摘要：傳統(tǒng)電磁流量計在消除微分干擾時大多數(shù)采用在硬件電路上消除或者避開微分干擾時段進行采樣，很少研究影響干擾的原因。基于真實電極情況，建立電極回路測量模型并基于模型進行電極信號仿真，研究了傳感器參數(shù)和電極參數(shù)變化對微分干擾的影響。結(jié)果表明，當參數(shù)取值不同時尖峰干擾也不相同，從而為研究和消除干擾減小測量誤差提供理論依據(jù)。
電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律的流量儀表，主要由傳感器和變送器組成，傳感器將待測流體轉(zhuǎn)換成電信號，變送器對電信號進行一系列的處理轉(zhuǎn)換成實際對應的流量。理想情況下電極上感應出的電勢與流體流速成正比，但在實際中電極信號摻雜許多干擾信號，主要的干擾為微分干擾、同向干擾、工頻干擾、共模干擾、串模干擾、漿液干擾和極化干擾等。為確保流量計測量準確性須對干擾進行抑制，如采用交流勵磁克服極化干擾、高共模抑制比差分放大器克服共模干擾、勵磁頻率為工頻整數(shù)倍克服工頻干擾、良好接地技術和靜電屏蔽克服串模干擾、漿液噪聲符合1／f特性可通過提高勵磁頻率加以克服。
　　當采用交流勵磁時，由于存在勵磁線圈等效電感，勵磁切換過程中勵磁電流存在漸變過程，在這一過程中磁感應強度處于非穩(wěn)定狀態(tài)，變化的磁場穿過由被測流體、測量電極、電極引出線和變送器共同組成的閉合回路，實際中該回路不可能與磁力線保持平行，此時勵磁線圈相當于變壓器的初級線圈，閉合回路等價于只有一匝的次級線圈且回路大小可等效為回路電感。根據(jù)“變壓器效應”會產(chǎn)生一個尖峰即微分干擾疊加在電極上，影響流量的測量。
1微分干擾相關研究
　　當前消除微分噪聲主要從信號處理方面入手，并未對影響噪聲的因素加以研究。建立電極測量回路等效模型，給出仿真模型搭建、參數(shù)取值和仿真結(jié)果分析。
2電極測量回路模型建立
2.1測量回路等效模型
　　測量電極與流體介質(zhì)接觸時會發(fā)生電化學反應［7］在電極－溶液界面形成阻抗，通常由法拉第阻抗與雙電層電容并聯(lián)組成。法拉第過程分為電荷傳遞過程和擴散過程，相應的法拉第阻抗由電荷傳遞電阻與擴散阻抗串聯(lián)組成。一般電磁流量計的勵磁頻率大于1Hz，而擴散阻抗發(fā)生在更低頻率內(nèi)，不考慮擴散過程，電極等效阻抗為電荷傳遞電阻與雙電層電容并聯(lián)后再與電極接觸電阻串聯(lián)�；�于電極阻抗建立的電極等效測量回路如圖1所示。

　　圖中：Rs1和Rs2為電荷傳遞電阻；C1和C2為雙電層電容；Rt為兩個測量電極間的接觸電阻滿足Rt＝Rt1＋Rt2；Lx為勵磁線圈等效電感；L1為閉合回路等效電感；R1和R2為放大器輸入電阻；P1和P2為由“變壓器效應”疊加在測量電極上的微分干擾；U1為流體切割磁力線產(chǎn)生的感應電勢；Ue為勵磁電壓。假設磁感應強度由勵磁電流決定且成正比關系即B＝aI，忽略串模等干擾則電極間電壓為感應電勢與微分干擾的疊加，基本方程如下：

則微分干擾的量化表達式為：

　　式中，Rx為勵磁線圈銅耗電阻。由于在兩個測量電極上感應出的流量信號大小相等方向相反，可對其中一個電極進行研究。對于電極A，假設單電極回路的總阻抗為ZA，則：

2.2參數(shù)取值
　　電極上的感應電動勢在沒有經(jīng)過放大之前一般很小，取值在幾毫伏到幾百毫伏之內(nèi)，仿真中流速感應電勢取10mV。放大器的輸入電阻遠遠大于內(nèi)阻，文獻［8］中給出電荷傳遞電阻為Rs＝50Ω。電極接觸電阻與溶液電導率有關一般取Rt＝15kΩ。雙電層電容C1＝20μF。將各參數(shù)值代入到式（7）中，可得k1＝0.998，T1＝0.001，T＝9.9×10－4。理想情況兩個電極參數(shù)取值相等，實際中兩者會存在差異對于電極B可取K1＝0.997，T1＝9.75×10－4，T2＝9.74×10－4。
3基于MATLAB的電極信號仿真
3.1仿真模型
　　基于Matlab中Siumlink對電極信號進行仿真，勵磁方式為三值波勵磁，勵磁頻率f＝25Hz，傳感器參數(shù)D＝40mm、Rx＝88.8Ω、Lx＝162mH，勵磁系統(tǒng)參數(shù)Ue＝100V、穩(wěn)態(tài)電流I0＝200mA。
　　基于電極測量回路搭建的仿真模型如圖2所示，圖中信號模塊pulsGenerator通過加法器、乘法器得到勵磁電流。由公式（1），在固定流速下感應電勢與勵磁電流成正比，通過增加Gain1模塊得到感應電勢信號。對勵磁電流進行求導即經(jīng)模塊Derivative得到微分噪聲，其中Gain值與Lx和L1相關。感應電勢與噪聲經(jīng)Add1疊加之后得到電極信號E1（t）。scope觀察輸出信號波形。
　　仿真波形和真實波形如圖3所示。將傳感器參數(shù)代入到勵磁電流穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時間［9］公式中，得電流上升時間為360μs，測得實際上升時間為390μs，兩者相差不大，驗證了仿真模型的正確性。


3.2仿真實驗
　　仿真試驗中，設定線圈等效電感取值范圍為162～212mH，間隔10mH；閉合回路等效電感范圍0.2～1mH，間隔為0.2mH；雙電層電容、接觸電阻隨流體電導率變化而變化，電導率增大接觸電阻和雙電層電容減小而電荷傳遞電阻增大�？稍O定電極接觸電阻、雙電層電容和電荷傳遞電阻范圍分別為5～15kΩ、10～20μF和50～60Ω，由公式（7）知，可用T2表示上述三者關系。仿真參數(shù)取值不同情況下，通過MATLAB工具箱對仿真測量得到的干擾峰值進行曲線擬合畫出相應的曲線圖。其中仿真數(shù)據(jù)和相對應的曲線方程如表1～表4所示，曲線圖如圖4～圖6。

3.3仿真結(jié)果分析
　　圖4為改變勵磁線圈等效電感其它值保持不變時測得的干擾結(jié)果，可以看出，當線圈等效電感取值不同時，干擾峰值存在變化，電感越大線圈中電流上升（下降）時間越長，微分干擾越大。

　　圖5為改變測量回路等效電感即等價于改變交變磁力線穿過測量回路等效面積時測得的干擾結(jié)果，隨著值增大干擾呈逐漸增大的趨勢。因此要避免電極走線偏離，盡量保持回路與磁力線平行以減小干擾。

　　圖6為電極等效阻抗值變化時測得的干擾結(jié)果，當溶液電導率改變時電極等效阻抗值變化，同樣會對微分噪聲產(chǎn)生較大影響。電導率越大干擾峰值越小。

4結(jié)束語
　　運用MATLAB仿真軟件對電磁流量計電極信號進行建模仿真，通過該模型分析勵磁線圈等效電感、閉合回路和電極等效阻抗取值變化情況下微分干擾變化，得到影響微分干擾原因。

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