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渦輪流量計輸出信號干擾源分析
關鍵字:渦輪流量計,流量計    日期:2019-4-22 9:02:12

摘 要:通過觀察流量標準裝置接收到的渦輪流量計輸出信號的失真情況,分析可能產生干擾的源頭,最后確定是變頻器產生的高頻諧波引起流量計輸出信號的失真。在變頻器的輸入輸出端串聯EMC 濾波器,有效地抑制了高頻諧波對渦輪流量計輸出信號的干擾。

0 引言

渦輪流量計是在某一長度的管道內固定一個渦輪,渦輪的中心軸與管道的軸心重合,葉片具有一定的偏轉角度,其長度略小于管道半徑。當流體流過渦輪葉片時,葉輪旋轉,在特定的流量范圍內,葉輪轉速和流體流速成正比,這樣就可以通過測量渦輪的轉速間接計量流體的流速。由于葉片具有導磁性,它處于信號檢測器的磁場中,葉片旋轉時周期性的切割磁感線,從而使線圈兩端產生周期性的高低電平即方波信號,方波信號的頻率和流速成正比,通過測量方波信號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]。

由于渦輪流量計具有良好的重復性和穩定性,在實際生產中得到了廣泛的應用。為了保證測量結果的可靠性,渦輪流量計需要定期的檢定校準。渦輪流量計放大器一般有三個輸出端子,分別為直流電源正極輸入、脈沖輸出(方波信號)線、電源和信號共地線。標定時可以直接通過流量標準裝置采集被檢渦輪流量計輸出的脈沖信號,同時同步采集脈沖數和流過標準流量計的流體體積量值,即可得出該流量點的儀表系數。企業使用時只需采集渦輪流量計輸出的脈沖數量或者頻率,通過換算即可得到管道內的流量。

1 渦輪流量計失真信號的采集

為了適應不同種類、不同規格的流量計的檢定校準需要,流量標準裝置通常配備了不同功率的水泵及相應的變頻器,以便對流量計的不同流量點檢測時,通過調節水泵的轉速和流量計下游閥門的開度來調節至目標流量。在校準三線制脈沖輸出的渦輪流量計時,發現采集到的脈沖頻率值嚴重異常。正常的渦輪流量計輸出的脈沖信號應是標準的方波信號。在流量穩定時,輸出的方波信號的頻率應是一個相對穩定的值,但此時中控室采集到方波信號頻率極不穩定,懷疑傳輸到采集器的信號已經嚴重失真。通過把信號引入示波器,觀察到了信號失真的波形,如圖 1 所示。

示波器采集渦輪流量計輸出信號波形

2 干擾源的排查及抑制

1 失真波形可看作在主方波信號的基礎上,疊加了高頻的諧波信號,導致標準裝置無法采集到正確而穩定的脈沖信號。觀測了從渦輪流量計放大器直接輸出的信號的波形,即沒有其他傳輸過程的脈沖信號,示波器顯示波形正常。

2.1 干擾源的排查

為了找到干擾源,考慮到信號的傳輸過程,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的輸出信號和電源是共地的,懷疑是直流電源中含有干擾信號通過共地傳導給了輸出信號,導致輸出信號失真,所以把渦輪流量計的地線接到了實驗室專用地線上,觀察輸出信號,波形沒有明顯的變化,仍然失真。

2)由于流量標準裝置每條檢測管道都有控制閥門的電源線和被檢表的電源及信號采集線,最后匯總到一起通過橋架延伸到中控室,考慮是其他電線的信號干擾到了渦輪流量計信號的傳輸,所以采用單獨走線的方式,將渦輪流量計的相關電源及信號輸出線獨立出來,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,流量標準裝置配備有穩壓罐,在穩壓罐達到一定的使用壓力之后,關閉變頻器和水泵,利用穩壓罐內的殘余水壓使渦輪流量計運轉,通過示波器觀察到了標準的方波信號。

2.2 干擾源的抑制

由上節干擾源的排查可知,失真方波信號中的高頻信號是由變頻器或者水泵產生。變頻器的工作原理是將工頻交流電壓經過整流、濾波得到穩定的直流電壓,在變頻器內部集成微處理器的作用下,將直流電壓逆變為所需頻率的交流電壓。在這個過程中,二極管、可控硅等開關元件有規律的開通與關斷就產生了高頻諧波。變頻器的輸入側和輸出側都含有很多高頻諧波成分[3]。變頻器產生的干擾主要有兩種,一種是傳導干擾,諧波信號產生后和有效信號一起沿線路傳輸,形成電磁傳導干擾,影響其他設備運行。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]。

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

該電路由電容、電抗、電阻等器件構成 ,EMC濾波器對差模干擾和共模干擾都有較強的抑制作用。差模干擾的抑制是依靠內部差模電容在高頻時的低阻抗特性和差模電感在高頻時的高阻抗特性,在這種特性下某些特定頻率的信號允許通過,其他頻率的信號得到較強的抑制;共模電容和共模電感對共模干擾的抑制原理與差模電容和差模電感對差模干擾的抑制類似。在變頻器的輸入輸出端都串聯了三相 EMC 濾波器之后,中控室采集到了標準的方波信號,和渦輪流量計直接輸出的信號相符合。

3 結語

通過對流量標準裝置接收到的三線制渦輪流量計輸出信號失真的觀察,分析了可能產生干擾的源頭,并采取實驗的方式一一驗證,最后確定是變頻器產生的高頻諧波干擾了渦輪流量計信號的傳輸。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上的高頻尖峰,采集到了正常的方波信號。

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