【關(guān)鍵詞】電磁流量計(jì) 智能儀器
【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(lèi)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、高抗干擾能力奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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)抗干擾能力和測(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，抗干擾能力差的概念。
   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(lèi)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)致首次電磁流量計(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)首次工業(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干擾能力的問(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，難以完全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)最佳的零點(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、抗干擾能力和響應(yīng)速度的最佳統(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)抗干擾能力，所以電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的改進(jìn)是最有效的抗干擾措施。  

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)工作影響最大，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(chēng)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)，但不能根本上完全消除極化電勢(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)最佳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(lèi)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，以完全消除工頻干擾，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完全相同，雖然采用同步勵(lì)磁技術(shù)、同步采樣技術(shù)仍然不能完全消除工頻干擾噪聲，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)抗干擾能力。
1 新型勵(lì)磁技術(shù)是提高電磁流量計(jì)抗干擾能力的重要手段
   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)抗干擾能力，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)是提高抗干擾能力的首要環(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)生工頻干擾能力的有效方法。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干擾能力，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)。最簡(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)和抗干擾能力。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)的抗干擾能力和容錯(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)是智能儀器中最常采用的技術(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)的抗干擾能力。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干擾能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CPU最簡(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(mén)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)抗干擾能力增強(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)。
參考文獻(xiàn)
1 彭端。雙頻智能電磁流量計(jì)的研究，武漢水利電力大學(xué)碩士研究生論文，1990.6.
2 唐樊官，彭端。雙智能電磁流量計(jì)的研究，武漢水利電大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，VoI.26, 
No.2; P110～117.
3 彭端。電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)的過(guò)去?，F(xiàn)在和未來(lái)，自動(dòng)化儀表。1993.No.5,p1～7
4 唐樊官，彭端。新一代智能電磁流量計(jì)的研究。“STC-93”第三屆全國(guó)敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會(huì)議論文集。1993.6，北京。
5 劉欣榮，流量計(jì)（第二版），北京；水利電力出版社。1989.1
6 J.A.ShercIiff. The Theory of Eiectromagnetic Fiow Measurement .London.

Cambridge University Press,1962,p10～30.
7 上田達(dá)夫。電磁流量計(jì) 日文
8 石川榮。電磁流量計(jì) 日文
9 橋本敏。電磁流量計(jì) 日文
10 岡庭 電磁流量計(jì) 日文