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电磁流量计的电极干扰信号仿真探讨
发布时间:2019-09-18

摘要:传统电磁流量计在消除微分干扰时大多数采用在硬件电路上消除或者避开微分干扰时段进行采样,很少研究影响干扰的原因。基于真实电极情况,建立电极回路测量模型并基于模型进行电极信号仿真,研究了传感器参数和电极参数变化对微分干扰的影响。结果表明,当参数取值不同时尖峰干扰也不相同,从而为研究和消除干扰减小测量误差提供理论依据。
电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的流量仪表,主要由传感器和变送器组成,传感器将待测流体转换成电信号,变送器对电信号进行一系列的处理转换成实际对应的流量。理想情况下电极上感应出的电势与流体流速成正比,但在实际中电极信号掺杂许多干扰信号,主要的干扰为微分干扰、同向干扰、工频干扰、共模干扰、串模干扰、浆液干扰和极化干扰等。为确保流量计测量准确性须对干扰进行抑制,如采用交流励磁克服极化干扰、高共模抑制比差分放大器克服共模干扰、励磁频率为工频整数倍克服工频干扰、良好接地技术和静电屏蔽克服串模干扰、浆液噪声符合1/f特性可通过提高励磁频率加以克服。
  经上述信号处理方法之后电极上主要的干扰为微分干扰。当采用交流励磁时,由于存在励磁线圈等效电感,励磁切换过程中励磁电流存在渐变过程,在这一过程中磁感应强度处于非稳定状态,变化的磁场穿过由被测流体、测量电极、电极引出线和变送器共同组成的闭合回路,实际中该回路不可能与磁力线保持平行,此时励磁线圈相当于变压器的初级线圈,闭合回路等价于只有一匝的次级线圈且回路大小可等效为回路电感。根据“变压器效应”会产生一个尖峰即微分干扰叠加在电极上,影响流量的测量。
1微分干扰相关研究
  当前消除微分噪声主要从信号处理方面入手,并未对影响噪声的因素加以研究。本文建立电极测量回路等效模型,给出仿真模型搭建、参数取值和仿真结果分析。
2电极测量回路模型建立
2.1测量回路等效模型
  测量电极与流体介质接触时会发生电化学反应[7]在电极-溶液界面形成阻抗,通常由法拉第阻抗与双电层电容并联组成。法拉第过程分为电荷传递过程和扩散过程,相应的法拉第阻抗由电荷传递电阻与扩散阻抗串联组成。一般电磁流量计的励磁频率大于1Hz,而扩散阻抗发生在更低频率内,不考虑扩散过程,电极等效阻抗为电荷传递电阻与双电层电容并联后再与电极接触电阻串联。基于电极阻抗建立的电极等效测量回路如图1所示。
电磁流量计电极测量回路等效模型图
  图中:Rs1和Rs2为电荷传递电阻;C1和C2为双电层电容;Rt为两个测量电极间的接触电阻满足Rt=Rt1+Rt2;Lx为励磁线圈等效电感;L1为闭合回路等效电感;R1和R2为放大器输入电阻;P1和P2为由“变压器效应”叠加在测量电极上的微分干扰;U1为流体切割磁力线产生的感应电势;Ue为励磁电压。假设磁感应强度由励磁电流决定且成正比关系即B=aI,忽略串模等干扰则电极间电压为感应电势与微分干扰的叠加,基本方程如下:

则微分干扰的量化表达式为:

  式中,Rx为励磁线圈铜耗电阻。由于在两个测量电极上感应出的流量信号大小相等方向相反,可对其中一个电极进行研究。对于电极A,假设单电极回路的总阻抗为ZA,则:

2.2参数取值
  电极上的感应电动势在没有经过放大之前一般很小,取值在几毫伏到几百毫伏之内,本次仿真中流速感应电势取10mV。放大器的输入电阻远远大于内阻,文献[8]中给出电荷传递电阻为Rs=50Ω。电极接触电阻与溶液电导率有关一般取Rt=15kΩ。双电层电容C1=20μF。将各参数值代入到式(7)中,可得k1=0.998,T1=0.001,T=9.9×10-4。理想情况两个电极参数取值相等,实际中两者会存在差异对于电极B可取K1=0.997,T1=9.75×10-4,T2=9.74×10-4。
3基于MATLAB的电极信号仿真
3.1仿真模型
  本文基于Matlab中Siumlink对电极信号进行仿真,励磁方式为三值波励磁,励磁频率f=25Hz,传感器参数D=40mm、Rx=88.8Ω、Lx=162mH,励磁系统参数Ue=100V、稳态电流I0=200mA。
  基于电极测量回路搭建的仿真模型如图2所示,图中信号模块pulsGenerator通过加法器、乘法器得到励磁电流。由公式(1),在固定流速下感应电势与励磁电流成正比,通过增加Gain1模块得到感应电势信号。对励磁电流进行求导即经模块Derivative得到微分噪声,其中Gain值与Lx和L1相关。感应电势与噪声经Add1叠加之后得到电极信号E1(t)。scope观察输出信号波形。
  仿真波形和真实波形如图3所示。将传感器参数代入到励磁电流稳态调节时间[9]公式中,得电流上升时间为360μs,测得实际上升时间为390μs,两者相差不大,验证了仿真模型的正确性。
电磁流量计电极信号仿真模型图
电磁流量计电极信号波形图
3.2仿真实验
  仿真试验中,设定线圈等效电感取值范围为162~212mH,间隔10mH;闭合回路等效电感范围0.2~1mH,间隔为0.2mH;双电层电容、接触电阻随流体电导率变化而变化,电导率增大接触电阻和双电层电容减小而电荷传递电阻增大。可设定电极接触电阻、双电层电容和电荷传递电阻范围分别为5~15kΩ、10~20μF和50~60Ω,由公式(7)知,可用T2表示上述三者关系。仿真参数取值不同情况下,通过MATLAB工具箱对仿真测量得到的干扰峰值进行曲线拟合画出相应的曲线图。其中仿真数据和相对应的曲线方程如表1~表4所示,曲线图如图4~图6。

3.3仿真结果分析
  图4为改变励磁线圈等效电感其它值保持不变时测得的干扰结果,可以看出,当线圈等效电感取值不同时,干扰峰值存在变化,电感越大线圈中电流上升(下降)时间越长,微分干扰越大。
电磁流量计励磁线圈电感不同时干扰峰值图示
  图5为改变测量回路等效电感即等价于改变交变磁力线穿过测量回路等效面积时测得的干扰结果,随着值增大干扰呈逐渐增大的趋势。因此要避免电极走线偏离,尽量保持回路与磁力线平行以减小干扰。
电磁流量计闭合回路等效电感不同时干扰峰值图示
  图6为电极等效阻抗值变化时测得的干扰结果,当溶液电导率改变时电极等效阻抗值变化,同样会对微分噪声产生较大影响。电导率越大干扰峰值越小。
电磁流量计电极阻抗改变时干扰峰值图示
4结束语
  本文运用MATLAB仿真软件对电磁流量计电极信号进行建模仿真,通过该模型分析励磁线圈等效电感、闭合回路和电极等效阻抗取值变化情况下微分干扰变化,得到影响微分干扰原因,从而为后续研究及消除干扰得到真实流量信号减小测量误差提供理论依据。

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