如何有效提高防爆電磁流量計(jì)使用電磁兼容性的研究分析

防爆電磁流量計(jì)面世至今，其技術(shù)已經(jīng)成熟，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的許多地方都有著廣泛的應(yīng)用，由于防爆電磁流量計(jì)的測量過程不受被測介質(zhì)溫度、黏度、密度等因素影響, 具有測量速度快、精度高、測量口徑寬、輸出線性度好, 與被測介質(zhì)不接觸, 耐腐蝕、抗磨損, 流體壓力損失小等優(yōu)點(diǎn), 因而廣泛應(yīng)用于造紙廠紙漿、助劑、水等流體的測量。不過, 防爆電磁流量計(jì)也有其不足, 傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢很小, 容易受到外界電磁干擾, 而現(xiàn)場情況又都是千差萬別，無法做到每個(gè)測量環(huán)境都能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，因此如何提高防爆電磁流量計(jì)的電磁兼容性, 使其能在惡劣的電磁環(huán)境正常使用是防爆電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)必須考慮的問題。文中以橫河公司的ADMAGAE系列防爆電磁流量計(jì)為例, 結(jié)合筆者的工程實(shí)踐, 介紹有關(guān)防爆電磁流量計(jì)的使用并分析其電磁兼容性(EMC)。介紹利用面板及智能終端進(jìn)行防爆電磁流量計(jì)參數(shù)設(shè)置和組態(tài)的方法, 以及提高防爆電磁流量計(jì)的電磁兼容性技術(shù)。防爆電磁流量計(jì)的干擾源主要包括工頻電磁干擾、流體電化學(xué)干擾噪聲和電源干擾噪聲。目前防爆電磁流量計(jì)主要采用低頻或雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)、同步采樣技術(shù)、輸入保護(hù)、接地技術(shù)等來降低干擾。實(shí)際應(yīng)用表明, 這些技術(shù)有較好的抗干擾效果。
1、防爆電磁流量計(jì)的工作原理
防爆電磁流量計(jì)的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 即當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體在電磁場中運(yùn)動(dòng), 并且運(yùn)動(dòng)方向垂直于電磁場時(shí)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢, 所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向垂直于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)和電磁場運(yùn)動(dòng)的方向, 感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度和磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。當(dāng)導(dǎo)電流體以平均流速V(m/s)通過一根內(nèi)徑為D(m)的管子時(shí), 若管子內(nèi)存在一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B(T)的磁場, 那么就可產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場方向和流體流動(dòng)方向的電動(dòng)勢E:
E = DVB　(V) (1)
容積流量Q為:
Q =πD2 V/4　(m3 / s) (2)
將式(2)代入式(1)并處理得:
E=(4B/πD)×Q　(V) (3)
如果B和D是常數(shù), 那么從式(3)可看出, E與
Q成正比。電磁流量轉(zhuǎn)換器把電動(dòng)勢E放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4 ～ 20 mA的信號(hào)或脈沖信號(hào), 作為對應(yīng)的流量信號(hào)輸出。
2、防爆電磁流量計(jì)的參數(shù)設(shè)置方法及組態(tài)
流量計(jì)的參數(shù)設(shè)置(組態(tài))有兩種方法, 一是利用顯示面板上的按鍵, 二是利用手持智能終端。
2.1　使用面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)定ADMAGAE系列防爆電磁流量計(jì)面板上常用的符號(hào)有:
(1)RED(紅)　正常工作時(shí)不亮, 有報(bào)警時(shí)閃爍;
(2)定義符　定義符用冒號(hào)“:” , 表示所顯示的數(shù)據(jù)正處于待設(shè)定狀態(tài);
(3)單位顯示　顯示流量單位;
(4)顯示數(shù)據(jù)　顯示流量數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)和報(bào)警的種類;
(5)小數(shù)點(diǎn)　表示數(shù)據(jù)中的小數(shù)點(diǎn);
(6)設(shè)定鍵　這些鍵用來改變數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定數(shù)據(jù)的類型。數(shù)據(jù)顯示類型共有3 種:流量數(shù)據(jù)顯示模式、設(shè)定模式、報(bào)警顯示模式。
2.1.1　流量數(shù)據(jù)顯示模式
流量數(shù)據(jù)顯示模式表示的是瞬時(shí)流量值和累積流量值, ADMAGAE可顯示12種類型的流量數(shù)據(jù)。進(jìn)入流量顯示模式用“d1”參數(shù)來改變顯示項(xiàng), 詳細(xì)設(shè)定可參考流量計(jì)用戶手冊。
2.1.2　設(shè)定模式
設(shè)定模式用來檢查參數(shù)內(nèi)容和重寫數(shù)據(jù)。只要按下“SET”鍵, 可將該模式從正常的操作模式中調(diào)出。
2.1.3　報(bào)警顯示模式
當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí), 報(bào)警模式就會(huì)取代當(dāng)前模式來顯示發(fā)生報(bào)警的類型, 但是這種情況只是發(fā)生在當(dāng)前流量顯示模式或設(shè)定模式中參數(shù)號(hào)被改變時(shí)(當(dāng)正在該部數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí), 不顯示報(bào)警)。
2.2　BT智能終端設(shè)定
具有智能通信功能的儀表可與智能終端通信。橫河的智能終端有BT100、BT200 等型號(hào), 簡稱BT智能終端, 它們采用BRAIN協(xié)議, 將1個(gè)±2 mA、2.4 kHz的調(diào)制信號(hào)迭加到4 ～ 20 mA的模擬信號(hào)上用作信號(hào)傳輸。由于調(diào)制信號(hào)是交流信號(hào), 所以迭加不會(huì)影響模擬信號(hào)的數(shù)值。
BT智能終端與流量計(jì)的連接有兩種方式:一是直接與流量計(jì)端蓋下面的BT端子相連, 這種方式適用于現(xiàn)場調(diào)試或流量計(jì)不具備智能通信功能的情況;二是與4 ～ 20 mA直流信號(hào)線連接, BT智能終端可以連接在從控制柜到流量計(jì)信號(hào)線的任何位置,*大距離可達(dá)2 km, 只要保證整個(gè)回路的負(fù)載電阻在250 ～ 750 Ψ之間, 就可以可靠地通信。這種方式操作者不必去現(xiàn)場, 在控制室就可對流量計(jì)進(jìn)行設(shè)置和在線監(jiān)測, 是使用*多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作, 可以**顯示和修改防爆電磁流量計(jì)的各種參數(shù), 其基本的操作有流量計(jì)自檢、量程調(diào)整、顯示方式設(shè)置、報(bào)警設(shè)置等。
2.3　防爆電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定與組態(tài)
防爆電磁流量計(jì)是根據(jù)與流體流速相對應(yīng)的微小電動(dòng)勢計(jì)算出體積流量并輸出4 ～ 20 mA的信號(hào)。為保證獲得正確的信號(hào), 必須設(shè)定通徑、流量量程和儀表系數(shù)3個(gè)參數(shù), 這3個(gè)參數(shù)中, 通徑和儀表系數(shù)早在儀表出廠前就設(shè)定好的, 因此用戶不能設(shè)定這兩個(gè)參數(shù)。用戶也可以在儀表出廠前將流量量程設(shè)定好, 這種設(shè)定只有在用戶要求改變量程時(shí)才可進(jìn)行重新設(shè)定。
3、電磁兼容性分析
防爆電磁流量計(jì)的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 產(chǎn)生的正比于被測流量的感應(yīng)電動(dòng)勢通常很小, *易受到外界電磁干擾, 而它本身產(chǎn)生的電磁干擾很小,因此防爆電磁流量計(jì)的電磁兼容性主要體現(xiàn)在它如何在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作。在惡劣的電磁環(huán)境下, 電磁耦合靜電感應(yīng)是防爆電磁流量計(jì)干擾噪聲的主要來源;被測流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是防爆電磁流量計(jì)干擾噪聲的*二來源;防爆電磁流量計(jì)供電電源的電壓和頻率波動(dòng)等電源干擾噪聲是防爆電磁流量計(jì)干擾噪聲的*三來源。為滿足儀表的EMC要求, 智能防爆電磁流量計(jì)分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù) , 以提高防爆電磁流量計(jì)抗干擾能力。
3.1　工頻干擾噪聲的特點(diǎn)及防爆電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)
工頻干擾噪聲*先是由防爆電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電磁耦合形成, 其二是防爆電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場的工頻共模干擾, 其三是供電電源引入的工頻串模干擾等, 其產(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。
防爆電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對防爆電磁流量計(jì)工作影響*大, 而且在不同的勵(lì)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。在工頻正弦波勵(lì)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, 又稱為變壓器電勢, 特點(diǎn)是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵(lì)磁頻率成正比, 相位滯后流量信號(hào)電勢90°, 且幅值較流量信號(hào)電勢大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。直流勵(lì)磁、低頻矩形波勵(lì)磁及雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù), 可以基本消除正交干擾的影響。工頻共模干擾和工頻串模干擾這兩種常見的干擾, 主要是由于電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合, 防爆電磁流量計(jì)接地不良等原因而產(chǎn)生, 防爆電磁流量計(jì)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)等提高抗工頻干擾的能力。ADMAGAE系列防爆電磁流量計(jì)配有接地環(huán), 其作用是通過與液體接觸, 建立液體接地, 確?；鶞?zhǔn)電位與被測液體相同, 并且保護(hù)流量計(jì)內(nèi)襯。
3.2　電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)及防爆電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)
3.2.1　電化學(xué)干擾噪聲的特點(diǎn)
(1)電化學(xué)*化電勢干擾是由于電*感生電動(dòng)勢在兩**性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電*表面*化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場能顯著減弱*化電勢的數(shù)量級(jí), 但不能從根本上完全消除*化電勢干擾。
(2)泥漿干擾是在測量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí), 固體顆?；蛘邭馀莶吝^電*表面時(shí), 電*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(hào)出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。
(3)流體流動(dòng)噪聲是在測量低導(dǎo)率液體(100μS/cm以下)流量時(shí), 電*的電化學(xué)電勢定期波動(dòng),產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機(jī)干擾噪聲, 具有類似泥漿干擾的1 /f頻譜特性。
3.2.2　防爆電磁流量計(jì)抗電化學(xué)干擾技術(shù)
防爆電磁流量計(jì)在提高抗電化學(xué)干擾能力方面采取的措施主要是低頻矩形波勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁技術(shù)。低頻矩形波勵(lì)磁既具有直流勵(lì)磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、變壓器效應(yīng)(正交干擾)的特點(diǎn), 又具有工頻正弦波勵(lì)磁基本不產(chǎn)生*化效應(yīng), 便于放大信號(hào)處理,而能避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問題的產(chǎn)生, 有較好的抗干擾性能。
低頻矩形波勵(lì)磁雖然具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性,但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)無法克服泥漿干擾和流體噪聲干擾。研究分析表明, 泥漿干擾和流動(dòng)噪聲具有1 /f的頻譜特征。低頻時(shí)幅值大, 高頻時(shí)幅值小, 如果采用較高頻率的低頻矩形波勵(lì)磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級(jí)。因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動(dòng)噪聲, 提高傳感器輸出信號(hào)的信噪比。
綜上所述, 要保證防爆電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性, *好采用低頻矩形波勵(lì)磁;為了能較準(zhǔn)確地測量液固兩相導(dǎo)電性流體和低導(dǎo)電率流體的流量, 又必須采用較高頻率的矩形波勵(lì)磁。采用圖1所示的雙頻矩形波勵(lì)磁的方法是*佳方案。
3.2.3　雙頻矩形波勵(lì)磁工作及抗干擾原理
在防爆電磁流量計(jì)測量管內(nèi)形成含有兩個(gè)頻率分量的電磁場:高頻勵(lì)磁分量不受液體干擾的影響, 而低頻勵(lì)磁分量則有著*好的零點(diǎn)穩(wěn)定性, 根據(jù)高、低頻定時(shí)檢測到的各分量信號(hào)經(jīng)過計(jì)算, 便可得到流量信號(hào)。
雙頻矩形波勵(lì)磁測量原理如圖1所示,
一個(gè)由高低頻分量迭加而成的電磁場通過勵(lì)磁線圈被施加到被測液體中, 勵(lì)磁波形是在一個(gè)低頻矩形波上迭加一個(gè)高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產(chǎn)生的電動(dòng)勢中, 低頻分量通過一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的積分電路獲得一個(gè)零點(diǎn)穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號(hào)。而由漿液或低電導(dǎo)率流體產(chǎn)生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所抑制, 有著同樣時(shí)間常數(shù)的流量信號(hào)經(jīng)過一個(gè)差分電路以確定流速信號(hào)的變化, 把這兩種不同頻率采樣所得的信號(hào)結(jié)合起來可獲得一個(gè)穩(wěn)定流速信號(hào), 該信號(hào)不受噪聲干擾, 且有較高的零點(diǎn)穩(wěn)定性。

圖1雙頻矩形波勵(lì)磁測量原理圖
3.3　電源干擾噪聲特點(diǎn)及防爆電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)

圖2基本信號(hào)關(guān)系
防爆電磁流量計(jì)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(huì)給防爆電磁流量計(jì)帶來電源性干擾噪聲。對電源電壓的幅值變化, 因采用多級(jí)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(dòng)時(shí), 雖然其波動(dòng)范圍有限, 但對防爆電磁流量計(jì)測量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題, 實(shí)現(xiàn)對流體流速感應(yīng)電勢eab信號(hào)的準(zhǔn)確測量, 需利用以下基本關(guān)系:①勵(lì)磁周期為工頻周期的整數(shù)倍, 即勵(lì)磁頻率為50/nHz(n為偶數(shù));②正負(fù)勵(lì)磁下的同相位采樣。圖2是對應(yīng)低頻矩形波勵(lì)磁形式下的典型電勢信號(hào)形式, 按上述關(guān)系在一個(gè)勵(lì)磁周期下, 若假設(shè)t1 和t2 點(diǎn)為工頻干擾的等效干擾點(diǎn), 且采樣寬度T=T1 =T2 , 則eab的基本算式為:
μ0 (t2)=1
2T ∫t1
+T1 t1
e(t1 )dt-∫t2
+T2 t2
e(t2 )dt=eab (4)
式(4)從理論上說明防爆電磁流量計(jì)的工頻干擾有可克服的途徑, 即同步采樣技術(shù), 其方法是以同相位(t1=t2 )、同寬度采樣(T1 =T2 =T)為前提的, 采樣頻率要選為工頻周期的整數(shù)倍。這樣即使混有干擾信號(hào), 因其采樣時(shí)間為完整的工頻周期, 其平均值也為零, 干擾電壓不起作用。
4、防爆電磁流量計(jì)選型
4.1　防爆電磁流量計(jì)選型的一般原則
(1)被測介質(zhì)是否為導(dǎo)電液體或漿液, 由此決定是否選用防爆電磁流量計(jì);
(2)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率決定防爆電磁流量計(jì)的類型———是高電導(dǎo)率還是低電導(dǎo)率;
(3)工藝要求的*大、*小和常用流量工藝管道的公稱通徑, 決定介質(zhì)的流速是否處在較經(jīng)濟(jì)的流速點(diǎn)上, 管道是否需要變徑, *后確定流量計(jì)的口徑;
(4)以工藝管道的布置情況, 來確定采用一體型還是分體型流量計(jì), 以及流量計(jì)的防護(hù)等級(jí)等;
(5)根據(jù)被測介質(zhì)是否易結(jié)晶、結(jié)疤來選擇電*型式;
(6)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性來選擇電*材料;
(7)被測介質(zhì)的腐蝕性、磨損性及溫度來決定采用何種襯里材料;
(8)被測介質(zhì)的*高工作壓力決定流量計(jì)的公稱壓力;
(9)工藝管道的絕緣性決定接地環(huán)的型式。
4.2　根據(jù)防爆電磁流量計(jì)勵(lì)磁方式的的特點(diǎn)選型
(1)直流勵(lì)磁型
這種防爆電磁流量計(jì)數(shù)量很少, 只用于測量液態(tài)金屬流量, 如常溫下的汞和高溫下的液態(tài)鈉、鉀等。
(2)交流工頻勵(lì)磁型
較早期的防爆電磁流量計(jì)用50 Hz工頻市電勵(lì)磁,由于易受電磁干擾和零點(diǎn)漂移等原因, 現(xiàn)已逐漸被低頻矩形勵(lì)磁所代替。但在測量泥漿、礦漿等液固兩相流時(shí), 低頻矩形波勵(lì)磁方式不能克服固體擦過電*表面產(chǎn)生的尖峰噪聲, 而工頻交流勵(lì)磁的儀表則不存在這一缺點(diǎn), 所以國內(nèi)外尚有一些防爆電磁流量計(jì)仍采用交流工頻勵(lì)磁方式。
(3)低頻矩形波勵(lì)磁型
由于低頻矩形波勵(lì)磁方式功耗小, 零點(diǎn)穩(wěn)定性好, 所以它是目前防爆電磁流量計(jì)的主要?jiǎng)?lì)磁方式。其波形有“正-負(fù)”二值和“正-零-負(fù)-零”三值兩種。有的防爆電磁流量計(jì)勵(lì)磁頻率可以由用戶設(shè)定, 一般小口徑儀表用較高頻率, 大口徑儀表用較低頻率。
(4)雙頻勵(lì)磁型勵(lì)磁電流的波形是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波, 主要為克服二值矩形波勵(lì)磁存在的漿液噪聲和流動(dòng)噪聲, 提高儀表的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性, 因此廣泛用于制漿造紙及污水處理等行業(yè)。
5、結(jié)束語
通過上面分析可知, 防爆電磁流量計(jì)具有測量精度高、速度快、使用方便, 測量范圍廣、口徑寬等諸多優(yōu)點(diǎn), 但同時(shí)也存在著測量輸出信號(hào)易受工頻電磁干擾, 流體電化學(xué)噪聲及電源頻率變化影響的缺點(diǎn)。不同勵(lì)磁方式的防爆電磁流量計(jì)具有不同的抗干擾技術(shù)和應(yīng)用范圍。正確了解各種勵(lì)磁技術(shù)的特點(diǎn)和不同防爆電磁流量計(jì)的技術(shù)原理是正確使用防爆電磁流量計(jì)的前提。