摘要:本文簡(jiǎn)要闡述了幾種電磁流量計(jì)(EMF)的抗干擾技術(shù)。同時(shí),討論了電磁流量計(jì)三類(lèi)干擾噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)理和特征。研究了矩形波勵(lì)磁型智能電磁流量計(jì)的硬件和軟件抗干擾技術(shù),為實(shí)現(xiàn)智能電磁流量計(jì)的高精度、高可靠性、高抗干擾能力奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
1概述
電磁流量計(jì)是基于導(dǎo)電性流體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)來(lái)推算流體流量的測(cè)量?jī)x表,其基本工作原理是電磁感應(yīng)定律。因此電磁耦合靜電感應(yīng)是電磁流量計(jì)干擾噪聲的首要來(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)干擾噪聲的第二來(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)干擾噪聲的第三來(lái)源。以上三類(lèi)干擾噪聲的來(lái)源、機(jī)理、特性不同。對(duì)電磁流量計(jì)的影響方式不同,相應(yīng)采用的抗干擾措施也不同。本文結(jié)合雙頻矩形波勵(lì)磁智能電磁流量計(jì)的研究工作,著重就智能電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)加以探討,提出一些抗干擾的對(duì)策,以供智能儀器研究設(shè)計(jì)參考。
2電磁流量計(jì)干擾噪聲的物理機(jī)理、特性及其對(duì)策
為了對(duì)電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)加以探討,首先必須對(duì)電磁流量計(jì)干擾噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)理和特性加以分析研究,從而根據(jù)各種干擾噪聲的特性采用相應(yīng)的抗干擾對(duì)策,以提高電磁流量計(jì)抗干擾的能力。
2.1工頻干擾噪聲
工頻干擾噪聲是由電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合,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。首先就電磁流量傳感器勵(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)工作影響最大,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,電磁流量傳感器原理見(jiàn)圖1(a)。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(見(jiàn)圖1b),又稱(chēng)為變壓器電勢(shì),其特點(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)量級(jí)。
對(duì)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(jì)接地不良等原因產(chǎn)生,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),工頻寬脈沖同步采樣技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。
2.2流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲
(a)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)量級(jí),但不能根本上完全消除極化電勢(shì)干擾。
(b)泥漿干擾是在測(cè)量泥漿、纖維漿等液固兩相導(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。
(c)流體流動(dòng)噪聲是在測(cè)量低導(dǎo)率液體(100vs cm以下)流體流量時(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,因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低流體流動(dòng)噪聲的數(shù)量級(jí),以提高電磁流量傳感器測(cè)量低導(dǎo)電率流體流量的信噪比。
2.3供電電源性干擾
電磁流量計(jì)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(jì)帶來(lái)電源性干擾噪聲。對(duì)電源電壓的幅值變化,因采用多級(jí)集成穩(wěn)壓,一般而言電源電壓的幅值變化對(duì)電磁流量的測(cè)量精度影響不大。當(dāng)電源電壓的頻率波動(dòng)時(shí),雖然其波動(dòng)范圍有限,但對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量精度影響較大。
3智能電磁流量計(jì)硬件抗干擾技術(shù)
綜合上述電磁流量計(jì)干擾噪聲產(chǎn)生的物理和特性分析,智能電磁流量計(jì)分別采用硬件和軟件干擾技術(shù),以提高電磁流量計(jì)抗干擾能力。
3.1新型勵(lì)磁技術(shù)是提高電磁流量計(jì)抗干擾能力的重要手段
電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展,不僅減弱電極極化電勢(shì)、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(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁,從而提高電磁流量計(jì)整個(gè)抗干擾能力,提高電磁流量計(jì)的測(cè)量精度和可靠性。
3.2前置放大器的設(shè)計(jì)是提高抗干擾能力的首要環(huán)節(jié)
電磁流量傳感器輸出流信號(hào)十分微弱,內(nèi)阻抗較高,因此高輸入阻抗、低漂移、低噪聲、高CRMM前置放大器才能滿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(hù)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。
3.3同步采樣的頻率補(bǔ)償技術(shù)
同步采樣和工頻電源頻率監(jiān)視補(bǔ)償技術(shù),是提高抗流量信號(hào)電勢(shì)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(shù)倍,使流量信號(hào)電勢(shì)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(bǔ)償是保證頻率的動(dòng)態(tài)波動(dòng)中,勵(lì)磁電源和采樣脈沖得以同步調(diào)整,真正實(shí)現(xiàn)同步采樣技術(shù)和同步勵(lì)磁技術(shù),同步A D轉(zhuǎn)換,以降低工頻干擾的影響。
3.4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(jì)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,為電磁流量計(jì)小型輕量一體化奠定了基礎(chǔ)。
3.5微處理器系統(tǒng)電源電壓監(jiān)視技術(shù)
智能電磁流量計(jì)中微處理器系統(tǒng)當(dāng)電源瞬態(tài)欠壓,勵(lì)磁開(kāi)關(guān)脈沖動(dòng)作都會(huì)造成微處理器誤動(dòng)作,數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象,因此必須采用可靠的復(fù)位電路和電源電壓監(jiān)視技術(shù)。最簡(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(jiān)視器,提高微處理器系統(tǒng)和抗干擾能力。如圖2所示微處理器電壓監(jiān)視器,其采用TL7705CP電源電壓監(jiān)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(fù)位信號(hào)。
4智能電磁流量計(jì)軟件抗干擾技術(shù)
智能電磁流量計(jì)固化在EPROM中的軟件配合硬件除完成智能電磁流量計(jì)的正常功能外,必須具備較強(qiáng)的抗干擾能力和容錯(cuò)能力,組成完善的應(yīng)用程序。
4.1數(shù)字濾波技術(shù)
數(shù)字濾波技術(shù)是智能儀器中最常采用的技術(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(shù)字電路毛刺干擾消除、A D轉(zhuǎn)換器的抗工頻能力以及輸入微處理器數(shù)字的可靠性問(wèn)題。
4.2程控放大器技術(shù)
程控放大器技術(shù)即解決電磁流量計(jì)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)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(hào)電勢(shì)處理,提高抗微分干擾的能力。
4.3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(cuò)設(shè)計(jì),極大地提高硬件系統(tǒng)的可靠性,從而提高整個(gè)智能電磁流量計(jì)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(shù)字I O口通道的診斷等部分,涉及到智能電磁流量計(jì)的關(guān)鍵部件。
4.4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(dāng)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(zhí)行各種抗干擾軟件,消除或者削弱干擾噪聲對(duì)電磁流量計(jì)輸入輸出通路的影響,當(dāng)干擾噪聲通過(guò)三總線等作用到微處理器本身,CPU將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序,導(dǎo)致智能電磁流量計(jì)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(fù)位方式解決失控的CPU最簡(jiǎn)單的方法,掉電保護(hù)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(jì)微處理器失控的有效方法。
4.5程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)(WATCHDOG)
智能電磁流量計(jì)采用程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)以監(jiān)視微處理器執(zhí)行應(yīng)用程序的狀況,當(dāng)程序正彈到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)看門(mén)狗能及時(shí)發(fā)并強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位,擺脫死循環(huán)狀態(tài),圖3所示是由硬件和軟件配合構(gòu)成的程序運(yùn)行監(jiān)視器。
5結(jié)束語(yǔ)
智能電磁流量計(jì)多種抗干擾技術(shù)的采用,使電磁流量計(jì)抗干擾能力增強(qiáng),精度和可靠性提高,不僅實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)小型輕量一體化智能化,而且推動(dòng)了電磁流量計(jì)的廣泛應(yīng)用,開(kāi)拓了電磁流量計(jì)的潛在市場(chǎng)。
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