渦輪流量計(jì)輸出信號(hào)干擾源分析及抑制

/ 福建省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

渦輪流量計(jì)是在某一長(zhǎng)度的管道內(nèi)固定一個(gè)渦輪，渦輪的中心軸與管道的軸心重合，葉片具有一定的偏轉(zhuǎn)角度，其長(zhǎng)度略小于管道半徑。當(dāng)流體流過(guò)渦輪葉片時(shí)，葉輪旋轉(zhuǎn)，在特定的流量范圍內(nèi)，葉輪轉(zhuǎn)速和流體流速成正比，這樣就可以通過(guò)測(cè)量渦輪的轉(zhuǎn)速間接計(jì)量流體的流速。由于葉片具有導(dǎo)磁性，它處于信號(hào)檢測(cè)器的磁場(chǎng)中，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)周期性的切割磁感線，從而使線圈兩端產(chǎn)生周期性的高低電平即方波信號(hào)，方波信號(hào)的頻率和流速成正比，通過(guò)測(cè)量方波信號(hào)的頻率即可得到流體流速，再乘以管道截面積即可得到體積流量[1-2]。

由于渦輪流量計(jì)具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。為了保證測(cè)量結(jié)果的可靠性，渦輪流量計(jì)需要定期的檢定校準(zhǔn)。渦輪流量計(jì)放大器一般有三個(gè)輸出端子，分別為直流電源正極輸入、脈沖輸出（方波信號(hào)）線、電源和信號(hào)共地線。標(biāo)定時(shí)可以直接通過(guò)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采集被檢渦輪流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)，同時(shí)同步采集脈沖數(shù)和流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流體體積量值，即可得出該流量點(diǎn)的儀表系數(shù)。企業(yè)使用時(shí)只需采集渦輪流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)量或者頻率，通過(guò)換算即可得到管道內(nèi)的流量。

1 渦輪流量計(jì)失真信號(hào)的采集

為了適應(yīng)不同種類(lèi)、不同規(guī)格的流量計(jì)的檢定校準(zhǔn)需要，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置通常配備了不同功率的水泵及相應(yīng)的變頻器，以便對(duì)流量計(jì)的不同流量點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和流量計(jì)下游閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)至目標(biāo)流量。在校準(zhǔn)三線制脈沖輸出的渦輪流量計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)采集到的脈沖頻率值嚴(yán)重異常。正常的渦輪流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。在流量穩(wěn)定時(shí)，輸出的方波信號(hào)的頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，但此時(shí)中控室采集到方波信號(hào)頻率極不穩(wěn)定，懷疑傳輸?shù)讲杉鞯男盘?hào)已經(jīng)嚴(yán)重失真。通過(guò)把信號(hào)引入示波器，觀察到了信號(hào)失真的波形，如圖1所示。

圖1 示波器采集到的渦輪流量計(jì)輸出信號(hào)波形

2 干擾源的排查及抑制

圖1失真波形可看作在主方波信號(hào)的基礎(chǔ)上，疊加了高頻的諧波信號(hào)，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)裝置無(wú)法采集到正確而穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。觀測(cè)了從渦輪流量計(jì)放大器直接輸出的信號(hào)的波形，即沒(méi)有其他傳輸過(guò)程的脈沖信號(hào)，示波器顯示波形正常。

2.1 干擾源的排查

為了找到干擾源，考慮到信號(hào)的傳輸過(guò)程，主要做了以下幾方面的嘗試。

1）電源接地的影響，由于三線制渦輪流量計(jì)的輸出信號(hào)和電源是共地的，懷疑是直流電源中含有干擾信號(hào)通過(guò)共地傳導(dǎo)給了輸出信號(hào)，導(dǎo)致輸出信號(hào)失真，所以把渦輪流量計(jì)的地線接到了實(shí)驗(yàn)室專用地線上，觀察輸出信號(hào)，波形沒(méi)有明顯的變化，仍然失真。

2）由于流量標(biāo)準(zhǔn)裝置每條檢測(cè)管道都有控制閥門(mén)的電源線和被檢表的電源及信號(hào)采集線，最后匯總到一起通過(guò)橋架延伸到中控室，考慮是其他電線的信號(hào)干擾到了渦輪流量計(jì)信號(hào)的傳輸，所以采用單獨(dú)走線的方式，將渦輪流量計(jì)的相關(guān)電源及信號(hào)輸出線獨(dú)立出來(lái)，觀察控制室采集到的波形，仍然失真。

3）考慮水泵及變頻器的干擾，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置配備有穩(wěn)壓罐，在穩(wěn)壓罐達(dá)到一定的使用壓力之后，關(guān)閉變頻器和水泵，利用穩(wěn)壓罐內(nèi)的殘余水壓使渦輪流量計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)示波器觀察到了標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。

2.2 干擾源的抑制

由上節(jié)干擾源的排查可知，失真方波信號(hào)中的高頻信號(hào)是由變頻器或者水泵產(chǎn)生。變頻器的工作原理是將工頻交流電壓經(jīng)過(guò)整流、濾波得到穩(wěn)定的直流電壓，在變頻器內(nèi)部集成微處理器的作用下，將直流電壓逆變?yōu)樗桀l率的交流電壓。在這個(gè)過(guò)程中，二極管、可控硅等開(kāi)關(guān)元件有規(guī)律的開(kāi)通與關(guān)斷就產(chǎn)生了高頻諧波。變頻器的輸入側(cè)和輸出側(cè)都含有很多高頻諧波成分[3]。變頻器產(chǎn)生的干擾主要有兩種，一種是傳導(dǎo)干擾，諧波信號(hào)產(chǎn)生后和有效信號(hào)一起沿線路傳輸，形成電磁傳導(dǎo)干擾，影響其他設(shè)備運(yùn)行。另外一種是輻射干擾，變頻器逆變后輸出的脈沖狀電流，其中包含了大量的高頻諧波，形成射頻輻射干擾[4]。

為了隔離變頻器產(chǎn)生的高頻諧波，需要在變頻器輸出端串聯(lián)EMC濾波器，一種典型的EMC濾波器電路原理圖如圖2所示。

圖2 EMC濾波器電路原理圖

該電路由電容、電抗、電阻等器件構(gòu)成 ，EMC濾波器對(duì)差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。差模干擾的抑制是依靠?jī)?nèi)部差模電容在高頻時(shí)的低阻抗特性和差模電感在高頻時(shí)的高阻抗特性，在這種特性下某些特定頻率的信號(hào)允許通過(guò)，其他頻率的信號(hào)得到較強(qiáng)的抑制；共模電容和共模電感對(duì)共模干擾的抑制原理與差模電容和差模電感對(duì)差模干擾的抑制類(lèi)似。在變頻器的輸入輸出端都串聯(lián)了三相EMC濾波器之后，中控室采集到了標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，和渦輪流量計(jì)直接輸出的信號(hào)相符合。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置接收到的三線制渦輪流量計(jì)輸出信號(hào)失真的觀察，分析了可能產(chǎn)生干擾的源頭，并采取實(shí)驗(yàn)的方式一一驗(yàn)證，最后確定是變頻器產(chǎn)生的高頻諧波干擾了渦輪流量計(jì)信號(hào)的傳輸。在變頻器的輸入輸出端串入了EMC濾波器，成功抑制了方波信號(hào)上的高頻尖峰，采集到了正常的方波信號(hào)。