監(jiān)視技術(shù)

智能電磁流量計中微處理器系統(tǒng)當(dāng)電源瞬態(tài)欠壓，勵磁開關(guān)脈沖動作都會造成微處理器誤動作，數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象，因此必須采用可靠的復(fù)位電路和電源電壓監(jiān)視技術(shù)。較為簡單實用的方法是采用低成本電源配合高靈敏度的電源電壓監(jiān)視器，提高微處理器系統(tǒng)和抗干擾能力。如圖4所示微處理器電壓監(jiān)視器，其采用TL7705CP電源電壓監(jiān)視器芯片，具有電源加電、電源瞬時欠壓均能產(chǎn)生可靠的復(fù)位信號。

五、智能電磁流量計軟件抗干擾技術(shù)

智能電磁流量計固化在EPROM中的軟件配合硬件除完成智能電磁流量計的正常功能外，必須具備較強的抗干擾能力和容錯能力，組成完善的應(yīng)用程序。

1 數(shù)字濾波技術(shù)

數(shù)字濾波技術(shù)是智能儀器中經(jīng)常采用的技術(shù)，能夠完成模擬濾波器不能完成的功能，很容易解決脈沖干擾剔除、數(shù)字電路毛刺干擾消除、A/D轉(zhuǎn)換器的抗工頻能力以及輸入微處理器數(shù)字的可靠性問題。

2 程控放大器技術(shù)

程控放大器技術(shù)即解決電磁流量計量程自動轉(zhuǎn)換問題，同時利用增益控制方法有效削弱微分干擾峰值使放大器過載的問題，便于流量信號電勢處理，提高抗微分干擾的能力。

3 微處理器硬件故障自診斷技術(shù)

微處理器硬件故障自診斷技術(shù)是采用軟件容錯設(shè)計，極大地提高硬件系統(tǒng)的可靠性，從而提高整個智能電磁流量計的抗干擾能力。具體包括CPU自診斷，定時器診斷，中斷功能診斷，RAM診斷，A/D通道診斷和校正，D/A通道診斷，數(shù)字I/O口通道的診斷等部分，涉及到智能電磁流量計的關(guān)鍵部件。

4 微處理器抗干擾技術(shù)

上述各種抗干擾措施是解決輸入、輸出通道中的各種干擾問題，當(dāng)干擾噪聲沒有作用到微處理器本身時，微處理器仍然正確無誤地執(zhí)行各種抗干擾軟件，消除或者削弱干擾噪聲對電磁流量計輸入輸出通路的影響，當(dāng)干擾噪聲通過三總線等作用到微處理器本身，CPU將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，導(dǎo)致智能電磁流量計整個工作混亂，為了提高微處理器自身的抗干擾能力采用硬件和軟件相配合的多種抗干擾措施。多種復(fù)位方式解決失控的CPU較為簡單的方法，掉電保護(hù)技術(shù)，軟件指令冗余措施，軟件陷阱抗干擾方法也是排除智能電磁流量計微處理器失控的有效方法。

5 程序運行監(jiān)視系統(tǒng)（WATCHDOG）

智能電磁流量計采用程序運行監(jiān)視系統(tǒng)以監(jiān)視微處理器執(zhí)行應(yīng)用程序的狀況，當(dāng)程序正彈到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中時看門狗能及時發(fā)并強迫系統(tǒng)復(fù)位，擺脫死循環(huán)狀態(tài)，圖5所示是由硬件和軟件配合構(gòu)成的程序運行監(jiān)視器。

圖4 微處理器系統(tǒng)電源電壓監(jiān)視器

圖5 程序運行監(jiān)視器

六、結(jié)束語

智能電磁流量計多種抗干擾技術(shù)的采用，使電磁流量計抗干擾能力增強，精度和可靠性提高，不僅實現(xiàn)了電磁流量計小型輕量一體化智能化，而且推動了電磁流量計的廣泛應(yīng)用，開拓了電磁流量計的潛在市場。

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    智能電磁流量計原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，傳感器主要組成部分是：測量管、電極、勵磁線圈、鐵芯與磁軛殼體。

    廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、紡織、食品、制藥、造紙等行業(yè)以及環(huán)保、市政管理，水利建設(shè)等領(lǐng)域。

 

    特點：

    １、測量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響；

    ２、測量管內(nèi)無阻礙流動部件，無壓損，直管段要求較低；

    ３、系列公稱通徑DN15～DN3000。傳感器襯里和電極材料有多種選擇；

    ４、轉(zhuǎn)換器采用新穎勵磁方式，功耗低、零點穩(wěn)定、精確度高。流量范圍度可達(dá)1500：1；

    ５、轉(zhuǎn)換器可與傳感器組成一體型或分離型；

    ６、轉(zhuǎn)換器采用16位高性能微處理器，2x16LCD顯示，參數(shù)設(shè)定方便，編程可靠；

    ７、電磁流量計為雙向測量系統(tǒng)，內(nèi)裝三個積算器：正向總量、反向總量及差值總量；可顯示莊、反流量，并具有多種輸出：電流、脈沖、數(shù)字通訊、HART；

    ８、轉(zhuǎn)換器采用表面安裝技術(shù)(SMT)，具有自檢和自診斷功能。

    安裝選型：

    1、和其它流量計一樣，雖然電磁流量計它的測量范圍比是30：1，比渦街流量計和差壓式流量計都要高，但也是有限制的，許多客戶定表時；

    常常把它和水表相比較，以為可以測量很低的流速，一般情況下，它只能測0.1m/s.低于此流速電磁流量計就很難正確測量。

    所以定貨初期對流量范圍比要搞清楚。定貨時不能按原先管道口徑來定貨，按你實際流量來定儀表口徑。

    2、和其它流量計一樣，電磁流量計對安裝前后直管道也有要求，只不過比其它類流量計要求更低，但關(guān)健一點要滿足：

    就是滿管，再滿管。不滿管的情況下容易引起流量計亂跳；

    3、和其它流量計一樣，電磁流量計也有防護(hù)等級，一般一體式的防護(hù)等級為IP65，分體式的為IP68(針對傳感器而言)；

    如果客戶對儀表安裝環(huán)境有要求，安裝地點在地下陰井或其它一些潮濕的地方，建議客戶選用分體式的。以免選錯對儀表造成損害。

    4、電磁流量計可以測腐蝕性液體，但定貨初期客戶要正確提供其它測量介質(zhì)屬性，以免選型時對電極選型上的錯誤，導(dǎo)致傳感器在后期使用過程中報廢，給客戶帶來不便和經(jīng)濟上的損失。

 智能化轉(zhuǎn)換器具有診斷功能，除了電源和硬件電路故障外，一般應(yīng)用中出現(xiàn)的故障均能正確給出報警信息。這些信息在顯示器右上方提出“！”驚嘆號。在測量狀態(tài)下，通過下鍵翻頁，顯示出故障內(nèi)容如下：
    流量正常勵磁報警空管報警
    故障處理：
    1）儀表無顯示
    a) 檢查電源是否接通；
    b) 檢查電源保險絲是否完好；
    c) 檢查供電電壓是否符合要求；
    d) 檢查顯示器對比度調(diào)節(jié)是否能夠調(diào)節(jié)，并且調(diào)節(jié)是否合適；
    e) 如果上述前3項a)、b)、c)都正常，第項顯示器對比度調(diào)節(jié)不能夠調(diào)節(jié)請將轉(zhuǎn)接器交生產(chǎn)廠維修。
    2）勵磁報警
    a) 勵磁接線EX1和EX2是否開路；
    b) 傳感器勵磁線圈總電阻是否小于150Ω；
    c) 如果a,b 兩項都正常，則轉(zhuǎn)換器有故障。
    3）空管報警
    a) 測量流體是否滿傳感器測量管；
    b) 用導(dǎo)線將轉(zhuǎn)換器信號輸入端子SIG1、SIG2和SIGGND三點短路，此時如果“空管報警”提示取消，說明轉(zhuǎn)換器正常，有可能是被測流體電導(dǎo)率或空管閾值及空管量程設(shè)置錯誤；
    c) 檢查信號連線是否正確；
    d) 檢查傳感器電極是否正常；
    ① 使流量為零，觀察顯示電導(dǎo)比應(yīng)小于100%；
    ② 在有流量的情況下，分別測量端子SIG1和SIG2對SIGGND的電阻應(yīng)小于5k（對介質(zhì)為水測量值。先用指針萬用表測量，并可看到測量過程充放電現(xiàn)象）。

 

    e) 用萬用表測量DS1和DS2之間的直流電壓應(yīng)小于1V，否則說明傳感器電極被污染，應(yīng)給予清洗。
    4）上限報警 上限報警提示出輸出電流和輸出頻率（或脈沖）都超限。將流量量程改大可以，撤消上限報警。
    5）下限報警 下限報警提示出輸出電流和輸出頻率（或脈沖）都超限。將流量量程改小可以，撤消下限報警。