電磁流量計(jì)的測量過程不受被測介質(zhì)溫度、黏 度、密度等因素影響,具有測量速度快、精度高、測量口徑寬、輸出線性度好,與被測介質(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)體在電磁場中運(yùn)動(dòng),并且運(yùn)動(dòng)方向垂直于電磁場時(shí)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向垂直于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)和電磁場運(yùn)動(dòng)的方向,感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度和磁場的磁感應(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,那么就可產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場方向和流體流動(dòng)方向的電動(dòng)勢E: E=DVB (V)(1)
容積流量Q為: Q= D2 V/4 (m3 /s)(2)
將式(2)代入式(1)并處理得:
 E=(4B/ D) 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。
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,*大距離可達(dá)2km,只要保證整個(gè)回路的負(fù)載電阻在250~750 之間,就可以可靠地通信。這種方式操作者不必去現(xiàn)場,在控制室就可對流量計(jì)進(jìn)行設(shè)置和在線監(jiān)測,是使用*多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作,可以**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)與流體流速相對應(yīng)的微小電動(dòng)勢計(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)生的正比于被測流量的感應(yīng)電動(dòng)勢通常很小,*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*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*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) [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*先是由電磁流量計(jì)勵(lì)磁繞組和 流體、電*、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*、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對電磁流量計(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,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90 ,且幅值較流量信號(hào)電勢大幾個(gè)數(shù)量級 [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,確保基準(zhǔn)電位與被測液體相同,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)*化電勢干擾是由于電*感生電動(dòng)勢在兩**性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電*表面*化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場能顯著減弱*化電勢的數(shù)量級,但不能從根本上完全消除*化電勢干擾。
(2)泥漿干擾是在測量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí),固體顆粒或者氣泡擦過電*表面時(shí),電*表面的接觸電化學(xué)電勢突然變化,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)噪聲是在測量低導(dǎo)率液體(100 S/cm以下)流量時(shí),電*的電化學(xué)電勢定期波動(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)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*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。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,* 好采用低頻矩形波勵(lì)磁;為了能較準(zhǔn)確地測量液固兩相導(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*佳方案。
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)測量管內(nèi)形成含有兩個(gè)頻率分量的電磁場: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*好的零點(diǎn)穩(wěn)定性,根據(jù)高、低頻定時(shí)檢測到的各分量信號(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通過勵(lì)磁線圈被施加到被測液體中,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。對電源電壓的幅值變化, 因采用多級集成穩(wěn)壓, 一般而言電源電壓的幅值變化對電磁流量的測量精度影響不大。當(dāng)電源電壓的頻率波動(dòng)時(shí), 雖然其波動(dòng)范圍有限, 但對電磁流量計(jì)測量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題, 實(shí)現(xiàn)對流體流速感應(yīng)電勢 e ab 信號(hào)的準(zhǔn)確測量, 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/n H z( n為偶數(shù) );
2正負(fù)勵(lì)磁下的同相位采樣。圖 2是對應(yīng)低頻矩形波勵(lì)磁形式下的典型電
勢信號(hào)形式, 按上述關(guān)系在一個(gè)勵(lì)磁周期下, 若假設(shè)t 1 和 t 2 點(diǎn)為工頻干擾的等效干擾點(diǎn), 且采樣寬度 T= T 1 = T 2 , 則 e ab 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 ( t 1= t 2 )、 同寬度采樣 (T 1 = T 2= 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*大、 *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, *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)等等;
( 5)根據(jù)被測介質(zhì)是否易結(jié)晶、 結(jié)疤來選擇電*型式;
( 6)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性來選擇電*材料;
( 7)被測介質(zhì)的腐蝕性、 磨損性及溫度來決定采用何種襯里材料;
(8)被測介質(zhì)的*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 50 Hz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*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)具有測量精度高、 速度快、 使用方便, 測量范圍廣、 口徑寬等諸多優(yōu)點(diǎn), 但同時(shí)也存在著測量輸出信號(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。