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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块五、流量检测 课件统一书号：ISBN ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站www.sensor-或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“流量”的基本概念、节流式流量计、超声波式流量计，还介绍了电磁兼容原理以及电磁式流量计、科里奥利流量计。,内容简介,今天是：2023年7月5日星期三,現在時間是：10:49,模块五、流量检测 目录,知识链接、流量的基本概念项目一、节流式流量计项目二、超声波式流量计项目三、流量变送器的电磁兼容试验拓展阅读一 电磁式流量计拓展阅读二 科里奥利质量式流量计,项目三 流量变送
2、器的电磁兼容试验,【项目教学目标】知识目标1）熟悉电磁兼容原理。2）熟悉电磁兼容防护技术。技能目标掌握常用电磁兼容试验方法。,現在時間是：10:49,任务一 认识EMC,一、电磁兼容定义EMC电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。也可以表达为：电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照原设计要求正常工作的能力，并且也不向处于同一环境中的其他设备释放超过允许范围的电磁干扰。电磁兼容包括电磁干扰EMI、电磁耐受性或电磁抗扰度EMS等几个部分。EMI是指：电气设备本身在执行应有功能的过程中，所产生的不利于其他系统
3、的电磁噪声；而EMS是指：电气设备在执行应有功能的过程中，不会因周围电磁干扰而产生性能劣化的能力。,部分电磁兼容的国家标准,1.基础类标准 GBT 4365-1995 电磁兼容术语 GBT 6113-1995 无线电干扰和抗扰度测量设备规范 GB 3907-83*工业无线电干扰基本测量方法 GB 4859-84*电气设备的抗扰度性基本测量方法 GBT 15658-1995 城市无线电噪声测量方法 2.通用类标准 GB 8702-88 电磁辐射防护规定GBT 13926.1-92 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性总论 GBT 13926.2-92 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性静电放电要求
4、 GBT13926.3-92 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性辐射电磁场要求 GBT 13926.4-92 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性电快速瞬变脉冲群要求 GBT 14431-93 无线电业务要求的信号/干扰保护比和最小可用场强；3.产品类（略）；4.系统类（略）,二、电磁干扰的来源,电磁干扰源分为两大类：自然界干扰源和人为干扰源，后者是检测系统的主要干扰源。1）自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。后者的能量频谱主要集中在30MHz以下，对检测系统的影响较大。2）人为干扰源又可分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。,自然界干扰源和人为干扰源
5、,X光机的高压电源产生大功率高频干扰,闪电产生电磁场干扰,人为干扰源,雷达会产生大功率高频干扰,变电站会产生50Hz的高次 谐波干扰以及电晕放电干扰。,检测系统受到外部电磁干扰示意图,移动通讯,检测系统电磁干扰的主要传播路径,电吹风机干扰电视机的演示,电吹风机产生的电磁波干扰以两种途径到达电视机：一是以空间电磁场传输的方式由电视机的天线接收；二是通过共用的电源插座。,电磁干扰三要素,图5-31 电磁干扰三要素之间的关系消除或减弱电磁干扰的方法：（1）消除或抑制干扰源：积极、主动的措施是消除干扰源。（2）切断干扰途径：提高绝缘性能、采用光耦合器、采用退耦、滤波电路、静电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽等。
6、（3）削弱接受回路对干扰的敏感性：降低输入阻抗、尽量采用数字电路等。,由磁场耦合引起的干扰,防止磁场耦合干扰途径的办法有：使信号线远离强电流干扰源，从而减小互感量M；采用铁质低频磁屏蔽，从而减小信号线感受到的磁场；采用绞扭导线使引入到信号处理电路两端的干扰电压大小相等、相位相同，使差模干扰转变成共模干扰。,C型变压器的漏感比E型小,4对双绞扭线,由电焊引起的干扰,电焊机二次侧电缆产生强磁场干扰,磁场交链,信号线,采用双绞扭导线，能将磁场耦合干扰转换成共模电压,a）双绞扭导线抗干扰原理图 b）带低频磁屏蔽的双绞扭屏蔽线1低频磁屏蔽软铁管 2PVC塑料保护外套3铜网编织屏蔽层（接地）4双绞扭电缆
7、5多股铜心线,由高频电磁场辐射引起的干扰,高频辐射耦合是以电磁场的形式，通过辐射途径，将电磁能量从干扰源，经辐射空间传输到检测设备。1）天线与天线间的辐射耦合：干扰源和检测设备中，较长的输出信号线、控制线、输入信号线等，都可以看成一段发射天线或接收天线，均能发射和接收电磁波，它们之间形成天线辐射耦合干扰。,由高频电磁场辐射引起的干扰（续）,2）电磁场对导线的感应耦合：干扰源的每一根导线都由输入端阻抗、输出端阻抗和返回阻抗构成一个回路。干扰沿导线产生电磁辐射而进入检测设备。3）电磁场对闭合回路的耦合：检测设备中的某些闭合回路的长度约等于电磁场波长的1/4时，干扰源的电磁场与闭合回路之间的电磁耦合
8、加大，将在闭合回路中产生较大的干扰电流。,任务二 流量变送器的EMC试验及防护,EMC试验主要内容有：电源电压暂降和短时中断、脉冲串（“电快速瞬变”）、静电放电、电磁场辐射抗扰度等。抗扰度试验包括：静电放电抗扰度试验；射频电磁场辐射抗扰度试验；电快速瞬变脉冲群抗扰度试验；浪涌抗扰度试验；射频场感应的传导骚扰抗扰度试验；工频磁场抗扰度试验；脉冲磁场抗扰度试验；阻尼振荡磁场抗扰度试验；,EMC试验主要内容（续）,电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度试验；振荡波抗扰度试验；交流电源端口谐波、谐间波及电网信号的低频抗扰度试验；电压波动抗扰度试验；频率范围0150kHz的传导共模骚扰抗扰度试验；直流电源输
9、入端口纹波抗扰度试验；横电波波导的发射和抗扰度试验；三相不平衡抗扰度试验；电源频率变化抗扰度试验；直流电源输入端口电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度试验。,一、电源电压暂降和短时中断试验及防护,1试验方法该干扰是在电源电压短时间降至很低（甚至完全消失），但很快恢复等情况下产生的干扰。这种干扰产生的原因多数是由于电源回路中，其他大功率用电器起动造成电压下降，或断路器断开又重合闸引起的。有时甚至会出现两次或更多次连续的暂降或中断。通常使用一个专用的，能够降低50Hz交流电源电压多个周期或半周期幅值的试验发生器来进行试验。,试验方法（续）,2试验程序1）电源电压为标称值的80%时，持续时间为5s。2
10、）在一周期内输出电压降到标称值的50%处，持续10次。3)在半周期内电压降至0,以10s为时间间隔,重复10次。,二、脉冲串（电快速瞬变）试验及防护,1试验方法电快速瞬变脉冲群简称EFT。脉冲群持续时间为15ms，脉冲群的间隔为300ms，单个脉冲宽度为50ns，脉冲上升沿为5ns。脉冲串分别施加于变送器的电源线（1kV）以及I/O电路通信线（0.5kV），记录显示器的输出变化量。,浪涌冲击试验,EUT电源与浪涌高压(1kV)电源连接,持续50s,5000次,浪涌冲击试验布置图,2脉冲串（电快速瞬变）的防护,RC低通滤波器a）双节不平衡式RC低通滤波器 b）低通滤波器图形符号RC低通滤波电路的
11、时间常数约为单个脉冲宽度（50ns）的2倍，可以滤除80%以上的脉冲干扰。如果低通滤波电路的时间常数太大，将影响信号的正常突变。,交流电源滤波器的内部电路,100H电感、0.1F电容组成高频滤波器，用于吸收从电源线传导进来的中短波段的高频噪声干扰；图中两只对称的5mH电感是由绕在同一只铁心两侧、匝数相等的电感绕组构成的，称为共模电感，用于吸收因电源波形畸变而产生的谐波干扰；图中的压敏电阻RU用于吸收因雷击等引起的浪涌电压干扰。,2级交流电源滤波器的内部电路,共模电感,差模电感,共模电容,交流电源滤波器外形（续）,用户可根据需要，选择内部包含一级LC或两级LC，甚至三级LC的电源滤波器。使用时外
12、壳需要良好接大地。右图的电源滤波器面板上共画有几级LC滤波电路？,交流电源滤波器外形,带交流电源 滤波器的插座,开关电源内部的电源滤波器,共模电感,共模电容,差模电容,电源滤波器中的共模电感,当50Hz负载大电流流经共模电感时，由于进线与出线产生的磁场方向相反，相互抵消，不会产生交流压降，但共模电感对高频共模干扰却有较大的感抗。,三相共模电感,单相共模电感,交流电源滤波器的使用效果,使用电源滤波器前观察到的干扰,使用电源滤波器后干扰消失,3.直流电源滤波器,直流电源往往为几个电路所共用,为了避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰,应在每个电路的直流电源上加上RC或LC退耦滤波器。下图中的电解电
13、容用来滤除低频噪声,电解电容旁边并联一个0.010.1F的磁介电容或独石电容,用来滤除高频噪声。,磁珠（FB）,铁氧体磁珠由磁滞损耗较大的铁氧体（铁镁或铁镍合金材料）烧结而成,力学性能与陶瓷相似，颜色为银灰色，中间有孔洞。低频输入信号线或电源线穿过磁珠。磁珠与导线共同构成一个L、R串联等效阻抗。电感L大约在几微亨到几十微亨之间。在中频段时，磁心的磁导率较高，L较大，相当于一个高Q特性的电感性低通滤波器；随着频率的升高,磁珠的磁导率降低,Rd增加较快,叠加在直流或低频信号上的高频（FR）和尖峰干扰信号转化为热能的形式而被耗散掉，起到滤波作用。,磁珠（FB）,单相电源线、三相电源线、信号线穿过磁珠
14、示意图,三、静电放电试验,1试验方法在施加静电的条件下，观察静态流量示值的变化。（1）接触放电：静电放电发射枪直接施加在机壳上能接触到的金属部件，将直流电压逐步升高，直至对地产生火花放电（不应超过6kV）。连续放电的时间间隔为10s。共进行20次试验，10次正极，10次负极。（2）空气放电：如果机壳是非导体，就没有能用于接触放电的导电部位，则将8kV直流电压施加到绝缘的水平或垂直的耦合面上，记录显示器的输出变化量。,手持式静电接触放电试验示意图26kV,电子产品静电放电（ESD）抗扰度试验,ESD是EMC的重要的试验之一。静电放电发生器适用于测试电子设备的抗静电放电（ESD）能力。接触放电（C
15、D）和空气放电（AD）的输出电压020KV可调。放电方式可以：单次、1次/秒和20次/秒脉冲选择。,静电接触放电试验示意图（26kV）,接触放电有着极其陡峭的上升时间，放电电流波形中包含了极其丰富的谐波成分，能取得更加严格的测试结果。,2静电放电的防护,a）干扰源（带电体）通过电场感应干扰仪器A b）仪器B放在静电屏蔽盒内，不受带电体的干扰,四、电磁场辐射抗扰度试验及防护,1试验方法：在电波暗室或GTEM吉赫兹横电磁波小室中，将变送器与电源、接线盒、二次仪表、显示器、I/O接口、总线等设备正常连接起来，通电后放置于与发射天线距离为3m的位置。打开射频干扰功率放大器，将干扰场强调至3V/m，频率
16、从80MHz逐渐升高到2000MHz，调制1kHz的正弦波，调幅度为80%。记录显示器的输出变化量。,图5-38电磁辐射试验设备布置,电波暗室的布置(图5-18),EMI测试中试验台布置图,射频电磁场传导抗扰度实验室的布置,电磁钳,电流钳,传导干扰实验室,用于传导试验的屏蔽室,（不必设置角锥）,便携手持式EMI测试仪表,交直流电场、磁场检测仪表（接收测头未画出）,手持场强仪,交流电场计,2电磁场辐射的防护,（1）接地：将传感器、信号调理电路的公共参考端接地，可以将电磁场辐射引入大地。（2）静电屏蔽：将有关电路放置于接地的金属壳体内，可以将电磁场辐射引入大地。（3）高频磁屏蔽：将有关电路放置于导
17、电良好的金属壳体内，可以在金属壳体表面感应出与辐射干扰同频率的电涡流，从而消耗了电磁场辐射的能量。（4）信号传输线屏蔽：采用双绞扭导线可以使信号传输线吸收的电磁场辐射干扰形成电压大小相等、相位相同的干扰信号，称为共模干扰。抗共模抑制比较高的电压放大器可以抑制此共模干扰。将信号传输线穿入到接地的铁管中，能进一步抑制电磁场辐射干扰。,屏蔽技术,利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为屏蔽。屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽和电磁屏蔽等几种。根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。,未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受外界干扰。,加屏蔽罩后的中频变压器,静电屏蔽,静
18、电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路。,反之，内部电路产生的电力线也无法影响外电路。静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影响不大。,静电屏蔽原理,a）带电体（干扰源）通过电场感应干扰仪器A b）仪器B放在静电屏蔽盒内，不受带电体的干扰c）带电体放在接地的静电屏蔽盒内，而盒外无电力线,各种静电屏蔽,仪器设备的屏蔽外壳最好接地,屏蔽面板允许小孔,各种静电屏蔽（续）,自制的屏蔽紫铜罩,有孔的金属通风屏蔽窗,各种静电屏蔽（续）,开关电源采用带孔的屏蔽外壳，既可防止电
19、磁干扰外泄，又可散热。,各种静电屏蔽（续）,带调试孔的屏蔽盒,屏蔽用的导电硅橡胶,铁镍镀银微珠复合粉末与硅橡胶混合硫化，可制作导电硅橡胶。可覆盖在被保护体上，或者作为柔软的密封条，可以起静电屏蔽作用。优良的导电硅胶的体积电阻率可以达到0.01cm，矫顽力1kOe，饱和磁化强度1.2emumL。100MHz时的衰减仍可达到40dB(1/100)。,屏蔽线,三绞扭屏蔽线,铜芯,4对双绞扭屏蔽线(铝质屏蔽层接地）,聚氟乙烯绝缘层,屏蔽层吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，抵消部分干扰电磁波),铜线编织网（必须接地）,低频磁屏蔽,低
20、频磁屏蔽是用来隔离低频（主要指50Hz）磁场和固定磁场（也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场）耦合干扰的有效措施。静电屏蔽线或静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线只从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。有时还将屏蔽线穿在接地的铁质蛇皮管或普通铁管内，同时达到静电屏蔽和低频屏蔽的目的。,低频磁屏蔽示意图,150Hz变压器铁心 2主磁通 3漏磁通 4导磁材料屏蔽层 5内部电路,磁屏蔽示意图,主磁通 1被保护内部电路 2双层磁屏蔽（外层低磁导率、高饱和的铁磁材料，内层是高磁导率、低饱和铁磁材
21、料）,用于低频磁屏蔽的铁质外壳,多数仪器的外壳采用导磁材料（例如：铁质机壳）作屏蔽层，让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使受外壳保护的内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。如果将外壳接地，则同时达到静电屏蔽和低频磁屏蔽的目的。,高频电磁屏蔽,高频电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象是100kHz以上磁场。干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。其次，电涡流也将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁
22、场的影响。,镀铜电磁屏蔽盒,EMC测试中的电磁屏蔽,被测物的上、左、右墙体和地板，均设置镍锌铁锰组成的锥形截尖铁氧体吸波材料,各种吸波材料,劈形吸波材料,铁氧体复合材料的大形角锥,屏蔽室,导电PVC地板 用于防静电及 底部屏蔽,电磁干扰信号无法穿透钢板屏蔽室,电磁兼容实验室的天线,天线是一种能将信号源射频功率发射到空间，或截获空间电磁场转变为电信号的转换器。“三米法”和“十米法”暗室天线的高度分别为1.8m 和3m，与被测物的距离分别为3m和10m。,辐射干扰测试室天线与被测试设备的关系,被测试仪器,天线,射频功率源或射频接收机,平板吸波材料,新产品在电波暗室中进行电磁兼容试验,新产品在电波暗
23、室中进行电磁兼容试验(续),空调的电磁辐射试验,空调室内机在电波暗室中进行电磁兼容试验,笔记本电脑及显示器的辐射抗扰度测试,军用屏蔽帐篷,几种用导电纤维材料编织而成的军用电磁屏蔽器材,便携军用 电子方舱,屏蔽通信车,防电磁波屏蔽围裙,几种用导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服,辐射源,防电磁波屏蔽服装,防电磁波屏蔽围裙的使用,电磁兼容试验报告,检测系统的电磁兼容试验整改措施(简述),若电磁兼容试验没有达标，可按本PPT所述的电磁兼容方法，采取多种措施，例如：加强屏蔽：在屏蔽体的装配面涂导电胶；在装配面处加导电衬垫。导电衬垫可以是编织的金属丝线、硬度较低易于塑型的软金属(铜、铅等)等。调整设备电缆走
24、向和排列：做到不同类型的电缆相互隔离,改变小信号或高频信号电缆为带屏蔽的电缆.改变普通的大电流信号或数据传输信号电缆为对称绞线电缆在设备电源、输入线上串联滤波器和磁珠。加强接地的机械性能：降低接地电阻，系统整体良好接地。加强线路板的绝缘性。使用光耦，阻断共模干扰回路等。,拓展阅读一 电磁式流量计EMF,一、电磁式流量计的工作原理据法拉第电磁感应原理，当导体在磁场中作切割磁力线运动时，导体两端会产生感应电动势，感应电动势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比。E=BDv10-4式中 E感应电动势（V）；B磁感应强度（T）；D管道内径（m）；v导电液体的平均流
25、速（m/s）。流体的流速v与管道截面积(D2)/4的乘积等于体积流量,电磁式流量计的工作原理,a）内部结构 b）电磁流量变送器外形,1管道 2绝缘衬里 3励磁线圈（上、下对称）4励磁线圈断面 5感应电动势输出接线螺栓,1磁路系统,图5-41 电磁式流量计的励磁a）恒定励磁磁场 b）50Hz工频励磁 c）低频矩形波励磁（2值）d）低频矩形波励磁（3值）e）双频励磁,二、电磁式流量计的安装,1）必须满管，流体无旋涡，直管段要求是电磁式流量计前5D和后3D。2）不能用于负压系统，有可能造成衬里剥离。3）应远离具有强磁场的设备。4）测量管应有良好的接地，接地电阻必须小于10,图5-42 电磁式流量计安
26、装位置合理性比较a、b、e不合理 c、d合理,拓展阅读二 科里奥利质量式流量计CMF,一、U形管CMF的结构与工作原理,科里奥利效应使风在北半球向右转，在南半球向左转。使美洲东西海岸产生较大的水位差。,U形管CMF的结构与工作原理（续）,当流速不为零时，U形管的振动迫使管中的流体在沿管道流动的同时又随管道作垂直运动，此时流体将受到科氏力的作用。由于流体在U形管两侧的流动方向相反，所以作用于U形管进出端的科氏力大小相等、方向相反，使U形管受到一个力矩的作用，绕O-O轴扭转而产生扭转变形。,垂直安装的双U形管CMF,图5-45 垂直安装的双U形管CMF1法兰 2支撑管 3平行测量管 4电磁式位移传
27、感器Z1 5电磁式相对位移传感器Z2 6电磁振动激励器 7电缆,图5-46 U形管CMF两侧电磁感应电动势的时间差及相位差,二、双直管CMF的结构及工作原理,图5-47 垂直安装的双直管CMF结构a)双直管CMF结构示意图 b）流体速度等于零时两根测量管的变形 c）流体速度不等于零、两根测量管分离时的变形d）流体速度不等于零、两根测量管并拢时的变形1法兰 2分流器 3直管 4红外发光二极管 5光敏晶体管A、C 6磁铁 7励磁线圈 8集流器 9外壳,双直管CMF的外形,三、CMF的应用,1CMF的安装（1）CMF的安装方向：当被测流体为气体（仅高密度）时，垂直安装U形管的弯曲部分应向上；当被测流
28、体为液体时，U形管的弯曲部分应向下；直管CMF应垂直安装，并使流体自下而上流动。,CMF的安装（续）,（2）CMF与截止阀的关系：为使调零时流体停止流动，CMF的上、下游应设置截止阀。上游截止阀的距离为5D，下游截止阀的距离为3D。（3）对支撑台架的要求：较小管径的CMF可以直接连接到管道上；大管径的CMF要求设置支撑架。,2CMF的温度、静压力补偿,（1）温度补偿：CMF振动管的杨氏弹性模量是温度的函数。当温度升高时，测量管的刚度变小，造成灵敏度增大，使流量测量值偏高。通常设置铂热电阻或温度IC，用于测量管壁的温度，由微处理器进行温度补偿。（2）静压力补偿：CMF测量管的刚度会随着管道内部流体静压力的升高而变大，测量管被撑直，弹性变形减小，使流量测量值偏低。因此在要求高准确度测量时，必须进行静压力补偿。,3CMF的零点调整,测量管的几何结构及材质不均衡、安装应力变化等因素容易引起CMF的零点漂移。在流速较低时，零点漂移所占比例变大，且无法补偿。在实际应用中，需要定期关闭测量管进口的截止阀，在静压不变且流量等于零时进行零点调整。,对于智能变送器，可以在流量等于零时，长按调零键15s，微处理器就能自动扣除零点漂移。,休 息 一 下,拓展阅读网络资料列表网址：http:/,2023年7月5日星期三,現在時間是：10:49 休息一下！,
