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电磁流量计

电磁流量计的空管状态下的干扰机理测试分析及干扰的阻断技术

        本文分析电磁流量计在空管状态下的干扰机理,进行了实验测试,并给出一种实用的阻断空管干扰的闭锁电路。

  为防止干扰,电磁流量计的测量管必须充满被测液体。如果空气一旦混入管道,传感器电极暴露在空气中,流量计是无法工作的。这时,测量管中的液体虽然已经排空,或有不满管的零流速液体(若流速不为零,属两相流问题,不属本文讨论的范围。),仪表却仍有指示,而且读数极不规则。这种不正常的计量状态称为空管,它使仪表计量的读数不能反映实际流量。空管状态下的误差是由干扰引起的,称为空管干扰。为避免空管干扰,一般是制订操作规则,确保空气不进入管网,或是将传感器安装在管网的相对蕞低点,使测量管部分的液体无法排出〔1〕。但是这种方法未必都能实现,一旦出现空管,干扰仍将发生。

  1 空管干扰的分析

  传感器接至转换器时,输入回路是闭合的,如图1所示。回路包含液体等效电阻Re、一对电极a、b以及引入和转换器输入阻抗Zi。esr是流量等效电势源。工作时,电极浸泡在液体中,电极a、b经电阻Re在电气上相通。电极区的液体通过地线,处于地电位。

  设B是传感器励磁的磁场强度,v是管道内流速分布场。流量信号可按下式计算:

式中l是电极间的距离。

  空管时,Re→∞,输入回路开路,回路受到工频电网干扰。这种干扰有两个来源:电场干扰uab和电网工频容性干扰uc。

  (1)电场干扰uab

  电场起因于电网导线上的电荷。设τ代表电网导线上的电荷密度,其值为τ=τ0sinωt,τ0是电荷密度幅值。设L是截取的导线长度,r是工频电网导线至电极区的等效距离。于是,根据高斯定理,可计算电极区的电场强度E:

式(2)表明:电场干扰也有工频特性,其值与电极之间的距离l及介质的介电常数ε有关。在正常和空管状态下,电极区的介电常数分别是εw= 80/(4π×9×1011)、ε0=1/(4π×9×1011)(F/cm)。所以两种情况引发的干扰电压uab也不同。根据式(2)可计算它们的比值:

  上式表明:空管的电场干扰uab0比管中充满液体时的正常状态干扰uabw大80倍。

  (2)工频容性漏电干扰

  电磁流量计输入回路一般都加装屏蔽来抑制干扰,但在屏蔽不甚严密时,加之流量信号的信噪比又小,干扰还是不可避免。电网干扰通过分布电容加在输入回路;操作者人体也是一条对输入回路产生干扰的通道。电网容性漏电对流量计形成的干扰系统和等效电路,如图2所示。

  可以看出,这种干扰同时作用在电极a、b上,是一种共模干扰源,它对流量计的影响不仅与干扰源的大小有关,而且还取决于流量计抑制共模干扰的能力。干扰系统可用图3所示电路等效。将C13、C12、C23组成的三角形回路变成Z1、Z2、Z3的星形电路,如图3b所示,其中:Z1≈1/(jωC12),Z2≈1/(jωC23),Z3≈1/(jωC12C23/C13)。假定C13a= C13b=C13。于是可计算容性漏电在电极a、b上的共模干扰电压uc为

式中,δ是被测液体的电导率,d是电极直径。当d =0.5cm、介质为水时,2Re=40kΩ。如果转换器输入电阻Zi=40MΩ,则uc0/uc≈4000。这表明空管时的共模干扰要比正常工作时的大4000倍。这样大的共模干扰对输入回路将产生一个数值为ucr= uc0/CMRR的误差电压〔3〕。以上的分析说明电磁流量计的空管干扰有如下特点:

  (1)空管干扰包含电场引起的串模干扰和容性泄漏电流引起的共模干扰。空管干扰电压很大,对流量计工作的影响不可低估。

  (2)容性漏电干扰来源于工频电网电压U,为减小这种干扰,传感器应尽量远离高压电网或设备。

  (3)人体感应对输入回路有影响,可作为检验仪表屏蔽是否有效的一种简易方法。与此同时,加强对输入回路的干扰屏蔽,是抑制各种干扰的关键。

  (4)空管改变了转换器输入回路的结构,导致uc显著增加,增加倍数与Zi/Re的比值有关。

  2 空管干扰的测试及干扰波形

  将电极a、b置于静止的水中,起因于电场和容性漏电在前置级的输出干扰电压仅20mV,其波形如图4a所示。这个干扰可通过调零技术予以消除。当电极暴露在空气中时,干扰电压急骤增加,如图4b所示,已超过前置级的线性区,出现削顶现象,这种干扰电压已大于5V。正常工作时,即使流量达蕞大值,本级的有效信号输出也只有0·4V。空管干扰电压与有用信号幅值有如此大的差别,使空管干扰的鉴别变得容易。图4c是有效信号的实测波形(蕞大值)。

  根据表1中的数据,可推出输入回路的串模干扰电压us和共模干扰电压uc。设us0、uc0分别是串模、共模干扰在前置级输出端的电压,则

  3 空管干扰的阻断技术

  空管干扰的闭锁电路如图5所示。根据前述可知,当转换器前置级输出信号u0满足下列不等式时,

  空管干扰存在,式(8)中us max是前置级在蕞大流量时的输出信号,1·2是保险系数。电路中不等式(8)的判别由窗口比较器IC1完成。一旦式(8)成立,IC1输出u1就变成高电平,推动可重复触发的单稳电路IC2,并产生高电平的u2信号。单稳电路延时τ由下式决定:

  其中Rx、Cx是单稳的外接电阻电容。延时τ应大于50ms,即两个以上工频周期。驱动信号u2经限流电阻R和稳压管DW降压后,加在流量信号线上,并被二极管箝位在+0·5V。闭锁电路中的F/V变换器,有图6所示的特性。所以空管时加在F/V上的+0·5V箝位电压使它的输出频率为零,从而阻断了空管干扰进入下一级的累积和显示单元。

点击次数:  更新时间:2016-04-06  【打印此页】  【关闭

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