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 0　引言

　　電磁流量計(jì)的測(cè)量過程不受被測(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、輸出線性度好，與被測(cè)介質(zhì)不接觸，耐腐蝕、抗磨損，流體壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于造紙廠紙漿、助劑、水等流體的測(cè)量。但是，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，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）。

1　電磁流量計(jì)的工作原理

　　電磁流量計(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：

E=DVB　（V） （1）

容積流量Q為：

Q=πD2V/4?。╩3/s） （2）

將式（2）代入式（1）并處理得：

E=（4B/πD）×Q　（V） （3）

如果B和D是常數(shù)，那么從式（3）可看出，E與Q成正比。電磁流量轉(zhuǎn)換器把電動(dòng)勢(shì)E放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA的信號(hào)或脈沖信號(hào)，作為對(duì)應(yīng)的流量信號(hào)輸出。

2　電磁流量計(jì)的參數(shù)設(shè)置方法及組態(tài)

　　流量計(jì)的參數(shù)設(shè)置（組態(tài)）有兩種方法，一是利用顯示面板上的按鍵，二是利用手持智能終端。

2.1　使用面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)定

ADMAGAE系列電磁流量計(jì)面板上常用的符號(hào)有：

（1）RED（紅）　正常工作時(shí)不亮，有報(bào)警時(shí)閃爍；

（2）定義符　定義符用冒號(hào)“：”，表示所顯示的數(shù)據(jù)正處于待設(shè)定狀態(tài)；

（3）單位顯示　顯示流量單位；

（4）顯示數(shù)據(jù)　顯示流量數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)和報(bào)警的種類；

（5）小數(shù)點(diǎn)　表示數(shù)據(jù)中的小數(shù)點(diǎn)；

（6）設(shè)定鍵　這些鍵用來改變數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定數(shù)據(jù)的類型。數(shù)據(jù)顯示類型共有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種類型的流量數(shù)據(jù)。進(jìn)入流量顯示模式用“d1”參數(shù)來改變顯示項(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

用來檢查參數(shù)內(nèi)容和重寫數(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)前模式來顯示發(fā)生報(bào)警的類型，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)，簡稱BT智能終端，它們采用BRAIN協(xié)議，將1個(gè)±2mA、2.4kHz的調(diào)制信號(hào)迭加到4～20mA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4～20mA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，zui大距離可達(dá)2km，只要保證整個(gè)回路的負(fù)載電阻在250～750Ω之間，就可以可靠地通信。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)置和在線監(jiān)測(cè)，是使用zui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4～20mA的信號(hào)。為保證獲得正確的信號(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)定好的，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)定好，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

　　電磁流量計(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)，以提高電磁流量計(jì)抗*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)

工頻干擾噪聲首先是由電磁流量計(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。

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產(chǎn)生的工頻干擾對(duì)電磁流量計(jì)工作影響zui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)量級(jí)[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)，其作用是通過與液體接觸，建立液體接地，確?；鶞?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)量級(jí)，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?；蛘邭馀莶吝^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)*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)定性等問題的產(chǎn)生，有較好的抗干擾性能。低頻矩形波勵(lì)磁雖然具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性，但在測(cè)量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)無法克服泥漿干擾和流體噪聲干擾。研究分析表明，泥漿干擾和流動(dòng)噪聲具有1/f的頻譜特征。低頻時(shí)幅值大，高頻時(shí)幅值小，如果采用較高頻率的低頻矩形波勵(lì)磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級(jí)。因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動(dòng)噪聲，提高傳感器輸出信號(hào)的信噪比。

綜上所述，要保證電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性，采用低頻矩形波勵(lì)磁；為了能較準(zhǔn)確地測(cè)量液固兩相導(dǎo)電性流體和低導(dǎo)電率流體的流量，又必須采用較高頻率的矩形波勵(lì)磁。采用圖1所示的雙頻矩形波勵(lì)磁的方法是*方案。

3.2.3　雙頻矩形波勵(lì)磁工作及抗干擾原理

在電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)形成含有兩個(gè)頻率分量的電磁場(chǎng)：高頻勵(lì)磁分量不受液體干擾的影響，而低頻勵(lì)磁分量則有著*的零點(diǎn)穩(wěn)定性，根據(jù)高、低頻定時(shí)檢測(cè)到的各分量信號(hào)經(jīng)過計(jì)算，便可得到流量信號(hào)。

雙頻矩形波勵(lì)磁測(cè)量原理如圖1所示，一個(gè)由高低頻分量迭加而成的電磁場(chǎng)通過勵(lì)磁線圈被施加到被測(cè)液體中，勵(lì)磁波形是在一個(gè)低頻矩形波上迭加一個(gè)高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)中，低頻分量通過一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的積分電路獲得一個(gè)零點(diǎn)穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號(hào)。而由漿液或低電導(dǎo)率流體產(chǎn)生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所抑制，有著同樣時(shí)間常數(shù)的流量信號(hào)經(jīng)過一個(gè)差分電路以確定流速信號(hào)的變化，把這兩種不同頻率采樣所得的信號(hào)結(jié)合起來可獲得一個(gè)穩(wěn)定流速信號(hào)，該信號(hào)不受噪聲干擾，且有較高的零點(diǎn)穩(wěn)定性。3.3　電源干擾噪聲特點(diǎn)及電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)
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)電磁流量計(jì)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。為了解決工頻干擾問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流速感應(yīng)電勢(shì)eab信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，需利用以下基本關(guān)系：①勵(lì)磁周期為工頻周期的整數(shù)倍，即勵(lì)磁頻率為50/nHz（n為偶數(shù)）；②正負(fù)勵(lì)磁下的同相位采樣。圖2是對(duì)應(yīng)低頻矩形波勵(lì)磁形式下的典型電勢(shì)信號(hào)形式，按上述關(guān)系在一個(gè)勵(lì)磁周期下，若假設(shè)t1和t2點(diǎn)為工頻干擾的等效干擾點(diǎn)，且采樣寬度T=T1=T2，則eab的基本算式為：

式（4）從理論上說明電磁流量計(jì)的工頻干擾有可克服的途徑，即同步采樣技術(shù)，其方法是以同相位（t1=t2）、同寬度采樣（T1=T2=T）為前提的，采樣頻率要選為工頻周期的整數(shù)倍。這樣即使混有干擾信號(hào)，因其采樣時(shí)間為完整的工頻周期，其平均值也為零，干擾電壓不起作用。

4　電磁流量計(jì)選型

4.1　電磁流量計(jì)選型的一般原則

（1）被測(cè)介質(zhì)是否為導(dǎo)電液體或漿液，由此決定是否選用電磁流量計(jì)；
（2）被測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率決定電磁流量計(jì)的類型———是高電導(dǎo)率還是低電導(dǎo)率；
（3）工藝要求的zui大、zui小和常用流量工藝管道的公稱通徑，決定介質(zhì)的流速是否處在較經(jīng)濟(jì)的流速點(diǎn)上，管道是否需要變徑，zui后確定流量計(jì)的口徑；
（4）以工藝管道的布置情況，來確定采用一體型還是分體型流量計(jì)，以及流量計(jì)的防護(hù)等級(jí)等；
（5）根據(jù)被測(cè)介質(zhì)是否易結(jié)晶、結(jié)疤來選擇電極型式；
（6）根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性來選擇電極材料；
（7）被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性、磨損性及溫度來決定采用何種襯里材料；
（8）被測(cè)介質(zhì)的zui高工作壓力決定流量計(jì)的公稱壓力；
（9）工藝管道的絕緣性決定接地環(huán)的型式。

4.2　根據(jù)電磁流量計(jì)勵(lì)磁方式的的特點(diǎn)選型

（1）直流勵(lì)磁型

這種電磁流量計(jì)數(shù)量很少，只用于測(cè)量液態(tài)金屬流量，如常溫下的汞和高溫下的液態(tài)鈉、鉀等。

（2）交流工頻勵(lì)磁型

較早期的電磁流量計(jì)用50Hz工頻市電勵(lì)磁，由于易受電磁干擾和零點(diǎn)漂移等原因，現(xiàn)已逐漸被低頻矩形勵(lì)磁所代替。但在測(cè)量泥漿、礦漿等液固兩相流時(shí)，低頻矩形波勵(lì)磁方式不能克服固體擦過電極表面產(chǎn)生的尖峰噪聲，而工頻交流勵(lì)磁的儀表則不存在這一缺點(diǎn)，所以國內(nèi)外尚有一些電磁流量計(jì)仍采用交流工頻勵(lì)磁方式。

（3）低頻矩形波勵(lì)磁型

由于低頻矩形波勵(lì)磁方式功耗小，零點(diǎn)穩(wěn)定性好，所以它是目前電磁流量計(jì)的主要?jiǎng)?lì)磁方式。其波形有“正-負(fù)”二值和“正-零-負(fù)-零”三值兩種。有的電磁流量計(jì)勵(lì)磁頻率可以由用戶設(shè)定，一般小口徑儀表用較高頻率，大口徑儀表用較低頻率。

（4）雙頻勵(lì)磁型

勵(lì)磁電流的波形是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波，主要為克服二值矩形波勵(lì)磁存在的漿液噪聲和流動(dòng)噪聲，提高儀表的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性，因此廣泛用于制漿造紙及污水處理等行業(yè)。

5　結(jié)束語

　　通過上面分析可知，電磁流量計(jì)具有測(cè)量精度高、速度快、使用方便，測(cè)量范圍廣、口徑寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著測(cè)量輸出信號(hào)易受工頻電磁干擾，流體電化學(xué)噪聲及電源頻率變化影響的缺點(diǎn)。不同勵(lì)磁方式的電磁流量計(jì)具有不同的抗干擾技術(shù)和應(yīng)用范圍。正確了解各種勵(lì)磁技術(shù)的特點(diǎn)和不同電磁流量計(jì)的技術(shù)原理是正確使用電磁流量計(jì)的前提。