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降低製藥廠汙水流量計的外部電磁干擾及電磁相容性分析

點選次數◕│₪↟:850 釋出時間◕│₪↟:2021-08-19 07:57:10
製藥廠汙水流量計的工作原理是基於法拉第的電磁感應原理▩│✘↟,工業生產中的電力設施和電器裝置又很多▩│✘↟,必然會對於製藥廠汙水流量計的電磁感應產生或多或少的影響▩│✘↟,嚴重的可會影響到製藥廠汙水流量計的準確測量☁·╃│•。根據經驗總結▩│✘↟,製藥廠汙水流量計的干擾源主要來自於工頻電磁干擾☁₪、流體電化學干擾噪聲和電源干擾噪聲☁·╃│•。目前製藥廠汙水流量計主要採用低頻或雙頻矩形波勵磁技術☁₪、同步取樣技術☁₪、輸入保護☁₪、接地技術等來降低干擾☁·╃│•。實際應用表明▩│✘↟,這些技術有較好的抗干擾效果☁·╃│•。有效地降低外部環境對於製藥廠汙水流量計的干擾▩│✘↟,對於保證流量計的穩定與精準的測量是一件非常重要的工作☁·╃│•。本文就是介紹利用面板及智慧終端進行製藥廠汙水流量計引數設定和組態的方法▩│✘↟,以及提高製藥廠汙水流量計的電磁相容性技術☁·╃│•。
製藥廠汙水流量計的測量過程不受被測介質溫度☁₪、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▩│✘↟,與被測介質不接觸▩│✘↟,耐腐蝕☁₪、抗磨損▩│✘↟,流體壓力損失小等優點▩│✘↟,因而廣泛應用於造紙廠紙漿☁₪、助劑☁₪、水等流體的測量☁·╃│•。但是▩│✘↟,製藥廠汙水流量計也有其不足▩│✘↟,感測器的輸出感應電動勢很小▩│✘↟,容易受到外界電磁干擾▩│✘↟,如何提高製藥廠汙水流量計的電磁相容性▩│✘↟,使其能在惡劣的電磁環境正常使用是製藥廠汙水流量計設計必須考慮的問題☁·╃│•。文中以LD系列製藥廠汙水流量計為例▩│✘↟,結合編者的工程實踐▩│✘↟,介紹有關製藥廠汙水流量計的使用並分析其電磁相容性(EMC)☁·╃│•。
1☁₪、製藥廠汙水流量計的工作原理
製藥廠汙水流量計的工作以電磁感應定律為基礎▩│✘↟,即當一個導體在電磁場中運動▩│✘↟,並且運動方向垂直於電磁場時就會產生感應電動勢▩│✘↟,所產生的感應電動勢的方向垂直於導體運動和電磁場運動的方向▩│✘↟,感應電動勢的大小與導體的運動速度和磁場的磁感應強度成正比☁·╃│•。當導電流體以平均流速y(m/s)透過一根內徑為D(m)的管子時▩│✘↟,若管子記憶體在一個磁感應強度為曰(T)的磁場▩│✘↟,那麼就可產生一個垂直於磁場方向和流體流動方向的電動勢E◕│₪↟:
E=DVB(V)(1)
容積流量Q為◕│₪↟:
Q=,rrD2V/4(m’/s)(2)
將式(2)代入式(1)並處理得◕│₪↟:
E=(4B/,rrO)×Q(V)(3)
如果君和D是常數▩│✘↟,那麼從式(3)可看出▩│✘↟,E與Q成正比☁·╃│•。電磁流量轉換器把電動勢層放大並轉換成標準的4—20mA的訊號或脈衝訊號▩│✘↟,作為對應的流量訊號輸出☁·╃│•。
2☁₪、製藥廠汙水流量計的引數設定方法及組態
流量計的引數設定(組態)有兩種方法▩│✘↟,一是利用顯示面板上的按鍵▩│✘↟,二是利用手持智慧終端☁·╃│•。
2.1使用面板進行引數設定
ADMAGAE系列製藥廠汙水流量計面板上常用的符號有◕│₪↟:
(1)RED(紅)正常工作時不亮▩│✘↟,有報警時閃爍;
(2)定義符定義符用冒號“◕│₪↟:”▩│✘↟,表示所顯示的資料正處於待設定狀態;
(3)單位顯示顯示流量單位;
(4)顯示資料顯示流量資料☁₪、設定資料和報警的種類;
(5)小數點表示資料中的小數點;
(6)設定鍵這些鍵用來改變資料顯示和設定資料的型別☁·╃│•。資料顯示型別共有3種◕│₪↟:流量資料顯示模式☁₪、設定模式☁₪、報警顯示模式☁·╃│•。
2.1.1流量資料顯示模式▩│✘↟,
流量資料顯示模式表示的是瞬時流量值和累積流量值▩│✘↟,ADMAGAE可顯示12種類型的流量資料☁·╃│•。進入流量顯示模式用“dl”引數來改變顯示項▩│✘↟,詳細設定可參考流量計使用者手冊☁·╃│•。
2.1.2設定模式
設定模式用來檢查引數內容和重寫資料☁·╃│•。只要按下“SET”鍵▩│✘↟,可將該模式從正常的操作模式中調出☁·╃│•。
2.1.3報警顯示模式
當報警發生時▩│✘↟,報警模式就會取代當前模式來顯示發生報警的型別▩│✘↟,但是這種情況只是發生在當前流量顯示模式或設定模式中引數號被改變時(當正在該部資料項時▩│✘↟,不顯示報警)☁·╃│•。
2.2 BT智慧終端設定
具有智慧通訊功能的儀表可與智慧終端通訊☁·╃│•。橫河的智慧終端有BTl00☁₪、BT200等型號▩│✘↟,簡稱BT智慧終端▩│✘↟,它們採用BRAIN協議▩│✘↟,將1個4-2mA☁₪、2.4kHz的調製訊號迭加到4~20mA的模擬訊號上用作訊號傳輸☁·╃│•。由於調製訊號是交流訊號▩│✘↟,所以迭加不會影響模擬訊號的數值☁·╃│•。
BT智慧終端與流量計的連線有兩種方式◕│₪↟:一是直接與流量計端蓋下面的BT端子相連▩│✘↟,這種方式適用於現場除錯或流量計不具備智慧通訊功能的情況;二是與4—20mA直流訊號線連線▩│✘↟,BT智慧終端可以連線在從控制櫃到流量計訊號線的任何位置▩│✘↟,最大距離可達2km▩│✘↟,只要保證整個迴路的負載電阻在250—750Q之間▩│✘↟,就可以可靠地通訊☁·╃│•。這種方式操作者不必去現場▩│✘↟,在控制室就可對流量計進行設定和線上監測▩│✘↟,是使用最多的一種方式☁·╃│•。BT智慧終端採用選單式操作▩│✘↟,可以隨時顯示和修改製藥廠汙水流量計的各種引數▩│✘↟,其基本的操作有流量計自檢☁₪、量程調整☁₪、顯示方式設定☁₪、報警設定等☁·╃│•。
2.3製藥廠汙水流量計資料設定與組態
製藥廠汙水流量計是根據與流體流速相對應的微小電動勢計算出體積流量並輸出4~20mA的訊號☁·╃│•。為保證獲得正確的訊號▩│✘↟,必須設定通徑☁₪、流量量程和儀表係數3個引數▩│✘↟,這3個引數中▩│✘↟,通徑和儀表係數早在儀表出廠前就設定好的▩│✘↟,因此使用者不能設定這兩個引數☁·╃│•。使用者也可以在儀表出廠前將流量量程設定好▩│✘↟,這種設定只有在使用者要求改變數程時才可進行重新設定☁·╃│•。
3☁₪、電磁相容性分析
製藥廠汙水流量計的工作以電磁感應定律為基礎▩│✘↟,產生的正比於被測流量的感應電動勢通常很小▩│✘↟,極易受到外界電磁干擾▩│✘↟,而它本身產生的電磁干擾很小▩│✘↟,因此製藥廠汙水流量計的電磁相容性主要體現在它如何在惡劣的電磁環境下正常工作☁·╃│•。在惡劣的電磁環境下▩│✘↟,電磁耦合靜電感應是製藥廠汙水流量計干擾噪聲的主要來源;被測流體介質特性產生的電化學干擾噪聲是製藥廠汙水流量計干擾噪聲的第二來源;製藥廠汙水流量計供電電源的電壓和頻率波動等電源干擾噪聲是製藥廠汙水流量計干擾噪聲的第三來源☁·╃│•。為滿足儀表的EMC要求▩│✘↟,智慧製藥廠汙水流量計分別採用硬體和軟體抗干擾技術?▩│✘↟,以提高製藥廠汙水流量計抗干擾能力☁·╃│•。
3.1工頻干擾噪聲的特點及製藥廠汙水流量計抗干擾技術工頻干擾噪聲首先是由製藥廠汙水流量計勵磁繞組和流體☁₪、電極☁₪、放大器輸入迴路的電磁耦合形成▩│✘↟,其二是電磁流量汁工作現場的工頻共模干擾▩│✘↟,其三是供電電源引入的工頻串模干擾等▩│✘↟,其產生的物理機理均是電磁感應原理☁·╃│•。
製藥廠汙水流量計勵磁繞組和流體☁₪、電極☁₪、放大器輸入迴路的電磁耦合產生的工頻干擾對製藥廠汙水流量計工作影響最大▩│✘↟,而且在不同的勵磁技術下其表現的形態☁₪、特性不同▩│✘↟,因而採取抗干擾措施也不同☁·╃│•。在工頻正弦波勵磁磁場下▩│✘↟,此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現形式為正交干擾▩│✘↟,又稱為變壓器電勢▩│✘↟,特點是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵磁頻率成正比▩│✘↟,相位滯後流量訊號電勢90☁·╃│•。▩│✘↟,且幅值較流量訊號電勢大幾個數量級舊’☁·╃│•。直流勵磁☁₪、低頻矩形波勵磁及雙頻矩形波勵磁技術▩│✘↟,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▩│✘↟,主要是由於電磁遮蔽缺陷▩│✘↟,分佈電容耦合▩│✘↟,製藥廠汙水流量計接地不良等原因而產生▩│✘↟,製藥廠汙水流量計採用輸人保護技術☁₪、高輸入阻抗☁₪、高共模抑制比自舉前置放大器技術以及重複接地技術等提高抗工頻干擾的能力☁·╃│•。ADMAGAE系列製藥廠汙水流量計配有接地環▩│✘↟,其作用是透過與液體接觸▩│✘↟,建立液體接地▩│✘↟,確保基準電位與被測液體相同▩│✘↟,並且保護流量計內襯☁·╃│•。
3.2電化學干擾噪聲的特點及製藥廠汙水流量計抗干擾技術
3.2.1電化學干擾噪聲的特點
(1)電化學極化電勢干擾是由於電極感生電動勢在兩極極性不同而導致電解質在電極表面極化產生☁·╃│•。雖然採用正負交變勵磁磁場能顯著減弱極化電勢的數量級▩│✘↟,但不能從根本上完全消除極化電勢干擾☁·╃│•。
(2)泥漿干擾是在測量液固兩相導電性流體流量時▩│✘↟,固體顆粒或者氣泡擦過電極表面時▩│✘↟,電極表面的接觸電化學電勢突然變化▩│✘↟,電磁流量感測器輸出訊號出現尖峰脈衝狀干擾噪聲☁·╃│•。
(3)流體流動噪聲是在測量低導率液體(100IxS/cm以下)流量時▩│✘↟,電極的電化學電勢定期波動▩│✘↟,產生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲▩│✘↟,具有類似泥漿干擾的1/f頻譜特性☁·╃│•。
3.2.2製藥廠汙水流量計抗電化學干擾技術
製藥廠汙水流量計在提高抗電化學干擾能力方面採取的措施主要是低頻矩形波勵磁和雙頻勵磁技術☁·╃│•。低頻矩形波勵磁既具有直流勵磁技術不產生渦流效應☁₪、變壓器效應(正交干擾)的特點▩│✘↟,又具有工頻正弦波勵磁基本不產生極化效應▩│✘↟,便於放大訊號處理▩│✘↟,而能避免直流放大器零點漂移☁₪、噪聲☁₪、穩定性等問題的產生▩│✘↟,有較好的抗干擾性能☁·╃│•。
低頻矩形波勵磁雖然具有優良的零點穩定性☁·╃│•。但在測量泥漿☁₪、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導電性流體流量時無法克服泥漿干擾和流體噪聲干擾☁·╃│•。研究分析表明▩│✘↟,泥漿干擾和流動噪聲具有1/f的頻譜特徵☁·╃│•。低頻時幅值大▩│✘↟,高頻時幅值小▩│✘↟,如果採用較高頻率的低頻矩形波勵磁則能大大降低泥漿干擾的數量級☁·╃│•。因此提高勵磁頻率有助於降低泥漿干擾和流動噪聲▩│✘↟,提高感測器輸出訊號的信噪比☁·╃│•。綜上所述▩│✘↟,要保證製藥廠汙水流量計的零點穩定性▩│✘↟,最好採用低頻矩形波勵磁;為了能較準確地測量液固兩相導電性流體和低導電率流體的流量▩│✘↟,又必須採用較高頻率的矩形波勵磁☁·╃│•。採用圖1所示的雙頻矩形波勵磁的方法是最佳方案☁·╃│•。
3.2.3雙頻矩形波勵磁工作及抗干擾原理在製藥廠汙水流量計測量管內形成含有兩個頻率分量的電磁場◕│₪↟:高頻勵磁分量不受液體干擾的影響▩│✘↟,而低頻勵磁分量則有著極好的零點穩定性▩│✘↟,根據高☁₪、低頻定時檢測到的各分量訊號經過計算▩│✘↟,便可得到流量訊號☁·╃│•。
雙頻矩形波勵磁測量原理如圖l所示▩│✘↟,一個由高低頻分量迭加而成的電磁場透過勵磁線圈被施加到被測液體中▩│✘↟,勵磁波形是在一個低頻矩形波上迭加一個高於市電頻率的矩形波而得到的波形☁·╃│•。在產生的電動勢中▩│✘↟,低頻分量透過一個大時間常數的積分電路獲得一個零點穩定性好的平穩流量訊號☁·╃│•。而由漿液或低電導率流體產生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻取樣電路所抑制▩│✘↟,有著同樣時間常數的流量訊號經過一個差分電路以確定流速訊號的變化▩│✘↟,把這兩種不同頻率取樣所得的訊號結合起來可獲得一個穩定流速訊號▩│✘↟,該訊號不受噪聲干擾▩│✘↟,且有較高的零點穩定性☁·╃│•。

3.3電源干擾噪聲特點及製藥廠汙水流量計抗干擾技術

製藥廠汙水流量計一般都採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給製藥廠汙水流量計帶來電源性干擾噪聲☁·╃│•。對電源電壓的幅值變化▩│✘↟,因採用多級整合穩壓▩│✘↟,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☁·╃│•。當電源電壓的頻率波動時▩│✘↟,雖然其波動範圍有限▩│✘↟,但對製藥廠汙水流量計測量精度影響較大☁·╃│•。為了解決工頻干擾問題▩│✘↟,實現對流體流速感應電勢e柚訊號的準確測量▩│✘↟,需利用以下基本關係◕│₪↟:①勵磁週期為工頻週期的整數倍▩│✘↟,即勵磁頻率為50/nHz(n為偶數);②正負勵磁下的同相位取樣☁·╃│•。圖2是對應低頻矩形波勵磁形式下的典型電勢訊號形式▩│✘↟,按上述關係在一個勵磁週期下▩│✘↟,若假設t☁·╃│•。和t◕│₪↟:點為工頻干擾的等效干擾點▩│✘↟,且取樣寬度T=T1=T2▩│✘↟,則e –ab的基本算式為◕│₪↟:▩│✘↟,

式(4)從理論上說明製藥廠汙水流量計的工頻干擾有可克服的途徑▩│✘↟,即同步取樣技術▩│✘↟,其方法是以同相位(t1=t2)☁₪、同寬度取樣(T1=T2=T)為前提的▩│✘↟,取樣頻率要選為工頻週期的整數倍☁·╃│•。這樣即使混有干擾訊號▩│✘↟,因其取樣時間為完整的工頻週期▩│✘↟,其平均值也為零▩│✘↟,干擾電壓不起作用☁·╃│•。
4☁₪、製藥廠汙水流量計選型
4.1製藥廠汙水流量計選型的一般原則H1
(1)被測介質是否為導電液體或漿液▩│✘↟,由此決定是否選用製藥廠汙水流量計
(2)被測介質的電導率決定製藥廠汙水流量計的型別——是高電導率還是低電導率;
(3)工藝要求的最大☁₪、最小和常用流量工藝管道的公稱通徑▩│✘↟,決定介質的流速是否處在較經濟的流速點上▩│✘↟,管道是否需要變徑▩│✘↟,最後確定流量計的口徑;1
(4)以工藝管道的佈置情況▩│✘↟,來確定採用一體型還是分體型流量計▩│✘↟,以及流量計的防護等級等;
(5)根據被測介質是否易結晶☁₪、結疤來選擇電極型式;
(6)根據被測介質的腐蝕性來選擇電極材料;
(7)被測介質的腐蝕性.磨損性及溫度來決定採用何種襯裡材料;
(8)被測介質的最高工作壓力決定流量計的公稱壓力;
(9)工藝管道的絕緣性決定接地環的型式☁·╃│•。
4.2根據製藥廠汙水流量計勵磁方式的的特點選型
(1)直流勵磁型
這種製藥廠汙水流量計數量很少▩│✘↟,只用於測量液態金屬流量▩│✘↟,如常溫下的汞和高溫下的液態鈉☁₪、鉀等☁·╃│•。
(2)交流工頻勵磁型
較早期的製藥廠汙水流量計用50Hz工頻市電勵磁▩│✘↟,由於易受電磁干擾和零點漂移等原因▩│✘↟,現已逐漸被低頻矩形勵磁所代替☁·╃│•。但在測量泥漿☁₪、礦漿等液固兩相流時▩│✘↟,低頻矩形波勵磁方式不能克服固體擦過電極表面產生的尖峰噪聲▩│✘↟,而工頻交流勵磁的儀表則不存在這一缺點▩│✘↟,所以國內外尚有一些製藥廠汙水流量計仍採用交流工頻勵磁方式☁·╃│•。
(3)低頻矩形波勵磁型1.·
由於低頻矩形波勵磁方式功耗小▩│✘↟,零點穩定性好▩│✘↟,所以它是目前製藥廠汙水流量計的主要勵磁方式☁·╃│•。其波形有“正一負”二值和“正一零一負一零”三值兩種☁·╃│•。有的製藥廠汙水流量計勵磁頻率可以由使用者設定▩│✘↟,一般小口徑儀表用較高頻率▩│✘↟,大口徑儀表用較低頻率☁·╃│•。
(4)雙頻勵磁型
勵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磁存在的漿液噪聲和流動噪聲▩│✘↟,提高儀表的穩定性和響應特性▩│✘↟,因此廣泛用於製漿造紙及汙水處理等行業☁·╃│•。
5☁₪、結束語
透過上面分析可知▩│✘↟,製藥廠汙水流量計具有測量精度高☁₪、速度快☁₪、使用方便▩│✘↟,測量範圍廣☁₪、口徑寬等諸多優點▩│✘↟,但同時也存在著測量輸出訊號易受工頻電磁干擾▩│✘↟,流體電化學噪聲及電源頻率變化影響的缺點☁·╃│•。不同勵磁方式的製藥廠汙水流量計具有不同的抗干擾技術和應用範圍☁·╃│•。正確瞭解各種勵磁技術的特點和不同製藥廠汙水流量計的技術原理是正確使用製藥廠汙水流量計的前提☁·╃│•。

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