摘要: 綜述了電磁流量計(jì)（EMF）抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷史，討論了電磁流量計(jì)三類干擾噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)理和特征，研究了矩形波勵(lì)磁型智能電磁流量計(jì)的硬件和軟件抗干擾技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)智能電磁流量計(jì)的高精度、高可靠性、高抗*力奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞: 電磁流量計(jì)干擾 噪聲 智能儀器
一 概 述
電磁流量計(jì)的發(fā)展和應(yīng)用與其抗干擾技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步密切相關(guān)，特別是近幾十年來(lái)采用三直低頻矩形波動(dòng)勵(lì)磁技術(shù)和雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)，以及微處理器硬件和軟件技術(shù)明顯地提高了電磁流量計(jì)抗*力和測(cè)量精度，擴(kuò)大了電磁流量計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域，改變了人們長(zhǎng)期認(rèn)為電磁流量計(jì)測(cè)量精度低，抗*力差的概念。
電磁流量計(jì)是基于導(dǎo)電性流體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)來(lái)推算流體流量的測(cè)量?jī)x表，其基本工作原理是電磁感應(yīng)定律。因此電磁耦合靜電感應(yīng)是電磁流量計(jì)干擾噪聲的首要來(lái)源；被測(cè)流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量計(jì)干擾燥聲的第二來(lái)源；電磁流量計(jì)供電電源的電壓和頻率波動(dòng)等電源干擾噪聲是電磁流量計(jì)干擾噪聲的第三來(lái)源。以上三類干擾噪聲的來(lái)源、機(jī)理、特性不同。對(duì)電磁流量計(jì)的影響方式不同，相應(yīng)采用的抗干擾措施也不同。作者結(jié)合雙頻矩形波勵(lì)磁智能電磁流量計(jì)的研究工作，著重就智能電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)加以探討，提出一些抗干擾的對(duì)策，以供智能儀器研究設(shè)計(jì)參考。
二 電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷史
電磁流量計(jì)的發(fā)展歷史就是其抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷史。早在1832年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第構(gòu)想地球磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量泰晤土河水的流速，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，但未能獲得成功。主要原因是在直流勵(lì)磁磁場(chǎng)下存在流體介質(zhì)的極化效應(yīng)和熱電效應(yīng)而產(chǎn)生干擾噪聲淹沒(méi)了流量信號(hào)電勢(shì)。河床短路了流速信號(hào)電勢(shì)，加之當(dāng)時(shí)的流量技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到解決各種干擾噪聲的抑制和高阻抗信號(hào)測(cè)量的水平，因此導(dǎo)致電磁流量計(jì)實(shí)驗(yàn)研究的失敗。誠(chéng)然，從電磁流量計(jì)研究伊始就面臨如何克服各種干擾噪聲的棘手難題，正因如此，在以后的電磁流量計(jì)研究過(guò)程中，人們都將其抗干擾技術(shù)列為首要的技術(shù)問(wèn)題。
電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)其抗干擾技術(shù)的進(jìn)步。50年代末電磁流量計(jì)工業(yè)應(yīng)用開(kāi)始，電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)階段，每一次進(jìn)步都是為了解決其抗*力的問(wèn)題，促使電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)出現(xiàn)一次飛躍，電磁流量計(jì)的性能指標(biāo)提高。50年代末六十年代初，為了減弱直流勵(lì)磁磁場(chǎng)下電極表面的嚴(yán)重極化電勢(shì)的影響，采用了工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)，但導(dǎo)致了電磁感應(yīng)、靜電耦合等工頻干擾，致使采用復(fù)雜的正交干擾抑制電路等多種抗干擾措施，難以*消除工頻干擾噪聲的影響，導(dǎo)致電磁流量計(jì)零點(diǎn)難以穩(wěn)定、測(cè)量精度低、可靠性差。70年代中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和同步采樣技術(shù)的問(wèn)世，采用低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)，改變工頻干擾的形態(tài)特征，利用工頻同步采樣技術(shù)，獲得電磁流量計(jì)較好的抗工頻干擾的能力，測(cè)量精度提高、零點(diǎn)穩(wěn)定、可靠性增強(qiáng)。80年代初采用三值低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)和動(dòng)態(tài)校零技術(shù)、同步勵(lì)磁、同步采樣技術(shù)以獲得電磁流量計(jì)*的零點(diǎn)穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高抗工頻干擾和極化電勢(shì)干擾的能力。80年代末采用雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)，既能克服流體介質(zhì)產(chǎn)生的泥漿干擾和流體流動(dòng)噪聲，又能具有低頻矩形波勵(lì)磁電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)壓性，實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定性、抗*力和響應(yīng)速度的*統(tǒng)一。因此電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的進(jìn)步，一方面改變正交干擾電勢(shì)的形態(tài)和特征，另一方面降低泥漿干擾和流動(dòng)噪聲的數(shù)量級(jí)，從而提高電磁流量計(jì)抗*力，所以電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的改進(jìn)是zui有效的抗干擾措施。
三 電磁流量計(jì)干擾噪聲的物理機(jī)理、特性及其對(duì)策
為了對(duì)電磁流量計(jì)抗干擾技術(shù)加以探討，首先必須對(duì)電磁流量計(jì)干擾噪聲產(chǎn)生的物理機(jī)理和特性加以分析研究，從而根據(jù)各種干擾噪聲的特性采用相應(yīng)的抗干擾對(duì)策，以提高電磁流量計(jì)抗干擾的能力。
1 工頻干擾噪聲
工頻干擾噪聲是由電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合，另外電磁流量計(jì)工作現(xiàn)場(chǎng)的工頻共模干擾，其三供電電源引入的工頻串模干擾等，其產(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。首先就電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對(duì)電磁流量計(jì)工作影響zui大，而且在不同的勵(lì)磁技術(shù)下其表現(xiàn)的形態(tài)、特性不同，因而采取抗干擾措施也不同，如圖1所示在各種勵(lì)磁技術(shù)
下此工頻干擾噪聲的特性。在工頻正弦波勵(lì)磁磁場(chǎng)下，此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為正交干擾（見(jiàn)圖1 b），又稱為變壓器電勢(shì)，其特點(diǎn)是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵(lì)磁頻率成正比 ，相位滯后流量信號(hào)電勢(shì)900，且幅值較流量信號(hào)電勢(shì)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在低頻矩形波勵(lì)磁，三值低頻矩形波勵(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁條件，此種電磁偶合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為微分干擾（見(jiàn)圖1c），其波形為脈沖波形，其中幅值和磁通變化率成正比，且按指數(shù)規(guī)律衰減，一般而言其幅值比正弦波勵(lì)磁條件下的正交干擾大得多，另外此微分干擾僅在勵(lì)磁磁通變化時(shí)產(chǎn)生，而在磁通恒定時(shí)，下一個(gè)磁通發(fā)生變化之前不會(huì)產(chǎn)生微分干擾，具有時(shí)段性。
針對(duì)工頻正弦波勵(lì)磁下的正交干擾噪聲，采用復(fù)雜的自動(dòng)正交抑制系統(tǒng)減小正交干擾噪聲的影響，但由于正交干擾噪聲比流量信號(hào)電勢(shì)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)正交抑制電子電路的任何不完善都將導(dǎo)致一部分正交干擾轉(zhuǎn)換成同相干擾，使工頻正弦波勵(lì)磁電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移，流量測(cè)量精度難以提高。
采用低頻矩形波勵(lì)磁、三值低頻矩形波勵(lì)磁、雙頻矩形波勵(lì)磁，正交干擾噪聲演變成為微分干擾。由于微分干擾具有時(shí)段時(shí)，利用同步采樣技術(shù)在磁場(chǎng)恒定期，即微分干擾衰減為零之后，采用寬脈沖同步采樣（工頻周期的偶數(shù)倍），以避免串入流量信號(hào)電勢(shì)中的工頻干擾的影響。其次采用控制勵(lì)磁電流（勵(lì)磁磁通）變化率的方法減小微分干擾的幅值，但減小流量信號(hào)采樣的時(shí)間間隔；也可以采用程控增益技術(shù)使微分干擾時(shí)段增益為Odb，而恒磁通時(shí)段增益為100db，以減小微分干擾的幅值的影響。
對(duì)于工頻共模干擾和工頻串模干擾是常見(jiàn)的干擾，主要是由于電磁屏蔽缺陷、分布電容耦合、電磁流量計(jì)接地不良等原因產(chǎn)生，采用輸入保護(hù)技術(shù)、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術(shù)以及重復(fù)接地技術(shù)，工頻寬脈沖同步采樣技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。
2 流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲
電化學(xué)極化電勢(shì)干擾是由于電極感生電動(dòng)勢(shì)在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場(chǎng)能顯著減弱極化電勢(shì)的數(shù)量級(jí)，但不能根本上*消除極化電勢(shì)干擾。其特性于流體介質(zhì)的性質(zhì)、電極材料性質(zhì)、電極的外形尺寸形狀有關(guān)，具有變化緩慢，數(shù)量級(jí)不大等特點(diǎn)，如圖2所示流體電化學(xué)電勢(shì)干擾及其解決方法。因此選擇合適的電極材料（如碳化鎢），設(shè)計(jì)*的電極形狀的尺寸是減小極化電勢(shì)的有效方法之一；另外采用正負(fù)兩極性交變的矩形波勵(lì)磁技術(shù)配合微處理器同步寬脈沖采樣技術(shù)，到用微處理器運(yùn)算功能前后兩次采樣值相減消除流量信號(hào)電勢(shì)中的極化電勢(shì)干擾。
泥漿干擾是在測(cè)量泥漿、纖維漿等液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)，固體顆粒或者氣泡擦過(guò)電極表面時(shí)，電極表面的接觸電化學(xué)電勢(shì)突然變化，電磁流量傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲如圖3所示。在勵(lì)磁頻率較低時(shí)，泥漿干擾的數(shù)量級(jí)較大，高頻時(shí)干擾數(shù)量級(jí)較小，具有1/f的頻譜特性。提高抗泥漿干擾的能力必須采用較高頻率的矩形波勵(lì)磁，以提高電磁流量傳感器輸出的信噪比，但會(huì)犧牲電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性。另外也可采用流量信號(hào)變化率限制方法以剔除脈沖干擾對(duì)電磁流量計(jì)的影響，但會(huì)犧牲儀表的響應(yīng)速度。
流體流動(dòng)噪聲是在測(cè)量低導(dǎo)率液體（100vs/cm以下）流體流量時(shí)，電極的電化學(xué)電勢(shì)定期波動(dòng)，產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機(jī)干擾噪聲，具有類似泥漿干擾的1/f頻譜特性，因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低流體流動(dòng)噪聲的數(shù)量級(jí)，以提高電磁流量傳感器測(cè)量低導(dǎo)電率流體流量的信噪比。
3 供電電源性干擾
電磁流量計(jì)一般都采用工頻交流電源供電，其電源電壓的幅值和頻率的變化都會(huì)給電磁流量計(jì)帶來(lái)電源性干擾噪聲。對(duì)電源電壓的幅值變化，因采用多級(jí)集成穩(wěn)壓，一般而言電源電壓的幅值變化對(duì)電磁流量的測(cè)量精度影響不大。當(dāng)電源電壓的頻率波動(dòng)時(shí)，雖然其波動(dòng)范圍有限，但對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量精度影響較大。在智能矩形波勵(lì)磁電磁流量計(jì)中采用寬脈沖采樣技術(shù)，其脈沖寬度為工頻周期的整數(shù)倍，具同步于工頻周期，以*消除工頻干擾，但前提條件是工頻噪聲干擾基本不變。當(dāng)供電電源頻率波動(dòng)時(shí)，流量信號(hào)采樣時(shí)使前后的工頻噪聲不能*相同，雖然采用同步勵(lì)磁技術(shù)、同步采樣技術(shù)仍然不能*消除工頻干擾噪聲，必須采用相應(yīng)的頻率補(bǔ)償技術(shù)，使勵(lì)磁電流、采樣脈沖，A/D 轉(zhuǎn)換同步于頻率的變化。
四 智能電磁流量計(jì)硬件抗干擾技術(shù)
綜合上述電磁流量計(jì)干擾噪聲產(chǎn)生的物理和特性分析，智能電磁流量計(jì)分別采用硬件和軟件干擾技術(shù)，以提高電磁流量計(jì)抗*力。
1 新型勵(lì)磁技術(shù)是提高電磁流量計(jì)抗*力的重要手段
電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展，不僅減弱電極極化電勢(shì)、泥漿干擾、流動(dòng)噪聲的影響，又能改變工頻干擾的形態(tài)，便于同步采樣技術(shù)處理工頻干擾噪聲，以避免工頻干擾的影響。目前電磁流量傳感器采用工頻頻率同步三值低頻矩形勵(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁，從而提高電磁流量計(jì)整個(gè)抗*力，提高電磁流量計(jì)的測(cè)量精度和可靠性。
2 前置放大器的設(shè)計(jì)是提高抗*力的首要環(huán)節(jié)
電磁流量傳感器輸出流信號(hào)十分微弱，內(nèi)阻抗較高，因此高輸出入阻抗、低漂移、低噪聲、高CRMM前置放大器才能滿足抗同相共模干擾的要求。前置放大器采用JFET高輸入阻抗電壓緩沖器，低漂移低噪聲減法器，精密電阻精心匹配組成儀用放大器，并采用輸入保護(hù)技術(shù)，共模電壓自舉技術(shù)和接地技術(shù)大大提高抗共模干擾的能力，抑制零點(diǎn)漂移的影響。
3 同步采樣的頻度補(bǔ)償技術(shù)
同步采樣和工頻電源頻率監(jiān)視補(bǔ)償技術(shù)，是提高抗流量信號(hào)電勢(shì)中混入工頻干擾和工頻電源頻率波動(dòng)產(chǎn)生工頻*力的有效方法。同步采樣技術(shù)，其采樣脈寬為工頻周期的整數(shù)倍，使流量信號(hào)電勢(shì)中工頻干擾平均值等于零，以消除工頻干擾的影響；工頻電源的頻率波動(dòng)補(bǔ)償是保證頻率的動(dòng)態(tài)波動(dòng)中，勵(lì)磁電源和采樣脈沖得以同步調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)同步采樣技術(shù)和同步勵(lì)磁技術(shù)，同步A/D轉(zhuǎn)換，以降低工頻干擾的影響。
4 采用新型HCMOS系列芯片技術(shù)
采用74HC系列芯片技術(shù)較采用74LS系列芯片其低噪聲容限提高2.4倍，高燥聲容限提高2.1倍，智能電磁流量計(jì)整個(gè)硬件采用74HC系列芯片，不僅降低整個(gè)功耗，而且提高元器件本身抗*力，為電源流量計(jì)小型輕量一體化奠定了基礎(chǔ)。
5 微處理器系統(tǒng)電源電壓監(jiān)視技術(shù)
智能電磁流量計(jì)中微處理器系統(tǒng)當(dāng)電源瞬態(tài)欠壓，勵(lì)磁開(kāi)關(guān)脈沖動(dòng)作都會(huì)造成微處理器誤動(dòng)作，數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象，因此必須采用可靠的復(fù)位電路和電源電壓監(jiān)視技術(shù)。zui簡(jiǎn)單實(shí)用的方法是采用低成本電源配合高靈敏度的電源電壓監(jiān)視器，提高微處理器系統(tǒng)和抗*力。如圖4所示微處理器電壓監(jiān)視器，其采用TL7705CP電源電壓監(jiān)視器芯片，具有電源加電、電源瞬時(shí)欠壓均能產(chǎn)生可靠的復(fù)位信號(hào)。
五 智能電磁流量計(jì)軟件抗干擾技術(shù)
智能電磁流量計(jì)固化在EPROM中的軟件配合硬件除完成智能電磁流量計(jì)的正常功能外，必須具備較強(qiáng)的抗*力和容錯(cuò)能力，組成完善的應(yīng)用程序。
1 數(shù)字濾波技術(shù)
數(shù)字濾波技術(shù)是智能儀器中zui常采用的技術(shù)，能夠完成模擬濾波器不能完成的功能，很容易解決脈沖干擾剔除、數(shù)字電路毛刺干擾消除、A/D轉(zhuǎn)換器的抗工頻能力以及輸入微處理器數(shù)字的可靠性問(wèn)題。
2 程控放大器技術(shù)
程控放大器技術(shù)即解決電磁流量計(jì)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，同時(shí)利用增益控制方法有效削弱微分干擾峰值使放大器過(guò)載的問(wèn)題，便于流量信號(hào)電勢(shì)處理，提高抗微分干擾的能力。
3 微處理器硬件故障自診斷技術(shù)
微處理器硬件故障自診斷技術(shù)是采用軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)，極大地提高硬件系統(tǒng)的可靠性，從而提高整個(gè)智能電磁流量計(jì)的抗*力。具體包括CPU自診斷，定時(shí)器診斷，中斷功能診斷，RAM診斷，A/D通道診斷和校正，D/A通道診斷，數(shù)字I/O口通道的診斷等部分，涉及到智能電磁流量計(jì)的關(guān)鍵部件。
4 微處理器抗干擾技術(shù)
上述各種抗干擾措施是解決輸入、輸出通道中的各種干擾問(wèn)題，當(dāng)干擾噪聲沒(méi)有作用到微處理器本身時(shí)，微處理器仍然正確無(wú)誤地執(zhí)行各種抗干擾軟件，消除或者削弱干擾噪聲對(duì)電磁流量計(jì)輸入輸出通路的影響，當(dāng)干擾噪聲通過(guò)三總線等作用到微處理器本身，CPU將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，導(dǎo)致智能電磁流量計(jì)整個(gè)工作混亂，為了提高微處理器自身的抗*力采用硬件和軟件相配合的多種抗干擾措施。多種復(fù)位方式解決失控的CPUzui簡(jiǎn)單的方法，掉電保護(hù)技術(shù)，軟件指令冗余措施，軟件陷阱抗干擾方法也是排除智能電磁流量計(jì)微處理器失控的有效方法。
5 程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)（WATCHDOG）
智能電磁流量計(jì)采用程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)以監(jiān)視微處理器執(zhí)行應(yīng)用程序的狀況，當(dāng)程序正彈到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)看門狗能及時(shí)發(fā)并強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，擺脫死循環(huán)狀態(tài)，圖5所示是由硬件和軟件配合構(gòu)成的程序運(yùn)行監(jiān)視器。
六 結(jié) 束 語(yǔ)
智能電磁流量計(jì)多種抗干擾技術(shù)的采用，使電磁流量計(jì)抗*力增強(qiáng)，精度和可靠性提高，不僅實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)小型輕量一體化智能化，而且推動(dòng)了電磁流量計(jì)的廣泛應(yīng)用，開(kāi)拓了電磁流量計(jì)的潛在市場(chǎng)。
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