三 電磁流量計(jì)干擾噪聲的物理機(jī)理、特性及其對(duì)策
為了對(duì)電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)加以探討，首先必須對(duì)電磁流量計(jì)干擾噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)理和特性加以分析研究，從而根據(jù)各種干擾噪聲的特性采用相應(yīng)的抗干擾對(duì)策，以提高電磁流量計(jì)抗干擾的能力。
1 工頻干擾噪聲
工頻干擾噪聲是由電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合，另外電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場的工頻共模干擾，其三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。首先就電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對(duì)電磁流量計(jì)工作影響zui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，如圖1所示在各種勵(lì)磁技術(shù)
下此工頻干擾噪聲的特性。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（見圖1 b），又稱為變壓器電勢，其特點(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900，且幅值較流量信號(hào)電勢大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在低頻矩形波勵(lì)磁，三值低頻矩形波勵(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁條件，此種電磁偶合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為微分干擾（見圖1c），其波形為脈沖波形，其中幅值和磁通變化率成正比，且按指數(shù)規(guī)律衰減，一般而言其幅值比正弦波勵(lì)磁條件下的正交干擾大得多，另外此微分干擾僅在勵(lì)磁磁通變化時(shí)產(chǎn)生，而在磁通恒定時(shí)，下一個(gè)磁通發(fā)生變化之前不會(huì)產(chǎn)生微分干擾，具有時(shí)段性。
針對(duì)工頻正弦波勵(lì)磁下的正交干擾噪聲，采用復(fù)雜的自動(dòng)正交抑制系統(tǒng)減小正交干擾噪聲的影響，但由于正交干擾噪聲比流量信號(hào)電勢大幾個(gè)數(shù)量級(jí)正交抑制電子電路的任何不完善都將導(dǎo)致一部分正交干擾轉(zhuǎn)換成同相干擾，使工頻正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移，流量測量精度難以提高。
采用低頻矩形波勵(lì)磁、三值低頻矩形波勵(lì)磁、雙頻矩形波勵(lì)磁，正交干擾噪聲演變成為微分干擾。由于微分干擾具有時(shí)段時(shí)，利用同步采樣技術(shù)在磁場恒定期，即微分干擾衰減為零之后，采用寬脈沖同步采樣（ 工頻周期的偶數(shù)倍），以避免串入流量信號(hào)電勢中的工頻干擾的影響。其次采用控制勵(lì)磁電流（勵(lì)磁磁通）變化率的方法減小微分干擾的幅值，但減小流量信號(hào)采樣的時(shí)間間隔；也可以采用程控增益技術(shù)使微分干擾時(shí)段增益為Odb，而恒磁通時(shí)段增益為100db，以減小微分干擾的幅值的影響。
對(duì)于工頻共模干擾和工頻串模干擾是常見的干擾，主要是由于電磁屏蔽缺陷、分布電容耦合、電磁流量計(jì)接地不良等原因產(chǎn)生，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)，工頻寬脈沖同步采樣技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。
2 流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲
電化學(xué)極化電勢干擾是由于電極感生電動(dòng)勢在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場能顯著減弱極化電勢的數(shù)量級(jí)，但不能根本上*消除極化電勢干擾。其特性于流體介質(zhì)的性質(zhì)、電極材料性質(zhì)、電極的外形尺寸形狀有關(guān)，具有變化緩慢，數(shù)量級(jí)不大等特點(diǎn)，如圖2所示流體電化學(xué)電勢干擾及其解決方法。因此選擇合適的電極材料（如碳化鎢），設(shè)計(jì)*的電極形狀的尺寸是減小極化電勢的有效方法之一；另外采用正負(fù)兩極性交變的矩形波勵(lì)磁技術(shù)配合微處理器同步寬脈沖采樣技術(shù)，到用微處理器運(yùn)算功能前后兩次采樣值相減消除流量信號(hào)電勢中的極化電勢干擾。
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)，固體顆?；蛘邭馀莶吝^電極表面時(shí)，電極表面的接觸電化學(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如圖3所示。在勵(lì)磁頻率較低時(shí)，泥漿干擾的數(shù)量級(jí)較大，高頻時(shí)干擾數(shù)量級(jí)較小，具有1/f的頻譜特性。提高抗泥漿干擾的能力必須采用較高頻率的矩形波勵(lì)磁，以提高電磁流量傳感器輸出的信噪比，但會(huì)犧牲電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性。另外也可采用流量信號(hào)變化率限制方法以剔除脈沖干擾對(duì)電磁流量計(jì)的影響，但會(huì)犧牲儀表的響應(yīng)速度。
流體流動(dòng)噪聲是在測量低導(dǎo)率液體（100vs/cm以下）流體流量時(shí)，電極的電化學(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，因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低流體流動(dòng)噪聲的數(shù)量級(jí)，以提高電磁流量傳感器測量低導(dǎo)電率流體流量的信噪比。
3 供電電源性干擾
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(duì)電源電壓的幅值變化，因采用多級(jí)集成穩(wěn)壓，一般而言電源電壓的幅值變化對(duì)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(duì)電磁流量計(jì)測量精度影響較大。在智能矩形波勵(lì)磁電磁流量計(jì)中采用寬脈沖采樣技術(shù)，其脈沖寬度為工頻周期的整數(shù)倍，具同步于工頻周期，以*消除工頻干擾，但前提條件是工頻噪聲干擾基本不變。當(dāng)供電電源頻率波動(dòng)時(shí)，流量信號(hào)采樣時(shí)使前后的工頻噪聲不能*相同，雖然采用同步勵(lì)磁技術(shù)、同步采樣技術(shù)仍然不能*消除工頻干擾噪聲，必須采用相應(yīng)的頻率補(bǔ)償技術(shù)，使勵(lì)磁電流、采樣脈沖，A/D 轉(zhuǎn)換同步于頻率的變化。
四 智能電磁流量計(jì)硬件抗干擾技術(shù)
綜合上述電磁流量計(jì)干擾噪聲產(chǎn)生的物理和特性分析，智能電磁流量計(jì)分別采用硬件和軟件干擾技術(shù)，以提高電磁流量計(jì)抗*力。
1 新型勵(lì)磁技術(shù)是提高電磁流量計(jì)抗*力的重要手段
電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展，不僅減弱電極極化電勢、泥漿干擾、流動(dòng)噪聲的影響，又能改變工頻干擾的形態(tài)，便于同步采樣技術(shù)處理工頻干擾噪聲，以避免工頻干擾的影響。目前電磁流量傳感器采用工頻頻率同步三值低頻矩形勵(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁，從而提高電磁流量計(jì)整個(gè)抗*力，提高電磁流量計(jì)的測量精度和可靠性。
2 前置放大器的設(shè)計(jì)是提高抗*力的首要環(huán)節(jié)
電磁流量傳感器輸出流信號(hào)十分微弱，內(nèi)阻抗較高，因此高輸出入阻抗、低漂移、低噪聲、高CRMM前置放大器才能滿足抗同相共模干擾的要求。前置放大器采用JFET高輸入阻抗電壓緩沖器，低漂移低噪聲減法器，精密電阻精心匹配組成儀用放大器，并采用輸入保護(hù)技術(shù)，共模電壓自舉技術(shù)和接地技術(shù)大大提高抗共模干擾的能力，抑制零點(diǎn)漂移的影響。
3 同步采樣的頻度補(bǔ)償技術(shù)
同步采樣和工頻電源頻率監(jiān)視補(bǔ)償技術(shù)，是提高抗流量信號(hào)電勢中混入工頻干擾和工頻電源頻率波動(dòng)產(chǎn)生工頻*力的有效方法。同步采樣技術(shù)，其采樣脈寬為工頻周期的整數(shù)倍，使流量信號(hào)電勢中工頻干擾平均值等于零，以消除工頻干擾的影響；工頻電源的頻率波動(dòng)補(bǔ)償是保證頻率的動(dòng)態(tài)波動(dòng)中，勵(lì)磁電源和采樣脈沖得以同步調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)同步采樣技術(shù)和同步勵(lì)磁技術(shù)，同步A/D轉(zhuǎn)換，以降低工頻干擾的影響。
4 采用新型HCMOS系列芯片技術(shù)
采用74HC系列芯片技術(shù)較采用74LS系列芯片其低噪聲容限提高2.4倍，高燥聲容限提高2.1倍，智能電磁流量計(jì)整個(gè)硬件采用74HC系列芯片，不僅降低整個(gè)功耗，而且提高元器件本身抗*力，為電源流量計(jì)小型輕量一體化奠定了基礎(chǔ)。
5 微處理器系統(tǒng)電源電壓監(jiān)視技術(shù)
智能電磁流量計(jì)中微處理器系統(tǒng)當(dāng)電源瞬態(tài)欠壓，勵(lì)磁開關(guān)脈沖動(dòng)作都會(huì)造成微處理器誤動(dòng)作，數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象，因此必須采用可靠的復(fù)位電路和電源電壓監(jiān)視技術(shù)。zui簡單實(shí)用的方法是采用低成本電源配合高靈敏度的電源電壓監(jiān)視器，提高微處理器系統(tǒng)和抗*力。如圖4所示微處理器電壓監(jiān)視器，其采用TL7705CP電源電壓監(jiān)視器芯片，具有電源加電、電源瞬時(shí)欠壓均能產(chǎn)生可靠的復(fù)位信號(hào)。
五 智能電磁流量計(jì)軟件抗干擾技術(shù)
智能電磁流量計(jì)固化在EPROM中的軟件配合硬件除完成智能電磁流量計(jì)的正常功能外，必須具備較強(qiáng)的抗*力和容錯(cuò)能力，組成完善的應(yīng)用程序。
a. 數(shù)字濾波技術(shù)
數(shù)字濾波技術(shù)是智能儀器中zui常采用的技術(shù)，能夠完成模擬濾波器不能完成的功能，很容易解決脈沖干擾剔除、數(shù)字電路毛刺干擾消除、A/D轉(zhuǎn)換器的抗工頻能力以及輸入微處理器數(shù)字的可靠性問題。
b.程控放大器技術(shù)
程控放大器技術(shù)即解決電磁流量計(jì)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換問題，同時(shí)利用增益控制方法有效削弱微分干擾峰值使放大器過載的問題，便于流量信號(hào)電勢處理，提高抗微分干擾的能力。
c. 微處理器硬件故障自診斷技術(shù)
微處理器硬件故障自診斷技術(shù)是采用軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)，極大地提高硬件系統(tǒng)的可靠性，從而提高整個(gè)智能電磁流量計(jì)的抗*力。具體包括CPU自診斷，定時(shí)器診斷，中斷功能診斷，RAM診斷，A/D通道診斷和校正，D/A通道診斷，數(shù)字I/O口通道的診斷等部分，涉及到智能電磁流量計(jì)的關(guān)鍵部件。
e.微處理器抗干擾技術(shù)
上述各種抗干擾措施是解決輸入、輸出通道中的各種干擾問題，當(dāng)干擾噪聲沒有作用到微處理器本身時(shí)，微處理器仍然正確無誤地執(zhí)行各種抗干擾軟件，消除或者削弱干擾噪聲對(duì)電磁流量計(jì)輸入輸出通路的影響，當(dāng)干擾噪聲通過三總線等作用到微處理器本身，CPU將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，導(dǎo)致智能電磁流量計(jì)整個(gè)工作混亂，為了提高微處理器自身的抗*力采用硬件和軟件相配合的多種抗干擾措施。多種復(fù)位方式解決失控的CPUzui簡單的方法，掉電保護(hù)技術(shù)，軟件指令冗余措施，軟件陷阱抗干擾方法也是排除智能電磁流量計(jì)微處理器失控的有效方法。
f. 程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)（WATCHDOG）
智能電磁流量計(jì)采用程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)以監(jiān)視微處理器執(zhí)行應(yīng)用程序的狀況，當(dāng)程序正彈到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)看門狗能及時(shí)發(fā)并強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，擺脫死循環(huán)狀態(tài)，圖5所示是由硬件和軟件配合構(gòu)成的程序運(yùn)行監(jiān)視器。
六 結(jié) 束 語
智能電磁流量計(jì)多種抗干擾技術(shù)的采用，使電磁流量計(jì)抗*力增強(qiáng)，精度和可靠性提高，不僅實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)小型輕量一體化智能化，而且推動(dòng)了電磁流量計(jì)的廣泛應(yīng)用，開拓了電磁流量計(jì)的潛在市場。
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