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电容式电磁流量计的去噪问题 流量计技术指标

时间:2020-07-30    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
摘 要: 根据电容式电磁流量计的各个功能将其分块,再逐块介绍和分析在流量计研制过程中遇到的各种噪声问题,进而提出解决方案。具有较强的针对性和实用性。
关键字: 电容式电磁流量计 噪声 解决方案

引言

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制作的流量计,在实际研发中会遇到许多噪声问题。图1列出其每个组成部分可能引入的噪声,这些噪声以不同的形式和方式进入测量系统,成为提高信噪比和测量精度的障碍。本文通过分析传感器前端遇到的噪声的产生机制得出对应的解决方案。


图1噪声形式及分布图

1噪声原理及解决方案

1.1 传感器(电极+转换器)

该部分中流动的信号是未经放大处理的微弱流量信号,也就最容易受到外部因素的干扰,由图1可知它引入的噪声种类较多,在此对这些噪声进行分析并提出相应的解决方案。

在提出噪声及其解决方案之前先对流量信号本身进行讨论,在信号处理中尽可能地提高信噪比是处理的主要目标,但由于励磁功率等因素的限制,在电极处获得的流量信号幅值有限并且十分微弱,而在研制电磁流量计中我们使用了电容式电极(其原 因在后面将有论述),此电极的输出阻抗RC1很高,为106Ω数量级,如管内被测流体为导电率极低的酒精等,则内阻R0可能达到108Ω数量级,进入转换器的电压值为,为使流量信号能够基本不失真地进入信号处理板中,这就要求转换器应具有极高的输入阻抗Zi。我们采用了输入阻抗数量级为1010Ω的自举电路作为转换器,其等效原理图如图2所示。


图2自举电路图

图2中,C1是电极的等效电容;RC1为其阻抗;Vi为流量信号电动势;R0为管内流体内阻。显然,信号失真小于1%,很大程度上保证了流量信号的完整性。

1.1.1杂散噪声

以往的电磁流量计的电极部分是以金属导体的形式与被测液体产生接触的,被测流体流动时与电极部分产生碰撞形成不规则的杂散噪声。使用电容式电磁流量计,电极部分不与被测流体直接接触而是透过管壁与流体的感应电动势产生感应。

如图3中所示,使用导电片为电极附着在测量管道外形成电容式电极,进而管道内表面无任何其他物质,被测流体在管体内畅通无阻,没有杂散噪声产生。


图3流量计电极及布线图

1.1.2正交/同相干扰

又称为微分干扰,是变化的励磁磁场通过被测流体、传感器、转换器和信号放大器组成的回路产生感应电动势,此现象被称为“变压器效应”,其电动势可表示为:

式中:E为次级电动势;B为磁场强度。

为减小正交干扰的幅值需要在制作工艺上下功夫,使图3中D-A-B-C形成的回路平面尽量同励磁磁场平行,进而最大程度的消除正交干扰。因为正交干扰与同相干扰是不随流量而变化的,也可用初值相减的方法去除。

1.1.3励磁电场干扰

由于流量信号很微弱且敏感,易受外部影响,所以离它很近的励磁线圈所产生的励磁电场就成为影响流量信号精度的致命因素,其产生的与励磁电流同形式的电场辐射对传感器部分形成很大的干扰信号,能将流量信号完全湮没。

解决方法是对传感器部分及输出线部分进行整体的接地屏蔽,屏蔽层需完全包裹传感器部分,使屏蔽层内成为一个等势体。因为电极部分获得的流量信号很微弱,其获得的电压容易经分布电容泄漏,所以需在此传输线上加反馈屏蔽,如图4所示。


图4电极输出信号线屏蔽图

1.1.4工频干扰

此干扰来源之一是外部电场,主要是工频电场以串模耦合形式通过被测流体等外部媒介进入系统内部,其次是系统供电电源和励磁信号引入的工频形式的干扰,此工频干扰的特点是幅值远大于流量信号且无处不在并随工作现场的不同其形式如频率、幅值也有所变化。

消除其串模干扰的方法是将被测流体良好接地,使此工频信号成为整个系统的基准电压,整个系统的零电位随串模信号的变化而变化,但其内部的电压是不随其变化的。再就是窄带滤波,去除信号处理板引入的工频噪声。

1.1.5共模/差模干扰

外部干扰电场耦合进入传输线部分,具有混合有共模和差模形式的干扰,此干扰具有不确定性,随时间地点的不同而变化。去除方法是将传感器与放大电路的长连接线以双绞线的方式缠绕,从而减小回路面积以降低差模形式的感应电压。由于传输线间很接近,使得每缠绕两圈分别获得的容性耦合干扰大小相等而极性相反,进而消除了整根双绞线引入的差模干扰,在后期的放大电路中使用运算放大器进行差动放大消除共模干扰。

1.1.6串模干扰

通过地线等途径提高或降低基准电势,使系统的工作电压不稳定。如图5所示为传感器与接收放大器的连接电路。连接传感器和放大器的导线模型化为与电阻Rw1和Rw2串联的理想导体。


图5串模干扰原理图

传感器模型转化为电压源Vs和与它相关的电阻Rs。节点Vg1是传感器这边的局部地,节点Vg2是接收端所在地的局部地。假设放大器的输入端到局部地的电阻等于Ri。两个局部地被电阻为Rg的分布式接地系统的导线连接在一起,因为有电流流进接地节点,所以两个局部地就不可能处在同一电位上,而有Vgd的电势差,则:

说明只要Ri>>(Rs+Rw1),则只将Vgd作为加入到Vs中的误差或干扰信号。

解决办法有两个:1)使用单点接地,断开Vg1处节点与Vs的连线,这样参考地只有一个,Vgd也就无法在系统中形成通路;2)第二个就是像去除共模干扰的方法一样将传感器与放大电路的长连接线以双绞线的方式缠绕并在接收放大器端增加一个差分放大器,通过求差值的方法消除地线引入的干扰。

1.1.7高低频耦合干扰

除上面提到的频率确定或形式确定的干扰外,还有其他的现场干扰进入,譬如现场拥有15Hz以下的低频及1kHz以上的高频,其干扰进入整个测量系统的传输线、导线等部分受到空间电场辐射,导致信号电压扰动,低频部分与处理放大后流量信号处于同一量级,它使工作信号做低频的扰动,容易造成信号溢出,而高频信号幅值较后期流量信号小,但仍会影响采样值的精度。

为此,我们对信号进行较高Q值的窄带滤波,使用二阶压控型有源带通滤波器作为滤波单元,其原理图及频率特性如图6、7所示。


图6二阶带通滤波原理图

其传递函数:

再将图6所示的电路进行四次级联形成八阶带通滤波器,其频率响应如图8所示。

2结束语

本文主要探讨了在研发过程中遇到的各种噪声情况及处理方法,当然电容式电磁流量计所涉及的噪声方面不仅如此,运放的量化误差、采样时的量化误差对测量精度都有影响,还需要对采样后的数据进行线性化等处理并通过控制器对流量结果进行控制、显示。传感器部分的形状、结构和工艺及管体部分材料也需要引起足够的重视。

参考文献
1 王萍,李小京,卢景山1电容式电磁流量转换器的设计J1化工自动化仪表,2003,30(1):63-65
2 何伟,陈廷云,贺昌蓉1智能电磁流量计抗干扰技术的研究J1中国测试技术,2004,30(03)
3 RichardRSpencer,MohammedSGhausi1IntroductiontoElec2 tronicCircuitDesign,ISBN:7505395785200412
4 胡婷,梁原华1电磁流量计几种激磁方式的分析J1哈尔滨理工大学学报,2001(02)
5 李小京1电磁流量计放大滤波电路的设计J1化工自动化及仪表,2000,27(2):50-52



    一、浮子流量计指针抖动

    1、轻微指针抖动:一般由于介质波动引起。可采用增加阻尼的方式来克服。

    2、中度指针抖动:一般由于介质流动状态造成。对于气体一般由于介质操作压力不稳造成。可采用稳压或稳流装置来克服或加大浮子流量计气阻尼。

    3、剧烈指针抖动:主要由于介质脉动,气压不稳或用户给出的气体操作状态的压力、温度、流量与浮子流量计实际的状态不符,有较大差异造成浮子流量计过量程。湿度传感器探头,,不锈钢电热管PT100传感器,,铸铝加热器,加热圈流体电磁阀

    二、浮子流量计指针停到某一位置不动

    主要原因是浮子流量计的浮子卡死。

    一般由于浮子流量计使用时开启阀门过快,使得浮子飞快向上冲击止动器,造成止动器变形而将浮子卡死。但也不排除由于浮子导向杆与止动环不同心,造成浮子卡死。处理时可将仪表拆下,将变形的止动器取下整形,并检查与导向杆是否同心,如不同心可进行校正,然后将浮子装好,手推浮子,感觉浮子上下通畅无阻卡即可,另外,在浮子流量计安装时一定要垂直或水平安装,不能倾斜,否则也容易引起卡表并给测量带来误差。

    三、浮子流量计测量误差大

    1、安装不符合要求

    对于垂直安装浮子流量计要保持垂直,倾角不大于20度

    对于水平安装浮子流量计要保持水平,倾角不大于20度

    浮子流量计周围100mm空间不得有铁磁性物体。

    安装位置要远离阀门变径口、泵出口、工艺管线转弯口等。要保持前5D后250mm直管段的要求。

    2、液体介质的密度变化较大也是引起误差较大的一个原因。由于仪表在标定前,都将介质按用户给出的密度进行换算,换算成标校状态下水的流量进行标定,因此如果介质密度变化较大,会对测量造成很大误差。解决方法可将变化以后的介质密度带入公式,换算成误差修正系数,然后再将流量计测出的流量乘以系数换成真实的流量。

    3、气体介质由于受到温度压力影响较大,建议采用温压补偿的方式来获得真实的流量。

    4、由于长期使用及管道震动等多因素引起浮子流量计传感磁钢、指针、配重、旋转磁钢等活动部件松动,造成误差较大。解决方法:可先用手推指针的方式来验证。首先将指针按在RP位置,看输出是否为4mA,流量显示是否为0%,再依次按照刻度进行验证。若发现不符,可对部件进行位置调整。一般要求专业人员调整,否则会造成位置丢失,需返回厂家进行校正。





涡街流量计的脉冲输出和电流输出

  涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸汽等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。涡街流量计在管道内没有液体流动时,由于管线振动所产生的噪声使接收器反常地计数,这时就应该对仪表进行灵敏度调节。

  1)脉冲输出方式:

  A、信号频率输出:直接实时输出探头检测信号的频率,通常用于仪表标定校准。

  B、校正频率输出:对实时监测信号按照流量系数修正后的输出

  C、频率输出:输出转换后频率,频率值按满度流量输出1000Hz线性计算。

  D、脉冲数出:输出转换后脉冲,脉冲个数按照每个计算周期的累积流量除以脉冲当量计算,最大每个计算周期只允许输出1000个脉冲,如果计算周期内实际脉冲数大于1000个,则自动累计到下一个计算周期输出;最小每个周期只允许输出4个脉冲,如果计算周期内实际脉冲数不足4个脉冲,则自动累计到下一个计算周期输出;输出脉冲的有效电平为高电平。注意:工程师需要根据当前适用对象,设置合适的脉冲当量因子。

  E、上限报警输出—高于设置的报警流量输出报警,报警时输出三极管导通到地为低电平;非报警时输出三极管截止,上拉电阻使端子上为高电平。

  F、下限报警输出—低于设置的报警流量输出报警,报警时输出三极管导通到地为低电平;非报警时输出三极管截止,上拉电阻使端子上为高电平。

  2)电流输出:

  电流输出为线性4-20mA,输出范围为4-22.4mA。

标签: 涡街流量计
涡街流量计 涡街流量计的脉冲输出和电流输出_涡街流量计

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