電磁流量傳感器如何抵抗電磁環境的干擾

電磁流量傳感器的工作以電磁感應定律為基礎，產生的正比于被測流量的感應電動勢通常很小，極易受到外界電磁干擾，而它本身產生的電磁干擾很小，因此電磁流量傳感器的電磁兼容性主要體現在它如何在惡劣的電磁環境下正常工作。在惡劣的電磁環境下，電磁耦合靜電感應是電磁流量傳感器干擾噪聲的主要來源；被測流體介質特性產生的電化學干擾噪聲是電磁流量傳感器干擾噪聲的第二來源；電磁流量傳感器供電電源的電壓和頻率波動等電源干擾噪聲是電磁流量傳感器干擾噪聲的第三來源。為滿足儀表的EMC要求，智能電磁流量傳感器分別采用硬件和軟件抗干擾技術，以提高傳感器抗干擾能力。
工頻干擾噪聲的特點及電磁流量傳感器抗干擾技術
    工頻干擾噪聲首先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形成，其二是電磁流量傳感器工作現場的工頻共模干擾，其三是供電電源引入的工頻串模干擾等，其產生的物理機理均是電磁感應原理。
    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生的工頻干擾對電磁流量傳感器工作影響最大，而且在不同的勵磁技術下其表現的形態、特性不同，因而采取抗干擾措施也不同。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形式為正交干擾，又稱為變壓器電勢，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90°，且幅值較流量信號電勢大幾個數量級[2]。直流勵磁、低頻矩形波勵磁及雙頻矩形波勵磁技術，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，電磁流量傳感器接地不良等原因而產生，電磁流量傳感器采用輸入保護技術、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術以及重復接地技術等提高抗工頻干擾的能力。ADMAGAE系列電磁流量傳感器配有接地環，其作用是通過與液體接觸，建立液體接地，確保基準電位與被測液體相同，并且保護流量傳感器內襯。
電化學干擾噪聲的特點及電磁流量傳感器抗干擾技術
    1、電化學干擾噪聲的特點
    (1)電化學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致電解質在電極表面極化產生。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，但不能從根本上wan全消除極化電勢干擾。
    (2)泥漿干擾是在測量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干擾噪聲。
    (3)流體流動噪聲是在測量低導率液體(100μS/cm以下)流量時，電極的電化學電勢定期波動，產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。
    2、電磁流量傳感器抗電化學干擾技術
電磁流量傳感器在提高抗電化學干擾能力方面采取的措施主要是低頻矩形波勵磁和雙頻勵磁技術。低頻矩形波勵磁既具有直流勵磁技術不產生渦流效應、變壓器效應(正交干擾)的特點，又具有工頻正弦波勵磁基本不產生極化效應，便于放大信號處理，而能避免直流放大器零點漂移、噪聲、穩定性等問題的產生，有較好的抗干擾性能。低頻矩形波勵磁雖然具有優良的零點穩定性，但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導電性流體流量時無法克服泥漿干擾和流體噪聲干擾。研究分析表明，泥漿干擾和流動噪聲具有1/f的頻譜特征。低頻時幅值大，高頻時幅值小，如果采用較高頻率的低頻矩形波勵磁則能大大降低泥漿干擾的數量級。因此提高勵磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動噪聲，提高傳感器輸出信號的信噪比。
綜上所述，要保證電磁流量傳感器的零點穩定性，最好采用低頻矩形波勵磁；為了能較準確地測量液固兩相導電性流體和低導電率流體的流量，又必須采用較高頻率的矩形波勵磁。采用圖1所示的雙頻矩形波勵磁的方法是最佳方案。
    3、雙頻矩形波勵磁工作及抗干擾原理
在電磁流量傳感器測量管內形成含有兩個頻率分量的電磁場：高頻勵磁分量不受液體干擾的影響，而低頻勵磁分量則有著ji好的零點穩定性，根據高、低頻定時檢測到的各分量信號經過計算，便可得到流量信號。
    雙頻矩形波勵磁是一個由高低頻分量迭加而成的電磁場通過勵磁線圈被施加到被測液體中，勵磁波形是在一個低頻矩形波上迭加一個高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產生的電動勢中，低頻分量通過一個大時間常數的積分電路獲得一個零點穩定性好的平穩流量信號。而由漿液或低電導率流體產生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所抑制，有著同樣時間常數的流量信號經過一個差分電路以確定流速信號的變化，把這兩種不同頻率采樣所得的信號結合起來可獲得一個穩定流速信號，該信號不受噪聲干擾，且有較高的零點穩定性。
電源干擾噪聲特點及電磁流量傳感器抗干擾技術
    電磁流量傳感器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傳感器帶來電源性干擾噪聲。對電源電壓的幅值變化，因采用多級集成穩壓，一般而言電源電壓的幅值變化對電磁流量傳感器的測量精度影響不大。當電源電壓的頻率波動時，雖然其波動范圍有限，但對電磁流量傳感器測量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題，實現對流體流速感應電勢eab信號的準確測量，需利用以下基本關系：①勵磁周期為工頻周期的整數倍，即勵磁頻率為50/nHz(n為偶數)；②正負勵磁下的同相位采樣。這樣電磁流量傳感器的工頻干擾就有了可以克服的途徑，采用同步采樣技術，采樣頻率為工頻周期的整數倍。這樣即使混有干擾信號，因其采樣時間為完整的工頻周期，其平均值也為零，干擾電壓不起作用。