如何有效提高BURKERT寶德流量計(jì)使用電磁兼容性的研究分析
    由于BURKERT寶德流量計(jì)的測(cè)量過(guò)程不受被測(cè)介質(zhì)溫度、黏度、密度等因素影響, 具有測(cè)量速度快、精度高、測(cè)量口徑寬、輸出線性度, 與被測(cè)介質(zhì)不接觸, 耐腐蝕、抗磨損, 流體壓力損失小等, 因而廣泛應(yīng)用于造紙廠紙漿、助劑、水等流體的測(cè)量。不過(guò), 電磁流量計(jì)也有其不足, 傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小, 容易受到外界電磁干擾, 而現(xiàn)場(chǎng)情況又都是千差萬(wàn)別，無(wú)法做到每個(gè)測(cè)量環(huán)境都能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，因此如何提高電磁流量計(jì)的電磁兼容性, 使其能在惡劣的電磁環(huán)境正常使用是電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。文中以橫河公司的ADMAGAE系列電磁流量計(jì)為例, 結(jié)合筆者的工程實(shí)踐, 介紹有關(guān)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)行電磁流量計(jì)參數(shù)設(shè)置和組態(tài)的方法, 以及提高電磁流量計(jì)的電磁兼容性技術(shù)。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(lái)降低干擾。實(shí)際應(yīng)用表明, 這些技術(shù)有較的抗干擾效果。
    1　BURKERT寶德流量計(jì)的工作原理
    BURKERT寶德流量計(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(chǎng)中運(yùn)動(dòng), 并且運(yùn)動(dòng)方向垂直于電磁場(chǎng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向垂直于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)和電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方向, 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度和磁場(chǎng)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(guò)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(chǎng), 那么就可產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場(chǎng)方向和流體流動(dòng)方向的電動(dòng)勢(shì)E:
    (6)設(shè)定鍵　這些鍵用來(lái)改變數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定數(shù)據(jù)的類(lèi)型。數(shù)據(jù)顯示類(lèi)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(lèi)型的流量數(shù)據(jù)。進(jìn)入流量顯示模式用“d1”參數(shù)來(lái)改變顯示項(xiàng), 詳細(xì)設(shè)定可參考流量計(jì)用戶手冊(cè)。
    2.1.2　設(shè)定模式
    設(shè)定模式用來(lái)檢查參數(shù)內(nèi)容和重寫(xiě)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(lái)顯示發(fā)生報(bào)警的類(lèi)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(jiǎn)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(chǎng)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, 只要整個(gè)回路的負(fù)載電阻在250 ～ 750 Ψ之間, 就可以地通信。這種方式操作者不必去現(xiàn)場(chǎng), 在控制室就可對(duì)流量計(jì)進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)測(cè), 是使用多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作, 可以隨時(shí)顯示和修改電磁流量計(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　電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)定與組態(tài)
    電磁流量計(jì)是根據(jù)與流體流速相對(duì)應(yīng)的微小電動(dòng)勢(shì)計(jì)算出體積流量并輸出4 ～ 20 mA的信號(hào)。為獲得正確的信號(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, 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
    BURKERT寶德流量計(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(cè)流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通常很小, 極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)是電磁流量計(jì)干擾噪聲的主要來(lái)源;被測(cè)流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量計(jì)干擾噪聲的來(lái)源;電磁流量計(jì)供電電源的電壓和頻率波動(dòng)等電源干擾噪聲是電磁流量計(jì)干擾噪聲的三來(lái)源。為滿足儀表的EMC要求, 智能電磁流量計(jì)分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù)[ 1] , 以提高電磁流量計(jì)抗干擾能力。
    3.1　工頻干擾噪聲的特點(diǎn)及電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)
    工頻干擾噪聲是由電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合形成, 其二是電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場(chǎng)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。
    BURKERT寶德流量計(jì)勵(lì)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(duì)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(chǎng)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(shì), 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(shì)90°, 且幅值較流量信號(hào)電勢(shì)大幾個(gè)數(shù)量[ 2] 。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(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(jì)接地不良等原因而產(chǎn)生, 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系列電磁流量計(jì)配有接地環(huán), 其作用是通過(guò)與液體接觸, 建立液體接地, 確保基準(zhǔn)電位與被測(cè)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)極化電勢(shì)干擾是由于電極感生電動(dòng)勢(shì)在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場(chǎng)能顯著減弱極化電勢(shì)的數(shù)量, 但不能從根本上*消除極化電勢(shì)干擾。
    (2)泥漿干擾是在測(cè)量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí), 固體顆粒或者氣泡擦過(guò)電極表面時(shí), 電極表面的接觸電化學(xué)電勢(shì)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(cè)量低導(dǎo)率液體(100μS/cm以下)流量時(shí), 電極的電化學(xué)電勢(shì)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(lèi)似泥漿干擾的1 /f頻譜特性。
    3.2.2　電磁流量計(jì)抗電化學(xué)干擾技術(shù)
    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)生極化效應(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(wèn)題的產(chǎn)生, 有較的抗干擾。