智能电磁流量计抗干扰技术

摘要:本文简要阐述了几种电磁流量计(EMF)的抗干扰技术。同时,讨论了电磁流量计三类干扰噪声产生的物理机理和特征。研究了矩形波励磁型智能电磁流量计的硬件和软件抗干扰技术,为实现智能电磁流量计的高精度、高可靠性、高抗干扰能力奠定了坚实的技术基础。
1概述
电磁流量计是基于导电性流体在磁场中运动所产生的感应电势来推算流体流量的测量仪表,其基本工作原理是电磁感应定律。因此电磁耦合静电感应是电磁流量计干扰噪声的首要来源;被测流体介质特性产生的电化学干扰噪声是电磁流量计干扰噪声的第二来源;电磁流量计供电电源的电压和频率波动等电源干扰噪声是电磁流量计干扰噪声的第三来源。以上三类干扰噪声的来源、机理、特性不同。对电磁流量计的影响方式不同,相应采用的抗干扰措施也不同。本文结合双频矩形波励磁智能电磁流量计的研究工作,着重就智能电磁流量计抗干扰技术加以探讨,提出一些抗干扰的对策,以供智能仪器研究设计参考。
2电磁流量计干扰噪声的物理机理、特性及其对策
为了对电磁流量计抗干扰技术加以探讨,首先必须对电磁流量计干扰噪声产生的物理机理和特性加以分析研究,从而根据各种干扰噪声的特性采用相应的抗干扰对策,以提高电磁流量计抗干扰的能力。
2.1工频干扰噪声
工频干扰噪声是由电磁流量传感器励磁绕组和流体、电极、放大器输入回路的电磁耦合,其二是电磁流量计工作现场的工频共模干扰,其三是供电电源引入的工频串模干扰等,其产生的物理机理均是电磁感应原理。首先就电磁流量传感器励磁绕组和流体、电极、放大器输入回路的电磁耦合产生的工频干扰对电磁流量计工作影响最大,而且在不同的励磁技术下其表现的形态、特性不同,因而采取抗干扰措施也不同,电磁流量传感器原理见图1(a)。在工频正弦波励磁磁场下,此种电磁耦合工频干扰噪声表现形式为正交干扰(见图1b),又称为变压器电势,其特点是干扰噪声幅值和工频正弦波励磁频率成正比,相位滞后流量信号电势90°,且幅值较流量信号电势大几个数量级。

　　对于工频共模干扰和工频串模干扰是常见的干扰,主要是由于电磁屏蔽缺陷、分布电容耦合、电磁流量计接地不良等原因产生,采用输入保护技术、高输入阻抗、高共模抑制比自举前置放大器技术以及重复接地技术,工频宽脉冲同步采样技术等提高抗工频干扰的能力。
2.2流体介质特性产生的电化学干扰噪声
(a)电化学极化电势干扰是由于电极感生电动势在两极极性不同而导致电解质在电极表面极化产生。虽然采用正负交变励磁磁场能显著减弱极化电势的数量级,但不能根本上完全消除极化电势干扰。
(b)泥浆干扰是在测量泥浆、纤维浆等液固两相导电性流体流量时,固体颗粒或者气泡擦过电极表面时,电极表面的接触电化学电势突然变化,电磁流量传感器输出信号出现尖峰脉冲状干扰噪声。
(c)流体流动噪声是在测量低导率液体(100vs cm以下)流体流量时,电极的电化学电势定期波动,产生随流量增加而频率增加的随机干扰噪声,具有类似泥浆干扰的1 f频谱特性,因此提高励磁频率有助于降低流体流动噪声的数量级,以提高电磁流量传感器测量低导电率流体流量的信噪比。
2.3供电电源性干扰
电磁流量计一般都采用工频交流电源供电,其电源电压的幅值和频率的变化都会给电磁流量计带来电源性干扰噪声。对电源电压的幅值变化,因采用多级集成稳压,一般而言电源电压的幅值变化对电磁流量的测量精度影响不大。当电源电压的频率波动时,虽然其波动范围有限,但对电磁流量计测量精度影响较大。
3智能电磁流量计硬件抗干扰技术
综合上述电磁流量计干扰噪声产生的物理和特性分析,智能电磁流量计分别采用硬件和软件干扰技术,以提高电磁流量计抗干扰能力。
3.1新型励磁技术是提高电磁流量计抗干扰能力的重要手段
电磁流量计励磁技术的发展,不仅减弱电极极化电势、泥浆干扰、流动噪声的影响,又能改变工频干扰的形态,便于同步采样技术处理工频干扰噪声,以避免工频干扰的影响。目前电磁流量传感器采用工频频率同步三值低频矩形励磁和双频矩形波励磁,从而提高电磁流量计整个抗干扰能力,提高电磁流量计的测量精度和可靠性。
3.2前置放大器的设计是提高抗干扰能力的首要环节
电磁流量传感器输出流信号十分微弱,内阻抗较高,因此高输入阻抗、低漂移、低噪声、高CRMM前置放大器才能满足抗同相共模干扰的要求。前置放大器采用JFET高输入阻抗电压缓冲器,低漂移低噪声减法器,精密电阻精心匹配组成仪用放大器,并采用输入保护技术,共模电压自举技术和接地技术大大提高抗共模干扰的能力,抑制零点漂移的影响。

3.3同步采样的频率补偿技术
同步采样和工频电源频率监视补偿技术,是提高抗流量信号电势中混入工频干扰和工频电源频率波动产生工频干扰能力的有效方法。同步采样技术,其采样脉宽为工频周期的整数倍,使流量信号电势中工频干扰平均值等于零,以消除工频干扰的影响;工频电源的频率波动补偿是保证频率的动态波动中,励磁电源和采样脉冲得以同步调整,真正实现同步采样技术和同步励磁技术,同步A D转换,以降低工频干扰的影响。
3.4采用新型HCMOS系列芯片技术
采用74HC系列芯片技术较采用74LS系列芯片其低噪声容限提高2.4倍,高燥声容限提高2.1倍,智能电磁流量计整个硬件采用74HC系列芯片,不仅降低整个功耗,而且提高元器件本身抗干扰能力,为电磁流量计小型轻量一体化奠定了基础。
3.5微处理器系统电源电压监视技术
智能电磁流量计中微处理器系统当电源瞬态欠压,励磁开关脉冲动作都会造成微处理器误动作,数据丢失等现象,因此必须采用可靠的复位电路和电源电压监视技术。最简单实用的方法是采用低成本电源配合高灵敏度的电源电压监视器,提高微处理器系统和抗干扰能力。如图2所示微处理器电压监视器,其采用TL7705CP电源电压监视器芯片,具有电源加电、电源瞬时欠压均能产生可靠的复位信号。
4智能电磁流量计软件抗干扰技术
智能电磁流量计固化在EPROM中的软件配合硬件除完成智能电磁流量计的正常功能外,必须具备较强的抗干扰能力和容错能力,组成完善的应用程序。
4.1数字滤波技术
数字滤波技术是智能仪器中最常采用的技术,能够完成模拟滤波器不能完成的功能,很容易解决脉冲干扰剔除、数字电路毛刺干扰消除、A D转换器的抗工频能力以及输入微处理器数字的可靠性问题。
4.2程控放大器技术
程控放大器技术即解决电磁流量计量程自动转换问题,同时利用增益控制方法有效削弱微分干扰峰值使放大器过载的问题,便于流量信号电势处理,提高抗微分干扰的能力。
4.3微处理器硬件故障自诊断技术
微处理器硬件故障自诊断技术是采用软件容错设计,极大地提高硬件系统的可靠性,从而提高整个智能电磁流量计的抗干扰能力。具体包括CPU自诊断,定时器诊断,中断功能诊断,RAM诊断,A D通道诊断和校正,D A通道诊断,数字I O口通道的诊断等部分,涉及到智能电磁流量计的关键部件。
4.4微处理器抗干扰技术
上述各种抗干扰措施是解决输入、输出通道中的各种干扰问题,当干扰噪声没有作用到微处理器本身时,微处理器仍然正确无误地执行各种抗干扰软件,消除或者削弱干扰噪声对电磁流量计输入输出通路的影响,当干扰噪声通过三总线等作用到微处理器本身,CPU将不能按正常状态执行程序,导致智能电磁流量计整个工作混乱,为了提高微处理器自身的抗干扰能力采用硬件和软件相配合的多种抗干扰措施。多种复位方式解决失控的CPU最简单的方法,掉电保护技术,软件指令冗余措施,软件陷阱抗干扰方法也是排除智能电磁流量计微处理器失控的有效方法。
4.5程序运行监视系统(WATCHDOG)
智能电磁流量计采用程序运行监视系统以监视微处理器执行应用程序的状况,当程序正弹到一个临时构成的死循环中时看门狗能及时发并强迫系统复位,摆脱死循环状态,图3所示是由硬件和软件配合构成的程序运行监视器。
5结束语
智能电磁流量计多种抗干扰技术的采用,使电磁流量计抗干扰能力增强,精度和可靠性提高,不仅实现了电磁流量计小型轻量一体化智能化,而且推动了电磁流量计的广泛应用,开拓了电磁流量计的潜在市场。