摘要：傳統(tǒng)電磁流量計(jì)在消除微分干擾時大多數(shù)采用在硬件電路上消除或者避開微分干擾時段進(jìn)行采樣，很少研究影響干擾的原因。基于真實(shí)電極情況，建立電極回路測量模型并基于模型進(jìn)行電極信號仿真，研究了傳感器參數(shù)和電極參數(shù)變化對微分干擾的影響。結(jié)果表明，當(dāng)參數(shù)取值不同時尖峰干擾也不相同，從而為研究和消除干擾減小測量誤差提供理論依據(jù)。
電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的流量儀表，主要由傳感器和變送器組成，傳感器將待測流體轉(zhuǎn)換成電信號，變送器對電信號進(jìn)行一系列的處理轉(zhuǎn)換成實(shí)際對應(yīng)的流量。理想情況下電極上感應(yīng)出的電勢與流體流速成正比，但在實(shí)際中電極信號摻雜許多干擾信號，主要的干擾為微分干擾、同向干擾、工頻干擾、共模干擾、串模干擾、漿液干擾和極化干擾等。為確保流量計(jì)測量準(zhǔn)確性須對干擾進(jìn)行抑制，如采用交流勵磁克服極化干擾、高共模抑制比差分放大器克服共模干擾、勵磁頻率為工頻整數(shù)倍克服工頻干擾、良好接地技術(shù)和靜電屏蔽克服串模干擾、漿液噪聲符合1／f特性可通過提高勵磁頻率加以克服。
　　當(dāng)采用交流勵磁時，由于存在勵磁線圈等效電感，勵磁切換過程中勵磁電流存在漸變過程，在這一過程中磁感應(yīng)強(qiáng)度處于非穩(wěn)定狀態(tài)，變化的磁場穿過由被測流體、測量電極、電極引出線和變送器共同組成的閉合回路，實(shí)際中該回路不可能與磁力線保持平行，此時勵磁線圈相當(dāng)于變壓器的初級線圈，閉合回路等價(jià)于只有一匝的次級線圈且回路大小可等效為回路電感。根據(jù)“變壓器效應(yīng)”會產(chǎn)生一個尖峰即微分干擾疊加在電極上，影響流量的測量。
1微分干擾相關(guān)研究
　　當(dāng)前消除微分噪聲主要從信號處理方面入手，并未對影響噪聲的因素加以研究。建立電極測量回路等效模型，給出仿真模型搭建、參數(shù)取值和仿真結(jié)果分析。
2電極測量回路模型建立
2.1測量回路等效模型
　　測量電極與流體介質(zhì)接觸時會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)［7］在電極－溶液界面形成阻抗，通常由法拉第阻抗與雙電層電容并聯(lián)組成。法拉第過程分為電荷傳遞過程和擴(kuò)散過程，相應(yīng)的法拉第阻抗由電荷傳遞電阻與擴(kuò)散阻抗串聯(lián)組成。一般電磁流量計(jì)的勵磁頻率大于1Hz，而擴(kuò)散阻抗發(fā)生在更低頻率內(nèi)，不考慮擴(kuò)散過程，電極等效阻抗為電荷傳遞電阻與雙電層電容并聯(lián)后再與電極接觸電阻串聯(lián)�；�于電極阻抗建立的電極等效測量回路如圖1所示。

　　圖中：Rs1和Rs2為電荷傳遞電阻；C1和C2為雙電層電容；Rt為兩個測量電極間的接觸電阻滿足Rt＝Rt1＋Rt2；Lx為勵磁線圈等效電感；L1為閉合回路等效電感；R1和R2為放大器輸入電阻；P1和P2為由“變壓器效應(yīng)”疊加在測量電極上的微分干擾；U1為流體切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電勢；Ue為勵磁電壓。假設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度由勵磁電流決定且成正比關(guān)系即B＝aI，忽略串模等干擾則電極間電壓為感應(yīng)電勢與微分干擾的疊加，基本方程如下：

則微分干擾的量化表達(dá)式為：

　　式中，Rx為勵磁線圈銅耗電阻。由于在兩個測量電極上感應(yīng)出的流量信號大小相等方向相反，可對其中一個電極進(jìn)行研究。對于電極A，假設(shè)單電極回路的總阻抗為ZA，則：

2.2參數(shù)取值
　　電極上的感應(yīng)電動勢在沒有經(jīng)過放大之前一般很小，取值在幾毫伏到幾百毫伏之內(nèi)，仿真中流速感應(yīng)電勢取10mV。放大器的輸入電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)阻，文獻(xiàn)［8］中給出電荷傳遞電阻為Rs＝50Ω。電極接觸電阻與溶液電導(dǎo)率有關(guān)一般取Rt＝15kΩ。雙電層電容C1＝20μF。將各參數(shù)值代入到式（7）中，可得k1＝0.998，T1＝0.001，T＝9.9×10－4。理想情況兩個電極參數(shù)取值相等，實(shí)際中兩者會存在差異對于電極B可取K1＝0.997，T1＝9.75×10－4，T2＝9.74×10－4。
3基于MATLAB的電極信號仿真
3.1仿真模型
　　基于Matlab中Siumlink對電極信號進(jìn)行仿真，勵磁方式為三值波勵磁，勵磁頻率f＝25Hz，傳感器參數(shù)D＝40mm、Rx＝88.8Ω、Lx＝162mH，勵磁系統(tǒng)參數(shù)Ue＝100V、穩(wěn)態(tài)電流I0＝200mA。
　　基于電極測量回路搭建的仿真模型如圖2所示，圖中信號模塊pulsGenerator通過加法器、乘法器得到勵磁電流。由公式（1），在固定流速下感應(yīng)電勢與勵磁電流成正比，通過增加Gain1模塊得到感應(yīng)電勢信號。對勵磁電流進(jìn)行求導(dǎo)即經(jīng)模塊Derivative得到微分噪聲，其中Gain值與Lx和L1相關(guān)。感應(yīng)電勢與噪聲經(jīng)Add1疊加之后得到電極信號E1（t）。scope觀察輸出信號波形。
　　仿真波形和真實(shí)波形如圖3所示。將傳感器參數(shù)代入到勵磁電流穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時間［9］公式中，得電流上升時間為360μs，測得實(shí)際上升時間為390μs，兩者相差不大，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。


3.2仿真實(shí)驗(yàn)
　　仿真試驗(yàn)中，設(shè)定線圈等效電感取值范圍為162～212mH，間隔10mH；閉合回路等效電感范圍0.2～1mH，間隔為0.2mH；雙電層電容、接觸電阻隨流體電導(dǎo)率變化而變化，電導(dǎo)率增大接觸電阻和雙電層電容減小而電荷傳遞電阻增大。可設(shè)定電極接觸電阻、雙電層電容和電荷傳遞電阻范圍分別為5～15kΩ、10～20μF和50～60Ω，由公式（7）知，可用T2表示上述三者關(guān)系。仿真參數(shù)取值不同情況下，通過MATLAB工具箱對仿真測量得到的干擾峰值進(jìn)行曲線擬合畫出相應(yīng)的曲線圖。其中仿真數(shù)據(jù)和相對應(yīng)的曲線方程如表1～表4所示，曲線圖如圖4～圖6。

3.3仿真結(jié)果分析
　　圖4為改變勵磁線圈等效電感其它值保持不變時測得的干擾結(jié)果，可以看出，當(dāng)線圈等效電感取值不同時，干擾峰值存在變化，電感越大線圈中電流上升（下降）時間越長，微分干擾越大。

　　圖5為改變測量回路等效電感即等價(jià)于改變交變磁力線穿過測量回路等效面積時測得的干擾結(jié)果，隨著值增大干擾呈逐漸增大的趨勢。因此要避免電極走線偏離，盡量保持回路與磁力線平行以減小干擾。

　　圖6為電極等效阻抗值變化時測得的干擾結(jié)果，當(dāng)溶液電導(dǎo)率改變時電極等效阻抗值變化，同樣會對微分噪聲產(chǎn)生較大影響。電導(dǎo)率越大干擾峰值越小。

4結(jié)束語
　　運(yùn)用MATLAB仿真軟件對電磁流量計(jì)電極信號進(jìn)行建模仿真，通過該模型分析勵磁線圈等效電感、閉合回路和電極等效阻抗取值變化情況下微分干擾變化，得到影響微分干擾原因。

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