涡轮流量计输出信号干扰源分析-淮安忠和测控仪表有限公司

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涡轮流量计输出信号干扰源分析
关键字:涡轮流量计,流量计    日期:2019-4-22 9:02:12

摘 要:通过观察流量标准装置接收到的涡轮流量计输出信号的失真情况,分析可能产生干扰的源头,最后确定是变频器产生的高频谐波引起流量计输出信号的失真。在变频器的输入输出端串联EMC 滤波器,有效地抑制了高频谐波对涡轮流量计输出信号的干扰。

0 引言

涡轮流量计是在某一长度的管道内固定一个涡轮,涡轮的中心轴与管道的轴心重合,叶片具有一定的偏转角度,其长度略小于管道半径。当流体流过涡轮叶片时,叶轮旋转,在特定的流量范围内,叶轮转速和流体流速成正比,这样就可以通过测量涡轮的转速间接计量流体的流速。由于叶片具有导磁性,它处于信号检测器的磁场中,叶片旋转时周期性的切割磁感线,从而使线圈两端产生周期性的高低电平即方波信号,方波信号的频率和流速成正比,通过测量方波信号的频率即可得到流体流速,再乘以管道截面积即可得到体积流量[1-2]

由于涡轮流量计具有良好的重复性和稳定性,在实际生产中得到了广泛的应用。为了保证测量结果的可靠性,涡轮流量计需要定期的检定校准。涡轮流量计放大器一般有三个输出端子,分别为直流电源正极输入、脉冲输出(方波信号)线、电源和信号共地线。标定时可以直接通过流量标准装置采集被检涡轮流量计输出的脉冲信号,同时同步采集脉冲数和流过标准流量计的流体体积量值,即可得出该流量点的仪表系数。企业使用时只需采集涡轮流量计输出的脉冲数量或者频率,通过换算即可得到管道内的流量。

1 涡轮流量计失真信号的采集

为了适应不同种类、不同规格的流量计的检定校准需要,流量标准装置通常配备了不同功率的水泵及相应的变频器,以便对流量计的不同流量点检测时,通过调节水泵的转速和流量计下游阀门的开度来调节至目标流量。在校准三线制脉冲输出的涡轮流量计时,发现采集到的脉冲频率值严重异常。正常的涡轮流量计输出的脉冲信号应是标准的方波信号。在流量稳定时,输出的方波信号的频率应是一个相对稳定的值,但此时中控室采集到方波信号频率极不稳定,怀疑传输到采集器的信号已经严重失真。通过把信号引入示波器,观察到了信号失真的波形,如图 1 所示。

示波器采集涡轮流量计输出信号波形

2 干扰源的排查及抑制

1 失真波形可看作在主方波信号的基础上,叠加了高频的谐波信号,导致标准装置无法采集到正确而稳定的脉冲信号。观测了从涡轮流量计放大器直接输出的信号的波形,即没有其他传输过程的脉冲信号,示波器显示波形正常。

2.1 干扰源的排查

为了找到干扰源,考虑到信号的传输过程,主要做了以下几方面的尝试。

1)电源接地的影响,由于三线制涡轮流量计的输出信号和电源是共地的,怀疑是直流电源中含有干扰信号通过共地传导给了输出信号,导致输出信号失真,所以把涡轮流量计的地线接到了实验室专用地线上,观察输出信号,波形没有明显的变化,仍然失真。

2)由于流量标准装置每条检测管道都有控制阀门的电源线和被检表的电源及信号采集线,最后汇总到一起通过桥架延伸到中控室,考虑是其他电线的信号干扰到了涡轮流量计信号的传输,所以采用单独走线的方式,将涡轮流量计的相关电源及信号输出线独立出来,观察控制室采集到的波形,仍然失真。

3)考虑水泵及变频器的干扰,流量标准装置配备有稳压罐,在稳压罐达到一定的使用压力之后,关闭变频器和水泵,利用稳压罐内的残余水压使涡轮流量计运转,通过示波器观察到了标准的方波信号。

2。2 干扰源的抑制

由上节干扰源的排查可知,失真方波信号中的高频信号是由变频器或者水泵产生。变频器的工作原理是将工频交流电压经过整流、滤波得到稳定的直流电压,在变频器内部集成微处理器的作用下,将直流电压逆变为所需频率的交流电压。在这个过程中,二极管、可控硅等开关元件有规律的开通与关断就产生了高频谐波。变频器的输入侧和输出侧都含有很多高频谐波成分[3]。变频器产生的干扰主要有两种,一种是传导干扰,谐波信号产生后和有效信号一起沿线路传输,形成电磁传导干扰,影响其他设备运行。另外一种是辐射干扰,变频器逆变后输出的脉冲状电流,其中包含了大量的高频谐波,形成射频辐射干扰[4]

为了隔离变频器产生的高频谐波,需要在变频器输出端串联 EMC 滤波器,一种典型的 EMC 滤波器电路原理图如图 2 所示。

该电路由电容、电抗、电阻等器件构成 ,EMC滤波器对差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。差模干扰的抑制是依靠内部差模电容在高频时的低阻抗特性和差模电感在高频时的高阻抗特性,在这种特性下某些特定频率的信号允许通过,其他频率的信号得到较强的抑制;共模电容和共模电感对共模干扰的抑制原理与差模电容和差模电感对差模干扰的抑制类似。在变频器的输入输出端都串联了三相 EMC 滤波器之后,中控室采集到了标准的方波信号,和涡轮流量计直接输出的信号相符合。

3 结语

通过对流量标准装置接收到的三线制涡轮流量计输出信号失真的观察,分析了可能产生干扰的源头,并采取实验的方式一一验证,最后确定是变频器产生的高频谐波干扰了涡轮流量计信号的传输。在变频器的输入输出端串入了 EMC 滤波器,成功抑制了方波信号上的高频尖峰,采集到了正常的方波信号。

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