電磁流量計發(fā)展及趨勢

趙保生 ，吳 蓉 ，劉志森 ，黃富貴

(1.華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院，福建 廈門 361021;2.晉江市質(zhì)量計量檢測所，福建 晉江 362200)

電磁流量計發(fā)展及趨勢

趙保生1，吳 蓉2，劉志森1，黃富貴1

(1.華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院，福建 廈門 361021;2.晉江市質(zhì)量計量檢測所，福建 晉江 362200)

電磁流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、寬量程、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于石油及城市排污等臟污流體環(huán)境中。電磁流量計的精度關(guān)系到計量的準(zhǔn)確性。以電磁流量計的發(fā)展歷史為線索，分析了電磁流量計的四個發(fā)展方向，即電磁流量計的結(jié)構(gòu)、電磁流量計的勵磁方式、電磁流量計的信號處理方式、電磁流量計的智能化。從這四個方向?qū)﹄姶帕髁坑嫷募夹g(shù)進行了詳細(xì)說明，介紹了每種技術(shù)的大致趨勢并列舉了近年來該方向所產(chǎn)生的最新技術(shù)，闡述了當(dāng)前流量計技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展方向。在分析新興技術(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出電磁流量計未來的發(fā)展趨勢。在智能化技術(shù)不斷發(fā)展和完善的新時期，未來電磁流量計仍以勵磁優(yōu)化、信號處理技術(shù)為主，同時又不斷改變電磁流量計的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)越來越復(fù)雜的測量環(huán)境和滿足測量要求個性化的趨勢。

電磁流量計； A/D轉(zhuǎn)換器； 勵磁方式； 信號處理； 智能化； 抗干擾

0 引言

流量計是利用物理原理實現(xiàn)對一段時間內(nèi)流體流量測量的儀器。電磁流量計具有寬量程、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[1]，是當(dāng)前最受歡迎的流量計品種之一。電磁流量計的理論產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代[2]。當(dāng)代電磁流量計大多以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，其功能隨著計算機的信息處理能力、存儲能力、運算能力和計算機的控制功能的增強而增強[3]。電磁流量計技術(shù)革新的四個方向值得關(guān)注:電磁流量計的結(jié)構(gòu)、電磁流量計的勵磁方式、電磁流量計的信號處理技術(shù)以及電磁流量計的智能化等。本文以此為線索，總結(jié)電磁流量計的發(fā)展歷程并分析其發(fā)展趨勢。

1 電磁流量計結(jié)構(gòu)

由于傳統(tǒng)的電磁流量計無法測量低電導(dǎo)率的流體，且對摩擦、粘附效應(yīng)敏感，只能測量流體滿管情況等，因此需要改變其結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境。改變電磁流量計結(jié)構(gòu)的主要方法是改變電極的數(shù)量和位置，從而形成電容電磁流量計、非滿管電磁流量計等。

1.1 電容電磁流量計

電容式電磁流量計從根本上解決了電極表面附著、腐蝕、摩擦等問題[4]，其電極與被測流體間有絕緣襯里隔離，或者直接采用絕緣測量管。電極置于測量管外面或鑲嵌于測量管內(nèi)部[3]。嵌入式電磁流量計和外貼式電磁流量計的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 兩種電磁流量計結(jié)構(gòu)簡圖

電極與被測流體通過絕緣管形成檢測電容，通過此電容來耦合流量信號。其主要的結(jié)構(gòu)形式按照電極的安裝位置可以分為兩種:電極嵌入測量管的絕緣襯里內(nèi)部(嵌入式)、電極貼在測量管外部(外貼式)。嵌入式結(jié)構(gòu)與普通電磁流量計結(jié)構(gòu)相似，而外貼式大多是通過陶瓷表面金屬化技術(shù)將電極貼在測量管外。

1.2 非滿管電磁流量計

普通的電磁流量計只能測量滿管流的流量，而很多情況下由于流量流速很快，有時充不滿管道，普通的電磁流量計不能適用，因此希望電磁流量計能夠進行非滿管流量的測量。目前市面上常見的非滿管電磁流量計有下面幾種。

①多電極式非滿管電磁流量計[5]。其底部是一對信號注入電極，中間有多對測量電極，頂端有一個滿管電極。在滿管情況下，該流量計與普通的電磁流量計的功能相同，滿管情況下流體的橫截面積是固定的，此時計算流量值只需要測量流體的流速即可。當(dāng)流體非滿管時，滿管電極檢測到管道非滿狀態(tài)，利用算法修正測量值，此時流量計的測量方式改成測量流體流速和液面高度。信號注入電極與在不同位置的三對測量電極共同工作，用于測量液位面的高度和流體的速度。多電極式非滿管電磁流量計結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 多電極式非滿管電磁流量計結(jié)構(gòu)簡圖

②電容式非滿管電磁流量計[6]。電容式非滿管電磁流量計結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 電容式非滿管電磁流量計結(jié)構(gòu)簡圖

電容式非滿管電磁流量計就是利用液位的變化使得電容的極距發(fā)生變化，通過測量發(fā)送電極和檢測電極之間的電容耦合值即可測量流量值。

③利用阻抗或信號衰減研制的非滿管電磁流量計。這種結(jié)構(gòu)的非滿管電磁流量計是當(dāng)前國內(nèi)研究的方向之一[7]。其結(jié)構(gòu)是流量管底部貼一對信號發(fā)射電極，在流量管中間貼信號接收電極。由于信號在流體中傳播會產(chǎn)生衰減，且傳播時間越長，衰減越多，因此通過信號接收電極接收到的信號衰減量即可得知液面高度；同時該電極還能測量流體切割磁感線產(chǎn)生的電動勢，以此達(dá)到測量非滿管流量的目的。阻抗式或信號衰減非滿管電磁流量計結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5 阻抗式或信號衰減非滿管電磁流量計結(jié)構(gòu)簡圖

④智能化非滿管電磁流量計。這種流量計是電磁流量計智能化發(fā)展的方向之一。使用兩種接法不同的勵磁線圈，應(yīng)用權(quán)重函數(shù)與幾何位置有關(guān)的原理，建立液位的函數(shù)關(guān)系，最后通過在線計算求取液位。姜玉林、丁文斌改進了權(quán)重函數(shù)與感應(yīng)電勢的計算方法[8]。對于非滿管流量計來說，由于其流體分布與普通的電磁流量計不同，因此其權(quán)重函數(shù)也不同，衛(wèi)開夏、李斌在非滿管的情況下對其權(quán)重函數(shù)進行有限元數(shù)值分析，得到不同液面下的權(quán)重函數(shù)[9]。

除此之外還有其他功能的電磁流量計，例如改變信息傳輸通道將信號線與電源線串在一起的二進制電磁流量計、用于測量渠道的潛水電磁流量計、為了降低功耗并提高勵磁效率和靈敏度而設(shè)計的異徑電磁流量計[10]、用于油水兩相流流量測量的分流式電磁流量計[11]以及其他電磁流量計。

2 勵磁方式的優(yōu)化

勵磁方式的選擇影響了整個流量計系統(tǒng)的精度、能耗等參數(shù)。因此在電磁流量計的結(jié)構(gòu)確定之后，勵磁方式的選擇尤為重要。勵磁方式可以分為兩種基本形式，即采用交變磁場的形式(包括正弦波勵磁、矩形波勵磁、三值波勵磁和雙頻矩形波勵磁)和采用恒定磁場的形式(包括直流電源勵磁和永磁體勵磁)[12]。

2.1 交變磁場勵磁

工頻正弦波是最早應(yīng)用于電磁流量計中的勵磁方式[13]，其測量速度快，受電化學(xué)反應(yīng)影響小，但是由于頻率高，容易因為渦流產(chǎn)生同相噪聲且微分噪聲補償困難，零點容易漂移。低頻矩形波勵磁具有實現(xiàn)簡單、零點穩(wěn)定、抗工頻干擾等優(yōu)點而成為流量計廠商主要采用的勵磁方式[14]。

隨著實際生產(chǎn)應(yīng)用中對流體測量速度和對漿液測量精度要求的提高，低頻勵磁已不能滿足要求，于是國外提出高頻方波勵磁和雙頻矩形波勵磁。高頻方波勵磁或雙頻矩形波勵磁雖能有效克服漿液噪聲、流動噪聲等干擾并提高測量速度，但是有關(guān)高頻勵磁部分的核心技術(shù)并未披露[15-16]。國內(nèi)還沒有廠家能夠提供擁有自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，相關(guān)的文獻(xiàn)也很少。雖然雙頻矩形波勵磁兼具高頻測量速度快和低頻穩(wěn)定性好的優(yōu)點，且對流動噪聲不敏感，但是由于需要執(zhí)行復(fù)雜算法，會增加功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵磁研究的基礎(chǔ)上對其進行了改進，并提出一種時分雙頻勵磁的方法。該方法在兼顧了低頻高頻優(yōu)點的同時，又能夠在很寬的測量范圍內(nèi)實現(xiàn)流量的高精度測量[17]。

2.2 恒定磁場勵磁

相對于交變磁場勵磁方式來說，恒定磁場勵磁的方式實現(xiàn)起來更加簡單，受工頻干擾影響小，而且使用恒定磁場勵磁可以簡化傳感器結(jié)構(gòu)[12]。

恒定磁場勵磁最關(guān)鍵的問題就是電化學(xué)及其他因素會在電磁流量計測量電極上產(chǎn)生嚴(yán)重的極化現(xiàn)象，導(dǎo)致測量電極兩端產(chǎn)生極化電壓。極化電壓過大，則會淹沒測量信號產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。而交變磁場勵磁可以通過不斷變換勵磁的方向來消除電極表面極化現(xiàn)象，因此，目前國內(nèi)外電磁流量計大多采用交變磁場勵磁。恒定磁場勵磁方式應(yīng)用于導(dǎo)電率極高、流體內(nèi)阻極小、而又不產(chǎn)生極化效應(yīng)的液態(tài)金屬的流量測量中。

為了克服電極表面極化現(xiàn)象，目前采用的方法可分為以下兩種。①從極化電壓的原理出發(fā)，分析兩個電極上極化電壓的相關(guān)性，從根本上消除極化電壓的影響，如差分對比消除極化電壓法。但是由于極化電壓影響因素多，且其隨機性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反映流量信號的感應(yīng)電動勢，所以其消除極化的效果并不理想。②另一種是避開極化電壓的原理，設(shè)法在不影響流體感應(yīng)信號測量的情況下，將極化電壓控制在一個穩(wěn)定的值，如繼電器電容反饋抑制極化法[12]。浙江大學(xué)提出了一種新的方法，該方法是利用在電極上施加快速變化的交變電場來抑制極化電壓，且此交變電場只在非采樣時間段內(nèi)激發(fā)。上海大學(xué)提出了另外一種反饋的方法，即對測量電極進行等電量動態(tài)跟蹤反饋的方法來消除磁鋼勵磁電磁流量計的電極極化問題[18]。目前，這種方法是當(dāng)前恒磁磁場勵磁方法研究的焦點。

3 信號處理方法的改良

電磁流量計通過采集一段時間內(nèi)的電信號來達(dá)到測量流量的目的，這樣在測量過程中不可避免地會摻雜各種干擾信號，因此對信號的檢測處理方式的改良就顯得尤為重要。

3.1 普通電磁流量計信號處理

信號的檢測處理實際上就是對信號進行放大、采集與干擾抑制。信號方面的研究主要集中在干擾的抑制上。電磁流量計的干擾主要包括極化電壓的干擾、工頻干擾、電化學(xué)干擾、流體碰撞干擾、微分干擾、零點漂移等。除此以外，部分研究發(fā)現(xiàn)流體的不對稱流動[19]。電極和勵磁線圈的不對稱也會產(chǎn)生相應(yīng)的測量誤差[20]。國內(nèi)許多機構(gòu)在這些方面作了很多的研究，如上海大學(xué)提出的一種反饋式信號放大處理方法[18]，采用矩形波勵磁來克服極化電壓、工頻帶來的干擾[21]，利用增加勵磁頻率或改變勵磁方式，克服電化學(xué)干擾和流體碰撞管道時產(chǎn)生的干擾[22]。周真、王強等人通過對流量計極間信號進行建模來分離干擾信號和流量信號[23]，采取提前確定閾值來進行偏置調(diào)整抑制低頻漂移產(chǎn)生的干擾[24]，利用數(shù)模混合最優(yōu)濾波法消除微分干擾[25]。對于恒磁勵磁方式來說，干擾主要來源于極化電壓干擾以及零點漂移干擾，消除零點漂移干擾的方法有電容隔離法、反饋式信號處理方法和三次采樣消除零點漂移法等。石冰鑫、李景云公布了一項利用光電傳輸信號的電磁流量計，可以有效降低傳輸過程中的干擾。

3.2 電容式電磁流量計信號處理

普通電磁流量計的電極部分是以金屬導(dǎo)體與被測液體接觸，而流體流動時會對電極產(chǎn)生碰撞噪聲。后來研發(fā)的電容式電磁流量計使電極部分不與被測流體直接接觸，而是透過管壁與流體的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)，從根本上解決了雜散噪聲的問題[26]。但是由于耦合電容的容抗是電容式電磁流量計的主要信號內(nèi)阻，其耦合電容值很小，而內(nèi)阻很大，測量得到的信號信噪比會很小。為了獲取較高的信噪比，必須使用高輸入阻抗的前置放大器和高共模抑制比的差動放大器，進行信號的阻抗轉(zhuǎn)換和放大。

目前，信號檢出方法有兩種:直接檢測感應(yīng)電壓與通過“虛地”來檢測電流法。電壓檢測法技術(shù)成熟，但是受流體因素影響大。檢測電流法通過“虛地”與合適的電阻值來獲得高電勢，通過Q=CE來計算電容，最后通過微分得出電流值。此方法可從根本上消除電容泄漏電流的影響，但是這種方法受耦合電容值變化的影響較大，而且電路復(fù)雜，一般較少采用[27]。

盧國峰、王保良等人引入了互相關(guān)檢測方法。互相關(guān)檢測方法是基于互相關(guān)函數(shù)同頻相關(guān)，不同頻不相關(guān)的性質(zhì)，通過互相關(guān)運算，達(dá)到濾出噪聲的效果。已知發(fā)送信號的頻率，就可在接收端發(fā)出相同頻率的參考信號，與混亂信號進行相關(guān)即可提取出微弱的測量信號。在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理當(dāng)中，他們使用了基于相關(guān)檢測原理的旋轉(zhuǎn)電容濾波器。這種電路抗干擾能力很強，有很高的信噪比[28]。

由于智能電磁流量計的出現(xiàn)，越來越多的信號處理技術(shù)不再是單純的電路式濾波，而更多地使用軟件濾波，比如可以利用Matlab對信號進行在線處理，以有效地降低干擾[29-30]，或利用小波變換對信號進行處理以抑制干擾[31]等。

4 流量計的智能化

隨著微處理器的發(fā)展，電磁流量計也在朝著智能化方向發(fā)展。其智能化方向可分為信號處理智能化和控制智能化，兩者共同作用構(gòu)成了智能電磁流量計。其主要技術(shù)包括軟件技術(shù)、自診斷功能、程控放大器技術(shù)、微處理器抗干擾技術(shù)等。

軟件技術(shù)是信號處理智能化的標(biāo)志，即通過軟件來控制電磁流量計的整個工作過程。數(shù)字濾波、非線性擬合、零點自校正是較常見的技術(shù)。數(shù)字濾波能夠完成模擬濾波不能完成的濾波功能，例如:脈沖干擾剔除、數(shù)字電路毛刺干擾消除、A/D轉(zhuǎn)換器的抗工頻以及確保輸入微處理器數(shù)字的可靠性[32]。另外，數(shù)據(jù)在線分析與數(shù)據(jù)重構(gòu)也是其研究方向之一，如利用小波變換分離漿液流體當(dāng)中的流量信號、漿液信號[33]和利用陷波濾波器組的信號處理方法等[34]。

電磁流量計是無阻擾測量，其測量電極與流體接觸后容易發(fā)生磨損、腐蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會極大地影響電磁流量計的測量精度。為了便于拆卸維護，電磁流量計增加了自診斷功能。其功能越來越多，相繼添加了信號線性度、勵磁電路的完整性和準(zhǔn)確性(包括勵磁線圈電阻和勵磁電流)、監(jiān)控和診斷流程和環(huán)境條件的變化(如液體電導(dǎo)率是否變化，流體中氣泡和固體顆粒含量等[35])。隨后出現(xiàn)一種無需改變電磁流量計結(jié)構(gòu)就能進行勵磁電流異常的自診斷技術(shù)[36]。

程控放大器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁流量計量程的自動轉(zhuǎn)換，同時利用增益控制方法能有效削弱微分干擾峰值使放大器過載的問題，便于流量信號電勢處理，提高抗微分干擾的能力。

以往的抗干擾技術(shù)解決了輸入與輸出之間的各種干擾問題，但是當(dāng)電磁流量計引入智能系統(tǒng)后，來自微處理器的各種干擾同樣會影響測量結(jié)果的精度，甚至?xí)?dǎo)致整個流量測量系統(tǒng)跑飛或崩潰。目前，國內(nèi)外常常使用軟硬件結(jié)合的方式來提高微處理器的抗干擾能力[33,37]。常用的軟件抗干擾方法有:軟件指令冗余措施、軟件陷阱抗干擾方法、軟件“看門狗”技術(shù)等。純粹的軟件抗干擾會浪費大量的CPU功率，所以先使用硬件來消除大部分干擾。常用的硬件抗干擾有:光電隔離器、接地技術(shù)、掉電保護技術(shù)等。

5 結(jié)束語

近年來，電磁流量計隨著需求的增加不斷發(fā)展。在諸多的電磁流量計技術(shù)發(fā)展當(dāng)中，作者認(rèn)為未來的電磁流量計發(fā)展仍然以勵磁優(yōu)化、信號處理技術(shù)為主，同時電磁流量計將不斷添加各種智能化的功能以應(yīng)對更多、更復(fù)雜的測量環(huán)境。

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Development of Electromagnetic Flowmeters and the Trend in Future

ZHAO Baosheng1，WU Rong2，LIU Zhisen1，HUANG Fugui1

(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Xiamen 361021,China; 2.Jinjiang Institute of Quality and Mentrology Supervision Testing,Jinjiang 362200,China)

The electromagnetic flowmeter has been widely used in petroleum,urban sewage and other dirty fluid environment because it has the advantages of simple structure,wide range,and corrosion resistance,etc.The accuracy of electromagnetic flowmeter is related to the precision of metering.With the development history of electromagnetic flowmeter as a clue,four of the development directions of electromagnetic flowmeter are analyzed,i.e.,the structure; the excitation mode; the signal processing mode; and the intellectualization of the electromagnetic flowmeter.From these four directions,the technology of electromagnetic flowmeter is described in detailed; the development trend of each technical direction is introduced,and the latest technologies in this direction are listed; the current status of the technical development and the direction in future of flowmeter are elaborated.Based on the analysis of some new technologies,the future development trend of electromagnetic flowmeter is summarized.In the new era of continuous development of intelligent technology,optimization of excitation,integration of multi-function mainly with signal processing technology,constant improvement of the structure for electromagnetic flowmeter are necessary to meet the more complex measuring environment,and the measurement requirement for personalized trend.

Electromagnetic flowmeter; A/D converter; Excitation mode; Signal processing; Intellectualization; Anti-interference

福建省發(fā)改委戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)基金資助項目(25201324)

趙保生(1994—)，男，在讀碩士研究生，主要從事寬量程、高靈敏度流量計的研究。E-mail: a95831387@163.com。 黃富貴(通信作者)，男，碩士，教授，主要從事精密測量技術(shù)及傳感器的研究。 E-mail: hmm@hqu.edu.cn。

TH814;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705016

修改稿收到日期:2017-01-12