电磁流量计干扰分析与对策

根据电磁流量计的测量原理 结合电磁流量计实际应用中遇到的正交干扰、微分干扰、工频干扰等问题，分析干扰产生的原因，提出采用同步采样技术、采样时间长度选择、数字滤波技术等方法，从根本上对这些干扰信号进行抑制和消除，使电磁流量计更适应于现场应用。

1序言

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体体积流量的仪表。由于其具有无压损、可测流量范围宽、被测液体温度范围宽、成本低等特点,已被广泛应用于水和废水处理、矿业和冶金、食品和饮料、造纸、电力等工业领域中,用来测量自来水、污水、矿浆、啤酒、果汁、纸浆、泥浆等各种酸、碱、盐溶液。由于应用场合比较复杂,现场工频干扰、电磁干扰、流体噪声有时同时存在,而流体产生的流量信号相对弱、小,所以线圈驱动和电极信号处理成为电磁流量计的关键技术。随着电子技术的发展,电磁流量计的励磁方式经历了直流励磁、交流励磁、低频交流矩形波励磁、双频励磁几个阶段,同时技术性能有了进一步的提高。在现有的电磁流量计中,交流低频矩形波励磁已成为主要的励磁方式。目前,传感器流速信号电极电压一般在0.2~0.4mV/m/s范围之间,往往各种干扰信号与流量信号混在一起,它们不仅成分复杂,而且比流量信号大,尤其在低流速时,很难有效提取流量信号,保证测量的精度和重复性。在这种情况下,怎样抑制和排除干扰,提高信噪比就成为研制和使用电磁流量计的一个关键技术问题。

2测量原理

根据法拉第电磁感应定律，，当导体在磁场中运动且切割磁力线时，在导体两端便会产生感应电动势。如图1所示。

设在均匀磁场中，垂直于磁场方向有一个直径为D的管道。管道由不导磁材料制成，内表面加绝缘衬里。当导电的液体在管道中流动时，导电液体就切割磁力线，因而在和磁场及流动方向垂直的方向上将产生感应电动势。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，可以证明，只要管道内流速v为轴对称分布，两极之间就会产生感应电动势：

E=BDv

由此可得管道的体积流量为：Q=πD2v/4

综合上述两式得：E=4BQ/πD=KQ

式中：K为仪表常数，在管道直径D已确定并维持磁感应强度B恒定时，K是一个常数。此时感应电动势与体积量具有线性关系。

3 低频交流矩形波励磁

低频交流矩形波励磁具有较好的零点稳定性和精度，其结合了直流励磁和交流励磁技术的优点，同时避免了它们缺点的一种励磁技术，被广泛采用。其在半个周期内，磁场是恒定的直流磁场，它有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小；从整个周期过程来看，矩形波信号又是一个交变的信号，能克服直流励磁易产生的极化现象。励磁频率通常为工频的1/4~1/10，如5Hz，6.25Hz，12.5Hz。

高频交流矩形波励磁具有较强的抗干扰能力，但零点稳定性和精度要差一些，并且不适用于大口径，目前一般提供给用户选择，当现场噪声较大测量不稳定时，可以切换至高频进行驱动，频率范围通常为几十赫兹，如37.5Hz，75Hz。

在线圈参数、口径确定的情况下，磁场强度正比于线圈的驱动电流；为了得到恒定的磁场，电磁流量计线圈采用恒流驱动方式，驱动电流一般在

100~500mA之间，如125mA、200mA、250mA、500mA等。驱动电流的大小跟线圈设计有关，如果

线圈圈数少一些，则驱动电流大一些；如果线圈圈数多一些，则驱动电流小一些，最终目的是为了达到一定的磁场强度。

4 低频交流矩形波励磁技术中干扰的分析

4.1 正交干扰与微分干扰

传感器就如同一个副边只有一匝的变压器，由被测介质、电极、引出线和转换器的输入电路所组成的闭合回路组成。当采用正弦交流励磁时，将产生一个交变的磁场，电极上产生的电势为E=BmDvsin（ωt）。同时，因为这个闭合回路实际上

不能与磁力线完全平行，总会有一部分磁力线穿过该闭合回路，从而在回路内产生一个干扰电动势叠加在电极上，即电磁流量计变压器效应原理，其大小为：et=-dB/dt

对于正弦交流励磁，B=Bmsin（ωt），则有：

et=-Bmωcos（ωt）=-Bmωsin（ωt+90°）

比较流速信号E与干扰信号et，频率相同，相位相差90°。因此，et为90°干扰，又称正交干扰。

对于低频交流矩形波励磁，则表现在由于励磁电流突变而导致微分干扰信号的产生，干扰信号会随着电流的稳定而逐步消失。

根据以上分析，采用低频交流矩形波励磁，电极走线偏离将会产生微分干扰以及由其衍生的直流偏置。如图2所示。

两个电极分别通过引线引到传感器上部与变送器相连，正面电极走线如图所示，有标准、偏1/3、偏

2/3、完全偏离4种，背面电极是标准走线。

采用恒流500mA，5Hz交流矩形波励磁，相应

直流偏置是指电极信号整体向上或向下偏移，

不以0电平对称，这是由于制造过程中线圈不对称、电极走线不标准、共模干扰、电化学效应等因素造成。直流偏置在采用了低频交流矩形波励磁后，不影响流量计的测量。

数字滤波技术限幅滤波法，根据经验判断，确定两次采样允

许的最大偏差值。每次采样测到的新值与前一次值作比较，如果差值小于允许的最大偏差值则有效，否则无效，用前一次值代替。这样就可以有效过滤现场干扰、毛刺、过程流体颗粒撞击电极引起的过程噪声等干扰。

算术平均滤波法，连续取N个采样值进行算术平均运算，N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高。

举例，如图5所示，线圈采用5Hz驱动时的0feet/ s，3.1feet/s，5.9feet/s流速下的电极信号，利用上述方法对信号进行处理并计算流速。取每半波最后的20％纳入流速计算，正半波与负半波相减即是流速。如3.1feet/s–（-2.8feet/s）=5.9feet/s，虽然有＋0.15 feet/s的直流偏置，但也不影响流速的计算。因线圈是5Hz驱动，半波的20％是20ms，正好是1个完整的工频周期，这样就不受工频干扰的影响。正半波与负半波相减，这样就避免了直流偏置和共模干扰的影响。再加上在数字滤波过程中使用限幅滤波和算数平均，保证了流量信号的有效提取。

6 接地

由于在电极上产生的流量信号是μV级，流量计安装地点附近经常有其他电器设备，环境复杂，容易受到附近其他设备的影响，变送器必须可靠接地；流量计经常被安装在室外，风吹日晒，温湿度变化比较大，夏天容易受到雷电的冲击，环境恶劣，接地可以减少损坏的风险；为了保证测量的精度和稳定性，对于非金属管道，传感器的两端必须采用接地环可靠接地，使进入传感器的流体保证零电位。必须强调，流量计一定要单独接地，因为若与其他仪表或电气装置共同接地，接地线中的漏电流可能对测量信号将产生串模干扰，严重时流量计将无法工作。另外，接地点应远离大型用电器，避免地电流串入流量计，造成干扰。

7 结束语

通过以上对干扰的分析，针对不同类型的干扰，分别采取不同的措施，有效提高信噪比，强调接地的作用，提高了电磁流量计的抗干扰能力和稳定性，使其更加适应于工业应用现场。