隨著微電子技術的發展, 電磁流量計的技術性能有了進一步的提高,應用也越來越廣泛。由于其具有對液體適應性較強的特點,在現代工業生產中,成為測量流體流量的儀表。

在現行的電磁流量計中,低頻矩形波勵磁方式已成為主要的勵磁方式,為了解決工頻干擾問題,實現對流體流速感應電勢eab信號的準確測量,需利用以下基本關系: ①勵磁周期為工頻周期的整數倍,即勵磁頻率為50Pn Hz ( n 為偶數) ; ②正負勵磁下的同相位采樣。圖1 是對應低頻矩形波勵磁形式下的典型電勢信號形式,按上述關系在一個勵磁周期下,若假設t1 和t2 點為工頻干擾的等效干擾點,且采樣寬度T = T1 = T2 ,則eab的基本算式[1 ,2 ] 為
μ0 ( t2 ) =1/2 T [ t1∫+ T1t 1 e ( t1 ) d t- t2∫+ T2t 2 e ( t2 ) d t ]= eab1
 
圖1 基本信號關系
上式說明電磁流量計的工頻干擾在理論上有了可克服的途徑,但其方法是以同相位( t1 = t2 ) ,同寬度采樣( T1 = T2 = T) 為前提的。顯然在實際情況下,是不可能*這兩個前提的,采樣的相位與寬度不可避免地存在著誤差,如何減少采樣誤差正是本文所要
討論的問題。
1 工頻干擾對流量信號的影響
當流體流速較大時,工頻干擾可以忽略,并不是沒有,而是影響不敏感,這是相對感應電勢的值與工頻干擾的大小比較而言的;而當激勵電流減小(減小勵磁電功率) 或流體流速較小時,發現工頻干擾值在與反映流速的信號值在同一個數量級上,這時工頻干擾又顯得
十分敏感[3 ] 。圖2 即為小流量、激勵電流< 70 mA 時,利用反饋式信號放大處理方法放大了104 數量級倍的信號波形[4 ] 。從圖中可以看出工頻干擾在實際信號中占的比例相當大,如果不正確地消除工頻干擾,就無法得到令人滿意的測量結果。
2 信號采樣方法的分析
*以來,在對電磁流量計進行信號處理時,人們 電磁流量計中的抗工頻干擾問題往往忽略了對信號采樣方法的分析。實際上,采樣的區域、寬度、對稱度及采樣的起始點的選取,特別是在小流量情況下,對 電磁流量計的測量精度有較大的影響。為了說明問題,下面對勵磁頻率為工頻的兩分頻和四分頻的情況進行分析。
2. 1 采樣頻率為工頻的兩分頻
采樣頻率為工頻的兩分頻如圖3 所示。
設α、β為信號采樣起始相位角; T 為采樣寬度;ξ為采樣寬度誤差,令β=α+ 2π+ Δ(Δ 為采樣相位誤差) ,則其采樣信號誤差為
E =α∫α+ T+ξsin td t -  β∫β+ T+ξsin td t
= cosα- cos (α+ T + ξ) + cos (β+ T + ξ) - cosβ
= cosα- cos (α+ T + ξ) + cos (α+ 2π + Δ + T + ξ)- cos (α+ 2π + Δ)
= cosα- cos (α+ T + ξ) + cos (α+ Δ + Τ + ξ) - cos (α+ Δ)
= - 4sinΔ/2sinT + ξ/2cos (α+Δ/2+T + ξ/2)
當采樣寬度相對于t =π/2 時,即α+ T/2 =π/2 ,此時
E = 4sinΔ/2sinT + ξ/2sin( Δ/2+ξ/2) | Δ,ξ →0
= (Δ2 + Δξ) sinT/2+ (Δ2ξ/2+Δξ2/2) costT/2
當T =π/2 , E =√2/2(Δ2 + Δξ+Δ2ξ/2+Δξ2/2) , T 無論為何
值,總是存在近似于二階無窮小的采樣誤差,所以干擾不可能*消除掉。
2. 2 采樣頻率為工頻的四分頻
圖4 (a) ～ (c) 直觀地描述了不同采樣寬度及采樣起始點位置對流量信號的影響。設α,β為信號采樣起始相位角,令β=α+ Δ,Δ為相位差;ξ為采樣寬度誤差;α、β、Δ都很小,可視為無窮小。
圖4 (a) 的采樣寬度為π+ξ,誤差為
E =∫π+α+ξαsin td t -∫5π+β+ξ4π+βsin td t
= cos (π + β+ ξ) - cos (π + α+ ξ) + cosα- cosβ
= cos (π + α+ Δ + ξ) - cos (π + α+ ξ) + cosα- cos (α+ Δ)
= 4sinΔ2sin(α+Δ2+ξ2) cosξ2
≌ (2αΔ + Δ2 + Δξ) cosξ2| ξ →0
≌ 2αΔ + Δ2 + Δξ
圖4 (b) 的采樣寬度也為π+ξ,但是采樣起始點向
左平移了πP2 ,誤差為
E =∫ 3π2+α+ξπ2αsin td t -∫11π2 +β+ξ9π2+βsin td t
= sin(β+ ξ) - sin(α+ ξ) + sinβ- sinα
= sin(α+ Δ + ξ) - sin(α+ ξ) + sin(α+ Δ) - sinα
= 4sinΔ2cos (α+Δ2+ξ2) cosξ2µ 2Δ
圖4 (c) 的采樣寬度為2π+ξ,誤差為
E =∫ 7π2+α+ξ3π2αsin td t -∫15π2 +β+ξ11π2 +βsin td t
= sin(β+ ξ) - sin(α+ ξ) + sinβ- sinα
= sin(α+ Δ + ξ) - sin(α+ ξ) + sinα - sin(α+ Δ)
= 4sinΔ2sin(α+Δ2+ξ2) sinξ2
≌ Δαξ+12Δ2ξ+12Δξ2
圖4 不同采樣寬度及起始點位置對流量信號的影響
從以上算式可以看出,3 種采樣范圍都存在著誤差,就采樣誤差而言,圖4 (a) 近似于二階無窮小,圖4(b) 似于一階無窮小,圖4 (c) 近似于三階無窮小。因此采樣起始點及寬度如圖4 (c) 時誤差E zui小。對于六分頻、八分頻等情況,同樣有上述的結論。
3 實際信號波形的分析
就圖2 的實際信號波形(采樣頻率為工頻的四分頻) 而言,信噪比大約達到了50 % ,當假設正勵磁時間段的采樣起始點比負勵磁時間段滯后1 ms ,即相位差Δ為0. 1π,按上述3 種采樣范圍,得到的采樣誤差分別為0. 049、0. 309、0. 000 ;如果假設正勵磁時間段的采
樣寬度比負勵磁時間段大0. 1π,即ξ為0. 1π,同樣按3種情況進行采樣,得到的采樣誤差分別為0. 024、0.155、0. 155 ;如果同時考慮上述兩種情況(假設條件不變) ,得到的采樣誤差分別為0. 120、0. 448、0. 139。由此可以看出,在采樣寬度及采樣起始點位置存在誤差
時,圖4 (c) 所示的采樣方法無論在哪一種情況下都能更好地克服工頻干擾,同理論分析的結果相一致。
4 結束語
由上面的分析不難發現,在對電磁流量計進行信號處理時,采樣寬度與采樣起始點對測量精度有著較大的影響,對采樣范圍的正確選取,將有利于電磁流量計的測量精度的提高。
利用上述采樣方法進行信號處理時,可以更好地消除工頻干擾,使測量時具有高精度和超寬量程,現在的LB02C 電磁流量計即為實現了zui大動態量程范圍為0. 001～10 mPs 的正負雙向流量測量、精度達0. 5 %RS(流速在0. 1～10 mPs) ,誤差< 0. 000 5 mPs (流速<0. 1 mPs) 的高性能 電磁流量計。