电磁流量计应用中的信号基准与直流噪声

　　0　引言

　　自法拉第1832年进行的利用地磁测量泰晤士河流速试验,到1950年工业电磁流量计产品问世,随着电子技术和计算机技术的飞速发展,电磁流量计日趋成熟和完善,已经成为流量仪表中重要的和受欢迎的品种之一。

　　当年法拉第进行电磁流量计实验,仅三天就以失败告终。究其原因之一是直流信号中包含有漂移的直流极化电压,其值难以和信号分辨。尽管后来的电磁流量计经历了交流励磁、低频矩形波励磁等技术进步与发展,对于电磁感应引起的正交干扰、同相干扰和由于静电感应引起的串模干扰、共模干扰以及浆液对测量电极摩擦出现的尖状干扰所造成的零点不稳定与测量输出摆动等问题非常有效地给予解决。但是,对于测量电解质流体,接地(接液)部件与测量电极间产生漂移的直流极化电压依然存在,仍然会影响到流量信号的基准点稳定与否,进而影响输出信号的稳定性与可靠性。因而,对于流量信号的基准有必要予以正确认识,并采取有效解决措施。

　　由电学知识可知,对作为电动势的电磁流量信号测量,重要的是需要有一个稳定的电位差基准点,也就是信号要良好接地。过去一些人往往只追求接地电阻尽量小,以为这样就能够得到稳定的流量信号。其实不然,导电流体介质作为信号的基准点更为重要。作者从多年研究、应用电磁流量计的经验出发,现场遇到的这类实际测量问题进行分析,力图认识导电流体作为信号的基准点的重要性,并提供基准点接液的方法,供参考。

　　1　导电流体是流量信号电压的基准电位点

　　众所周知,对一个电压信号,总有一个基准的“地”点和一个变化的“信号”端点,以构成电位差。初期的电磁流量传感器曾把一个测量电极作为信号的“地”点,另一个测量电极作为“信号”点。这种信号传输称为“单端信号”,同其他电压信号一样,用图1a可以说明。单端信号的放大是把直流和交流的各种干扰电压和信号迭加在一起同时输入到放大器输入端子。通常,我们称这些干扰为串模干扰、正态干扰或横向干扰等。放大器很难把干扰从信号中分开,这些干扰信号往往幅度很大,远大于毫伏级或微伏级的流量信号。于是,这些干扰就造成了放大信号的失真,使得放大器饱和、堵塞,以至于不能工作。

　　现代电磁流量计的流量信号都是以差动形式由传感器传输到转换放大器的。如同其它差动电压测量,拾取电磁流量信号的两个电极都不直接接转换放大器的信号“地”,而是把“零电阻”的流体介质接到转换放大器的信号“地”端子上。图1b所示是这种差动流量信号的等效电路。进入差动信号放大器两信号端子的信号对“地”端子是幅度大小相等、极性相反,差动放大器放大的是两电极信号端子的差值。因此,对流量信号而言,差动放大器呈放大状态。然而,对幅度大小相等、极性相同的共模干扰,进入差动放大器差值几乎为零,输出也就几乎为零。差动放大器对共模干扰呈衰减状态。尽管由于接地回路的地电流、极化电压、励磁电源与电极间的静电耦合等原因,在差动流量信号中含有共模干扰时,只要电压放大器的参数对称,除非共模干扰能够转化为一定的串模干扰,这些干扰是不会影响信号放大的。事实上,随着集成运放电路制造技术的发展,器件的共模抑制比越来越高,如果再采用电源浮动电路等措施,共模抑制比会更高,测量的精度也就越来越高。