涡轮流量计检定中干扰隔离电路的设计应用

 摘 要:本文针对在检定涡轮流量传感器时输出的电脉冲信号送至脉冲计数器的过程中很容易被周围的电磁场干扰而影响了检定结果的准确性的情况, 设计隔离电路对干扰信号进行隔离, 消除由于干扰而额外产生的误差。

0、引言：
 涡轮流量计是一种速度式流量仪表, 它利用置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成比例的关系, 通过测量叶轮的转速来反映通过管道的体积流量大小。 涡轮流量计由涡轮流量传感器和流量显示仪表 (流量积算仪)组成 , 可实现瞬时流量和累积流量的计量。

1、涡轮流量传感器的工作原理：
 涡轮流量传感器的原理示意图如图 1所示。在管道中心安放一个涡轮, 两端由轴承支撑. 当流体通过管道时, 冲击涡轮叶片 , 对涡轮产生驱动力矩 , 使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。 在一定的流量范围内 , 对一定的流体介质粘度 , 涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。 由此, 流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到 , 从而可以计算得到通过管道的流体流量。

图 1  涡轮流量传感器原理示意图
  涡轮的旋转角速度是通过装在机壳外的传感线圈来检测。 当涡轮叶片切割由壳体内磁钢产生的磁力线时 , 就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器 , 对信号进行放大、整形 , 产生与流速成正比的脉冲信号 , 送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值;同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路 , 将脉冲信号转换成模拟电流量, 进而指示瞬时流量值。 图 2为涡轮流量计总体原理框图。

图 2  涡轮流量计总体原理框图

2、涡轮流量传感器的检定及现实问题：
2. 1、涡轮流量传感器的检定方法：
 液体涡轮流量传感器用水流量标准装置进行检定, 装置的准确度为 0. 1级。 图 3为涡轮流量传感器检定示意图。

图 3  涡轮流量计检定示意图
 
1. 控制阀门;2. 涡轮流量传感器; 3. 电磁流量计, 显示瞬时流量;4. 流量调节阀门;
5. 换向器;6. 工作量器

  当流体流过涡轮传感器时 , 传感器内的叶轮转动, 脉冲转换器将叶轮的转动转换为电脉冲 , 送入检定装置的脉冲计数器中。装置的脉冲计数器与换向器同步, 它只记录换向器将流体换入工作量器时的脉冲数。 在检定过程完成后, 读取脉冲计数器的脉冲数及工作量器的实际体积值求得每个检定点每次检定的仪表系数。 依据规程 JJG198 – 94《速度式流量计检定规程》,每个检定点检定三次 , 依次得出各次检定所得的仪表系数计算出该流量点的平均仪表系数, 从而得出该流量传感器在一定流量范围内的平均仪表系数。

2. 2、检定过程中存在的问题：
 正常工作时 , 涡轮流量传感器的叶轮高速转动 , 脉冲转换器为了有效地捕捉到每一个叶片的转动 , 其内部的传感线圈和前置放大器的灵敏度做得很高 , 很容易受到周围电磁场的干扰而产生额外的干扰脉冲 , 干扰脉冲与正常脉冲叠加在一起传送至脉冲计数器, 从而影响其计量准确性。
  故在安装涡轮流量传感器时, 要求做好接地, 但是在实际检定时 , 仅仅做接地处理往往还达不到消除干扰的目的 , 主要原因是检定装置附近, 往往有大功率的用电设备 , 如水泵电机、风扇、电子镇流器的日光灯等等 , 都会释放出干扰电磁波, 特别是现在普遍采用变频器驱动流体泵对流体源进行调压稳压, 变频器产生的高次谐波对电源的污染相当严重 , 像涡轮流量计这类高灵敏度的设备必然受到干扰。
 涡轮流量传感器在检定过程中如果受到干扰 , 检定结果一般有以下特点 :一是得到的仪表系数比正常值要大许多 , 这是因为叠加了干扰脉冲, 在一次检定中脉冲计数器接收到的脉冲数比正常值多了 ; 另一个特点是重复性很差 , 往往 0. 5级的涡轮流量传感器 , 检定出其重复性达到 2%甚至更大, 这是因为干扰的随机性 , 每一次的干扰程度都不一样 ;还有就是在量程范围内线性度较差。 表 1为检定一个型号为 LWGY – 80的涡轮流量传感器 , 在受到干扰的情况下得到的数据。

2. 3、采取的措施：
 由表 1可以看出 , 由于干扰的存在使得检定数据发生了偏移 , 造成了检定错误。
 根据分析和实验证明, 干扰信号的进入, 主要因为脉冲转换器的电源由检定装置的直流稳压电源提供,电压脉冲信号直接传送至脉冲计数器, 电网中高次谐波的干扰会经过直流稳压电源进入脉冲转换器, 从而串入正常的脉冲当中。另外, 脉冲转换器与脉冲计数器之间的连接线, 也不可避免地感应到干扰信号。
 一种消除此类干扰的措施是断开脉冲转换器与检定装置之间的直接电的连接, 采用电隔离的信号传输方式传送脉冲信号, 能够有效隔绝干扰脉冲的进入。
 另一种采用光耦合器件的隔离电路如图 4所示:

图 4  电隔离电路
电路中 , 采用光耦合器件来隔离脉冲计数器与脉冲转换器, 使它们之间没有电的连接 , 脉冲转换器由独立的隔离电源供电 , 保证其正常工作, 正常的脉冲信号能够驱动光耦合器件, 使其能顺利通过隔离电路 ;而串入的干扰信号带负载能力很低, 而且主要是共模信号, 不能驱动光耦合器件而被隔离 , 从而有效地消除了干扰。
 对与前面例子相同的涡轮流量传感器进行的另一次检定 , 采取了上述的隔离措施, 检定数据见表 2。
表 2
 

3、小结：