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，從而根據各種干擾噪聲的特性采用相應的抗干擾對策，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場(chǎng)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*大，而且在不同的勵磁技術(shù)下其表現的形態(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)


下此工頻干擾噪聲的特性。在工頻正弦波勵磁磁場(chǎng)下，此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現形式為正交干擾（見(jiàn)圖1b），又稱(chēng)為變壓器電勢，其特點(diǎn)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(gè)數量級。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形式為微分干擾（見(jiàn)圖1c），其波形為脈沖波形，其中幅值和磁通變化率成正比，且按指數規律衰減，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(shí)產(chǎn)生，而在磁通恒定時(shí)，下一個(gè)磁通發(fā)生變化之前不會(huì )產(chǎn)生微分干擾，具有時(shí)段性。
針對工頻正弦波勵磁下的正交干擾噪聲，采用復雜的自動(dòng)正交抑制系統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(gè)數量級正交抑制電子電路的任何不完善都將導致一部分正交干擾轉換成同相干擾，使工頻正弦波勵磁電磁流量計零點(diǎn)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(shí)段時(shí)，利用同步采樣技術(shù)在磁場(chǎng)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(shí)間間隔；也可以采用程控增益技術(shù)使微分干擾時(shí)段增益為Odb，而恒磁通時(shí)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(jiàn)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**等原因產(chǎn)生，采用輸入保護技術(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(dòng)勢在兩極極性不同而導致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負交變勵磁磁場(chǎng)能顯著(zhù)減弱極化電勢的數量級，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，數量級不大等特點(diǎn)，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），設計*佳的電極形狀的尺寸是減小極化電勢的有效方法之一；另外采用正負兩極**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。

泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等液固兩相導電性流體流量時(shí)，固體顆?；蛘邭馀莶吝^(guò)電極表面時(shí)，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尖峰脈沖狀干擾噪聲如圖3所示。在勵磁頻率較低時(shí)，泥漿干擾的數量級較大，高頻時(shí)干擾數量級較小，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(huì )犧牲電磁流量計的零點(diǎn)穩定性。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(huì )犧牲儀表的響應速度。
流體流動(dòng)噪聲是在測量低導率液體（100vs/cm以下）流體流量時(shí)，電極的電化學(xué)電勢定期波動(dòng)，產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲，具有類(lèi)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(dòng)噪聲的數量級，以提高電磁流量傳感器測量低導電率流體流量的信噪比。

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(huì )給電磁流量計帶來(lái)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的測量精度影響不大。當電源電壓的頻率波動(dòng)時(shí)，雖然其波動(dòng)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。當供電電源頻率波動(dòng)時(shí)，流量信號采樣時(shí)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，必須采用相應的頻率補償技術(shù)，使勵磁電流、采樣脈沖，A/D轉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(dòng)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(gè)抗干擾能力，提高電磁流量計的測量精度和可靠性。

2 前置放大器的設計是提高抗干擾能力的首要環(huán)節

電磁流量傳感器輸出流信號十分微弱，內阻抗較高，因此高輸出入阻抗、低漂移、低噪聲、高CRMM前置放大器才能滿(mǎn)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(diǎn)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(dòng)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(dòng)補償是保證頻率的動(dòng)態(tài)波動(dòng)中，勵磁電源和采樣脈沖得以同步調整，真正實(shí)現同步采樣技術(shù)和同步勵磁技術(shù)，同步A/D轉換，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(gè)硬件采用74HC系列芯片，不僅降低整個(gè)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。

5 微處理器系統電源電壓監視技術(shù)

智能電磁流量計中微處理器系統當電源瞬態(tài)欠壓，勵磁開(kāi)關(guān)脈沖動(dòng)作都會(huì )造成微處理器誤動(dòng)作，數據丟失等現象，因此必須采用可靠的復位電路和電源電壓監視技術(shù)。*簡(jiǎn)單實(shí)用的方法是采用低成本電源配合高靈敏度的電源電壓監視器，提高微處理器系統和抗干擾能力。如圖4所示微處理器電壓監視器，其采用TL7705CP電源電壓監視器芯片，具有電源加電、電源瞬時(shí)欠壓均能產(chǎn)生可靠的復位信號。

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，組成完善的應用程序。
1 數字濾波技術(shù)

數字濾波技術(shù)是智能儀器中*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、數字電路毛刺干擾消除、A/D轉換器的抗工頻能力以及輸入微處理器數字的可靠性問(wèn)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(dòng)轉換問(wèn)題，同時(shí)利用增益控制方法有效削弱微分干擾峰值使放大器過(guò)載的問(wèn)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)是采用軟件容錯設計，極大地提高硬件系統的可靠性，從而提高整個(gè)智能電磁流量計的抗干擾能力。具體包括CPU自診斷，定時(shí)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(wèn)題，當干擾噪聲沒(méi)有作用到微處理器本身時(shí)，微處理器仍然正確無(wú)誤地執行各種抗干擾軟件，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，當干擾噪聲通過(guò)三總線(xiàn)等作用到微處理器本身，CPU將不能按正常狀態(tài)執行程序，導致智能電磁流量計整個(gè)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。多種復位方式解決失控的CPU*簡(jiǎn)單的方法，掉電保護技術(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 程序運行監視系統（WATCHDOG）
智能電磁流量計采用程序運行監視系統以監視微處理器執行應用程序的狀況，當程序正彈到一個(gè)臨時(shí)構成的死循環(huán)中時(shí)看門(mén)狗能及時(shí)發(fā)并強迫系統復位，擺脫死循環(huán)狀態(tài)，圖5所示是由硬件和軟件配合構成的程序運行監視器。
 

 

六 結 束 語(yǔ)

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(shí)現了電磁流量計小型輕量一體化智能化，而且推動(dòng)了電磁流量計的廣泛應用，開(kāi)拓了電磁流量計的潛在市場(chǎng)

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