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冷却水流量计的外部电磁干(gàn)扰及(jí)电(diàn)磁兼(jiān)容性分析

点(diǎn)击次数:2075 发布时(shí)间:2021-09-04 02:01:54
冷却(què)水流量计的工(gōng)作原理是基于(yú)法拉*的电磁感(gǎn)应原(yuán)理,工业生产中的电力设施和电器设备又很多,必然会对于冷(lěng)却水流量计的电磁感(gǎn)应产生或多或(huò)少的影响,严(yán)重的可会影响到冷却水流量计的准(zhǔn)确(què)测量。根据经验总结,冷却(què)水流量计的干扰源(yuán)主要来自于工频电(diàn)磁干扰、流体电化学干扰噪声和电源干扰噪声。目前冷却水流量计主要采用低频或双(shuāng)频矩形波励(lì)磁技术、同步采样技术、输入保护、接地技术等(děng)来降低干扰。实际应用表明,这些技术有较好的抗干扰(rǎo)效果。有效地降低外部环境对于冷(lěng)却水流量(liàng)计的干扰(rǎo),对于保证流量计的稳定与精准的测量是一件非常重要(yào)的工作(zuò)。本文就是介绍利(lì)用面板及(jí)智能终(zhōng)端进行冷却水流量计参数设置和组态的方法,以及提高冷(lěng)却水流量计的电磁兼容性技术。
冷却水流量计的测量过程不受被测介质温度、黏度(dù)、密度等因素影响,具有测(cè)量速度快、精度高、测量口径宽、输出线性度好,与被测介质不接触,耐腐蚀、抗磨损,流体压力损(sǔn)失(shī)小等优点,因而广泛应用于造纸厂纸(zhǐ)浆(jiāng)、助剂、水等流体(tǐ)的测量。但是,冷却水流量计也有其不足,传感器(qì)的输出(chū)感应电(diàn)动势很小,容易受到外界电(diàn)磁(cí)干扰,如何提高冷却水流(liú)量(liàng)计的(de)电磁兼容性(xìng),使其能在恶劣的电磁环境正常(cháng)使用是冷(lěng)却(què)水流量计设计必须考虑的问题。文中以LD系列(liè)冷却水流量计为例,结合编者的工程实(shí)践,介绍(shào)有关冷却水流量计的使用(yòng)并(bìng)分析其电磁兼容性(EMC)。
1、冷却(què)水流量计的工作原理
冷却水流量计(jì)的工作以电磁感(gǎn)应定律为基础,即当一个导体在电磁场中运动,并且运(yùn)动方向垂(chuí)直于电磁场时就(jiù)会产生感应电动势,所产生的感应电动势的(de)方向垂(chuí)直于导体运动和电磁场运动的方向,感应电动势的大小与导体的(de)运(yùn)动速度和磁场的磁感应强度成正比。当导(dǎo)电流体以平均流速y(m/s)通过一根内径为D(m)的(de)管子时,若管子(zǐ)内存(cún)在一个磁感应强度为曰(T)的磁场,那么就可(kě)产生一个垂直(zhí)于磁场方向(xiàng)和流体流动方向的电动势E:
E=DVB(V)(1)
容(róng)积流量Q为:
Q=,rrD2V/4(m’/s)(2)
将式(2)代入式(1)并处理得:
E=(4B/,rrO)×Q(V)(3)
如果君和D是常数(shù),那么从式(3)可看出,E与Q成正(zhèng)比。电磁流量转换器把电动(dòng)势层放大并转换成(chéng)标准的4—20mA的(de)信号或脉冲信号,作为对应的流量信号输出。
2、冷却水流量计的参数设置方法及组态
流量计的参数设置(组态)有两种方法,一是利用显示面(miàn)板上的按键,二(èr)是利用手持(chí)智能终端。
2.1使用面板(bǎn)进行(háng)参数设定
ADMAGAE系列冷却水流(liú)量计(jì)面板上常用的符号有:
(1)RED(红)正常工(gōng)作时不亮,有报警时闪烁;
(2)定义符定义符用冒号“:”,表示所显示的数据正处于待设定状(zhuàng)态;
(3)单(dān)位显(xiǎn)示显示流量单位(wèi);
(4)显示(shì)数据显示流量数据、设定数据和(hé)报警的种类(lèi);
(5)小数点表示数据中的小数点;
(6)设定键这些键用来改变数据显示(shì)和设定数据的类型。数(shù)据显示类型共有3种(zhǒng):流量数据显示模式、设定(dìng)模式、报警显示模式(shì)。
2.1.1流量数据显示模式,
流量数据显示模式表示的是瞬时流量值和累(lèi)积流量值,ADMAGAE可显示(shì)12种类型的流量数据。进入流量显示模式用“dl”参数来改变显示项(xiàng),详细设定可参考流量计用户手册。
2.1.2设定模式
设定模式(shì)用来检查参数内容和重写数据。只要(yào)按下“SET”键(jiàn),可(kě)将该模式从正常的操作模式中调出。
2.1.3报警显示模式
当报(bào)警发生时,报警模式就会取代当前模式来显示(shì)发生报警的类型,但是(shì)这种(zhǒng)情况只是发生在当前(qián)流量显示模式或设定(dìng)模式(shì)中参数号被改变时(当正在该部数据项时,不(bú)显示(shì)报警)。
2.2 BT智能终端设定
具有智能通信功能的仪表可与智能终端通信。横河的智能终端有BTl00、BT200等型号,简称BT智能终端,它们采用BRAIN协议(yì),将1个4-2mA、2.4kHz的调制信(xìn)号迭加到(dào)4~20mA的模(mó)拟信号上用作信号(hào)传输。由于调制(zhì)信号是交流信号,所以迭加不会影响模拟信号的数值。
BT智能终端与流量计的连接有两种方式:一是直接与流量计端盖下面的BT端子相连,这种方式适用于(yú)现场调试或流量计不具备智能通信功能的情况;二是(shì)与4—20mA直流信号线连接,BT智能终端可以连接(jiē)在(zài)从(cóng)控制柜到(dào)流量计信号线的任何位置,*大距(jù)离可达2km,只要保证整个回路的负载电阻在250—750Q之间,就可以(yǐ)可靠地(dì)通信。这(zhè)种方(fāng)式操作者不(bú)必去现场,在控制室就(jiù)可对流量计进行设置和在(zài)线监测,是使用*多的一种方式。BT智能终端(duān)采用(yòng)菜单式操作,可以**显示和修改冷却(què)水(shuǐ)流量计的各种参数,其基本的(de)操(cāo)作有流量计自检、量程调整(zhěng)、显(xiǎn)示方式设(shè)置、报警设置等。
2.3冷却(què)水流量计数据设定与组态
冷却水流量计是根据与流体流速相对应的微小电动势计算出体积流量并输出4~20mA的(de)信号。为保证获得正确的信号,必(bì)须设定通径、流量量程和仪表系(xì)数3个参数,这3个参数中,通径和仪表(biǎo)系数(shù)早在(zài)仪表出厂前就设定好的,因此用户不能设定这两个参数。用户也可以在仪(yí)表出厂前将流量量程设定好,这种设定只有在用户(hù)要求改变量程(chéng)时才可进行重新设定。
3、电磁兼容性分析
冷却水流量计的工作以电磁感应定律为(wéi)基础,产生的(de)正比于被测流量的(de)感应电动势通常很小,*易受到外界电磁干扰,而它本身产生的电磁干(gàn)扰很小,因此冷却水流量计的(de)电(diàn)磁兼容(róng)性主要体现在它如何在恶劣的(de)电磁环境下正常工作。在恶劣的电磁环境下,电磁(cí)耦(ǒu)合静电感应是冷却水(shuǐ)流(liú)量计干扰噪声的主要来源;被测流体(tǐ)介质特性产生的电化(huà)学干扰噪(zào)声是(shì)冷却水流(liú)量计干扰噪声的*二来(lái)源(yuán);冷却水流量计供电电(diàn)源的电压和频率(lǜ)波动(dòng)等电源干(gàn)扰噪声是冷(lěng)却水流量计干扰噪声的*三(sān)来源。为满足仪表的EMC要(yào)求,智能(néng)冷(lěng)却水(shuǐ)流量计分别采用硬件和软件抗干扰技术?,以提高冷却水流量计抗干扰能力。
3.1工频干扰噪声的特点(diǎn)及冷却水流量计抗干扰技术工频干扰噪声*先是由冷却(què)水流量计励磁绕组(zǔ)和流体、电*、放大器(qì)输入回路(lù)的电磁耦合形成,其二是电磁(cí)流量汁工作现场(chǎng)的工频共模干扰,其三(sān)是供电(diàn)电源(yuán)引入的工频串模干扰等,其产生的(de)物理机理均是电磁感应原理。
冷却水流量计励磁绕组和流体、电*、放大(dà)器输入回路的电磁耦合(hé)产生的工频干扰对(duì)冷却水流量计工作影响(xiǎng)*大(dà),而且在不同的励磁技术下其表现的形态(tài)、特性不同,因而采取抗干扰措施也不同。在工频正弦(xián)波励磁磁场下,此(cǐ)种电磁耦(ǒu)合工频(pín)干扰噪声表现形式为正交干扰,又称为(wéi)变压器电势,特(tè)点是干扰噪声幅值和工频正弦波(bō)励磁频率成正比,相位滞后流量信号电势90。,且幅值较流量信(xìn)号电势大几(jǐ)个(gè)数量级旧’。直流励磁、低频矩形波励磁及双频矩形波励(lì)磁技术(shù),可以基本消除正交干扰的影响。
工频共模干扰和工频串模干扰这两种常见的干(gàn)扰,主要(yào)是由于电磁屏蔽缺(quē)陷,分布电容耦合,冷却水流量计接地不良等原因而产生,冷(lěng)却(què)水流量计采用输人(rén)保护技术、高(gāo)输入阻抗、高(gāo)共模抑制比自举前置放大器技术以及重复接地技术(shù)等(děng)提高抗工频(pín)干扰的能力。ADMAGAE系列冷却水流量计配有接地环,其作用是通过与液体接触,建(jiàn)立液体接地,确保基准电位(wèi)与(yǔ)被测液体相同,并且保护流量计内衬。
3.2电化学干扰噪声(shēng)的特点(diǎn)及冷(lěng)却水流量计(jì)抗干扰技术
3.2.1电化学(xué)干扰噪(zào)声(shēng)的特点
(1)电化(huà)学*化电势干(gàn)扰是由于电*感生电动(dòng)势在两**性不同而导致电解质在电*表面*化产生。虽然采用正负交变励磁(cí)磁场能显著减弱*化电势的数(shù)量级,但不能从根本上(shàng)完(wán)全消除*化电势干扰。
(2)泥浆干扰是在测量液固两相导电性流体流量(liàng)时,固体颗粒或者气泡擦过电*表面时,电*表面的接触电化学电势突然变化,电磁流量传(chuán)感器(qì)输出(chū)信号出现(xiàn)尖(jiān)峰脉(mò)冲状干扰噪声。
(3)流体流动噪声是在测量低导率液(yè)体(100IxS/cm以下)流量时,电*的电化学电势定期波动,产生(shēng)随流量增加而频(pín)率增加的随机干扰噪声,具有类似泥浆干扰的1/f频谱(pǔ)特性。
3.2.2冷却水(shuǐ)流量计抗电化学干扰技术
冷却水流量计在(zài)提高(gāo)抗电化学干扰能力(lì)方面采取的措施主要是低频矩形波励磁和双频(pín)励磁技术。低频矩形波励磁既具有直流励磁技术不产(chǎn)生涡流(liú)效应、变压器效应(正交干扰)的特点,又具有工频正弦波励磁基本(běn)不产生*化效应,便于放大信号处(chù)理,而能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的产生,有(yǒu)较好的(de)抗干扰性能。
低频矩形(xíng)波励磁虽然具有优良的零点稳定性。但在测量泥浆、纸浆等(děng)含纤维和固体颗(kē)粒(lì)的液固两相导电性(xìng)流体流量时无法克(kè)服(fú)泥浆干扰和流体噪(zào)声干(gàn)扰。研究分析表明,泥浆干扰和(hé)流动噪声具有1/f的频谱特征。低频时幅值大,高频时幅值小,如果(guǒ)采用较高(gāo)频率的(de)低频矩形波励磁则能大大降低泥浆(jiāng)干扰的数量级。因此提高励磁频率有助于降低泥浆干扰和流动噪声(shēng),提高传感器输出信号的信噪比(bǐ)。综上所述,要保证冷却(què)水流量计(jì)的零点稳(wěn)定性,*好采(cǎi)用低(dī)频矩形波励(lì)磁;为了能较准确地测量液固两相导电性流(liú)体和低导电率流体的流量,又必须采用较高频(pín)率的矩形波励磁。采用图1所示(shì)的双频矩(jǔ)形波励磁的方法是*佳方案。
3.2.3双频矩形(xíng)波励磁工作及抗干扰原理在冷却水流量计测量管内形成(chéng)含有两个频率分量的电磁场:高频励磁分量不受(shòu)液体干(gàn)扰的影响,而低频励磁分量则有(yǒu)着*好的零点稳定性,根据高、低频(pín)定时检测到的各分量信号经过计算,便可得到流量信号(hào)。
双频矩形波励磁测量原理如图l所示,一个由高低频分量迭加而成(chéng)的电磁(cí)场通过励磁线圈被施加到被测液体中,励磁波形是在一个低频矩形波上迭加一个高于市电频率的矩形波而得到的波形。在产生的电动势中,低(dī)频分量通(tōng)过一个大时间常(cháng)数的积分电路获得一个零点稳定性好的平稳流量信号。而由浆液或低(dī)电导率流体产生的低频噪声可被不受噪声影响的高频采样电路所抑制,有着同(tóng)样时间常数(shù)的流量(liàng)信号经过一个差分电路以(yǐ)确定(dìng)流速信(xìn)号的变化,把(bǎ)这两种不同频率采样所得的信号结合起来(lái)可获得一个稳定流速信号,该信号不受(shòu)噪声干扰,且有较高的零点稳定性。

3.3电源干扰噪声特点及(jí)冷却(què)水流量计抗干扰技术

冷却水流量计一(yī)般都采用工频交流电源供电,其电源电压的(de)幅值和频率的变化都会给冷却水(shuǐ)流(liú)量计带来电源性干(gàn)扰噪声。对电源电压的幅值变(biàn)化,因采用多级(jí)集成稳压,一般而言电源电压的(de)幅值变化对电磁流量的测量精度影(yǐng)响不大。当电源电压的频率波动时,虽然(rán)其波动(dòng)范围有限,但对冷却水流量计测量精度影(yǐng)响较大。为了解决工频干扰(rǎo)问题,实现对(duì)流体流速感应电势e柚(yòu)信号的准确测量,需利用以下基本关系:①励(lì)磁周期为工频周(zhōu)期的整数倍,即励磁频率为50/nHz(n为偶数);②正负励磁下的同相位采样。图2是对应(yīng)低频矩形波励磁形式下的典型(xíng)电势信号形式,按上述(shù)关系在一个励磁(cí)周期下,若假设t。和t:点为工频干扰(rǎo)的等效干扰点,且采样宽度T=T1=T2,则e –ab的基本算式为:,

式(4)从理论上说明冷却水流量计的工频干扰有可克服(fú)的途径,即同(tóng)步采样技术,其方法是以同相位(t1=t2)、同宽度采样(T1=T2=T)为前提的,采样频率(lǜ)要选为工频(pín)周期的整数(shù)倍。这样即使混有干扰信号,因其(qí)采样时间为完(wán)整的工频周期,其平均值也为零,干扰(rǎo)电压不起作(zuò)用。
4、冷却水流量计(jì)选型
4.1冷(lěng)却水流量(liàng)计选型的一般原则H1
(1)被测介质是否为导(dǎo)电液体或浆液,由此决(jué)定是否选用冷却水流(liú)量计(jì)
(2)被测(cè)介质的电导率决定冷却水流量计的类型——是高电导率还是低电导率;
(3)工艺要求的*大、*小和常用流量工艺管道的公称通径,决定介质的流速是否处(chù)在较经济的流速点上,管道是否需要变径,*后确定流量计(jì)的口径;1
(4)以工艺管道的布置情况,来确定采用一体型还是分(fèn)体(tǐ)型流量计,以及流量计的防护等级等;
(5)根据被测介质(zhì)是否易结晶、结疤来选择电*型式;
(6)根据被测介质的腐蚀性来选择电*材料;
(7)被测介质的腐蚀(shí)性.磨损性(xìng)及温度来决定采用何种衬(chèn)里材料;
(8)被测介质的*高工作压(yā)力决定流量计的公称压力;
(9)工(gōng)艺管道的绝缘性决定接(jiē)地环的型(xíng)式。
4.2根据冷却(què)水流量(liàng)计励磁方式的的特点选(xuǎn)型
(1)直流(liú)励(lì)磁(cí)型
这种冷(lěng)却水流量计数量(liàng)很少(shǎo),只用于测量液态金属流量,如常温下的汞和(hé)高温下的液态钠、钾等。
(2)交流工频励磁型
较早期(qī)的冷却(què)水流量(liàng)计用50Hz工频市电励磁,由(yóu)于易受电磁干扰和零点漂移(yí)等原因,现已逐渐被低频矩形励磁所代替。但在测量泥浆、矿浆等液固两相流时,低频(pín)矩(jǔ)形波励磁方式不能克(kè)服固体擦过电*表面产生的尖峰噪声,而工频交流励磁的仪表则不存在这一缺点,所以国内外尚有一些冷却水流量计仍采用交流工频励磁方式。
(3)低频矩形波励磁(cí)型1.·
由于低频矩形波励磁方式功耗小,零点稳定性好,所以它是(shì)目前冷却水流量(liàng)计的主要励磁方式。其波形有“正一负”二值和“正一零一负一零”三值两种。有的冷却水流量(liàng)计励磁频率可以由用户设定,一般小口(kǒu)径(jìng)仪表用较高频率,大口径仪表用较低频率。
(4)双频励磁(cí)型
励磁电流的波(bō)形是在低(dī)频矩形(xíng)波上叠加高频(pín)矩形波,主要为克服二值矩形(xíng)波励磁存在(zài)的浆液噪声和流动噪声,提高仪表的稳定性和响应特性,因此(cǐ)广泛用于制浆造纸及污水处理等(děng)行业。
5、结束语
通过上面分析可知,冷却水流量计具有测量精(jīng)度高、速度快、使用方便,测量范围广、口径宽等诸多优点(diǎn),但同时(shí)也存在着测(cè)量输出信号易受工频电磁干扰,流体电化学噪声及电源(yuán)频率变化影响的缺点。不(bú)同励磁方式(shì)的冷却水流量计具有不同的(de)抗干扰技术和(hé)应用范围。正确了解各种励磁技术的特点和不(bú)同冷却水流量计的技术原理是正确使用冷却水流量计的前提。

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