浅谈电磁流量计未来的路在哪里？

　　流量计是一种使用物理原理测量一段时间内的流体流量的仪器。电磁流量计具有范围广，耐腐蚀，结构简单的优点，是目前最流行的流量计之一。电磁流量计的理论诞生于20世纪20年代。现代电磁流量计主要基于计算机技术，其功能通过增强计算机信息处理能力，存储能力，计算能力和计算机控制功能得到增强。电磁流量计技术创新的四个方向值得关注：电磁流量计的结构，电磁流量计的激励方式，电磁流量计的信号处理技术，电磁流量计的智能化。本文以此为线索，总结电磁流量计的发展历史，分析其发展趋势。

1、电磁流量计结构

　　电磁流量计使用电极和流体形成回路以测量回路中产生的电参数。传统电磁流量计的测量原理如图1所示。电磁线圈在直径为d和横截面积为A的管道中产生磁场强度为B的磁场。当流体通过时，磁感应线路切割以产生感应电动势U，并且测量电极接收电动势信号。可以通过公式计算流量。其中：Q是流量; k是校正因子。

　　由于传统的电磁流量计不能测量低导电率的流体并且对摩擦和粘附效果敏感，它只能测量流体满管的状况等，因此有必要改变其结构以适应更复杂的环境。改变电磁流量计结构的主要方法是改变电极的数量和位置，从而形成电容式电磁流量计，非全管电磁流量计等。

1.1、电容式电磁流量计

　　电容式电磁流量计从根本上解决了电极表面粘附，腐蚀，摩擦等问题。电极通过绝缘衬里与待测流体隔离，或直接使用绝缘测量管。电极放置在测量管外部或嵌入测量管内。嵌入式电磁流量计和外接电磁流量计的结构如图2所示。

　　待测量的电极和流体通过绝缘管形成检测电容器，并且流量信号通过电容器耦合。根据电极的安装位置，主要结构形式可分为两种类型：电极嵌入测量管（嵌入式）的绝缘衬里内，电极安装在测量管外部（外部粘连）类型）。嵌入式结构类似于普通电磁流量计的结构，外部连接型大多采用陶瓷表面金属化技术将电极粘在测量管外。

1.2、非满管电磁流量仪表

　　普通的电磁流量计只能测量满管流量，在很多情况下，由于流速非常快，有时不充满，普通的电磁流量计不能应用。因此，希望电磁流量计可以测量非满管的流量。 。目前，市场上常见的有几种类型的非全管电磁流量计。

1.2.1、多电极式非满管电磁流量计。底部是一对信号注入电极，中间有多对测量电极，顶部有一个完整的管电极。在满管的情况下，流量计具有与普通电磁流量计相同的功能。流体的横截面积在满管条件下固定。此时，流量值仅需要测量流体的流速。当流体未满时，全管电极检测到管道未满状态，并且通过算法校正测量值。此时，改变流量计以测量流体流量和液位。信号注入电极与位于不同位置的三对测量电极一起工作，用于测量水平表面的高度和流体的速度。多电极非全管电磁流量计示意图如图3所示。

1.2.2、电容式非满管电磁流量计。电容式非全管电磁流量计的原理图如图4所示。

　　电容式非全管电磁流量计是利用液位变化电容器的极长改变，并且可以通过测量发送电极和检测电极之间的电容耦合值来测量流量值。

1.2.3、使用阻抗或信号衰减开发的非全管电磁流量计。这种类型的非全管电磁流量计是目前国内研究方向之一。结构是一对信号传输电极连接到流管的底部，信号接收电极连接在流管的中间。由于信号在流体中传播，它将衰减，传播时间越长，衰减越大，因此通过信号接收电极接收的信号衰减获得液位;并且电极还可以测量流体切割磁力线。产生的电动势用于测量非满管的流量。阻抗或信号衰减非全管电磁流量计的原理图如图5所示。

1.2.4、智能非满管电磁流量计。这种流量计是电磁流量计智能化发展的方向之一。使用两种不同连接的励磁线圈，应用加权函数和几何位置原理，建立液位函数关系，最后通过在线计算计算液位。蒋玉林和丁文斌改进了重量函数和诱导电位的计算方法。对于非全管流量计，其重量分布与普通电磁流量计不同。数量也不同。在非满管的情况下，通过有限元法分析权函数的权函数，以获得不同液位下的权函数。

　　除此之外，还有电磁流量计的其他功能，例如改变信息传输通道的二进制电磁流量计，将信号线和电源线串在一起，用于测量通道的潜水电磁流量计，以降低功耗和改善兴奋。减径电磁流量计专为效率和灵敏度而设计，分流式电磁流量计用于油水两相流量测量，以及其他电磁流量计。

2、激励模式优化

　　激励模式的选择会影响整个流量计系统的精度，能耗和其他参数。因此，在确定电磁流量计的结构之后，激励模式的选择尤其重要。激励方法可分为两种基本形式，即交变磁场的形式（包括正弦波激励，矩形波激励，三元波激励和双频矩形波激励）和恒定磁场的形式（包括直流电源）激励和永磁激励）。

2.1、交变磁场激励

　　工频正弦波是电磁流量计中最早的激励模式。其测量速度快，受电化学反应的影响较小。然而，由于高频，很容易由于涡流而产生同相噪声，并且差分噪声补偿很困难，并且零点容易漂移。低频矩形波激励具有实现简单，零稳定，抗工频干扰的优点，已成为流量计制造商采用的主要激励方式。

　　随着实际生产应用中流体测量速度和浆料测量精度的提高，低频激励不能满足要求，因此国外提出了高频方波激励和双频矩形波激励。高频方波激励或双频矩形波激励可以有效克服浆料噪声，流动噪声的干扰，提高测量速度，但高频激励部分的核心技术尚未公开。没有国内制造商能够提供具有独立产权的产品，而且相关文件很少。虽然双频矩形波激励具有高频测量速度和低频稳定性的优点，并且对流动噪声不敏感，但由于需要执行复杂算法，因此会增加功耗。刘铁军，龚同生在双频激励研究的基础上进行了改进，提出了一种时分双频激励方法。这种方法处理低同时，高频率和高频率的优势使得能够在很宽的测量范围内高精度地测量流速。

2.2、恒定磁场激励

　　与交变磁场激励模式相比，恒定磁场激励方法实现起来更简单，受工频干扰的影响较小，并且使用恒定磁场激励可以简化传感器结构。

　　恒定磁场激励的最关键问题是电化学和其他因素会在电磁流量计的测量电极上引起严重的极化，从而导致测量电极上的极化电压。如果极化电压太大，它将淹没由测量信号产生的感应电动势。交变磁场激励可以通过连续改变激发方向来消除电极表面的极化。因此，目前国内外大多数电磁流量计都采用交变磁场激励。恒定磁场激励方法应用于具有极高导电率和最小内阻的液态金属的流量测量，而不会引起极化效应。

　　为了克服电极表面上的极化现象，目前使用的方法可以分为以下两种类型。 1从极化电压原理出发，分析两个电极上极化电压的相关性，从根本上消除极化电压的影响，如差分对比度消除极化电压法。但是，由于极化电压的影响，随机性远大于反映流量信号的感应电动势，因此消除极化的效果不理想。 2另一种是避免极化电压原理，尽量将极化电压控制在一个稳定值而不影响流体感应信号的测量，如继电器电容反馈抑制极化方法。浙江大学提出了一种新方法，利用电极上快速变化的交变电场来抑制极化电压，这种交变电场仅在非采样期间被激发。上海大学提出了另一种反馈方法，即对测量电极进行动态跟踪反馈，消除磁激励电磁流量计的电极极化问题。目前，该方法是目前恒磁场激励方法研究的重点。

3、信号处理方法的改进

　　电磁流量计通过在一段时间内收集电信号来达到测量流量的目的，因此在测量过程中不可避免地掺杂各种干扰信号，从而改善信号的检测和处理方式尤为重要。 。

3.1、普通电磁流量计信号处理

　　信号的检测处理实际上是信号的放大，获取和干扰抑制。信号研究的重点是抑制干扰。电磁流量计的干扰主要包括极化电压干扰，工频干扰，电化学干扰，流体碰撞干扰，微分干扰，零漂等。此外，一些研究发现了不对称的流体流动。电极和激励线圈的不对称性也产生相应的测量误差。许多国内机构在这些领域做了大量研究。例如，上海大学提出的反馈信号放大方法采用矩形波激励来克服极化电压和功率带的干扰，增加激励频率或改变激励。克服电化学干扰和流体与管道碰撞引起的干扰的方法。周震，王强等人通过对流量计之间的流量信号进行建模，将干扰信号和流量信号分离，并预先采用阈值确定来调整偏移量，以抑制低频漂移引起的干扰，并使用数字 - 模拟混合最优滤波方法消除差分。干扰。对于恒磁激励方法，干扰主要来自极化电压干扰和零点漂移干扰。消除零点漂移干扰的方法包括电容隔离方法，反馈信号处理方法和三采样消除零点漂移方法。 

3.2、电容式电磁流量计信号处理

　　普通电磁流量计的电极部分是与待测液体接触的金属导体，流体流动以对电极产生碰撞噪声。后来开发的电容式电磁流量计使电极部分不与待测流体直接接触，而是通过壁和流体的感应电动势感应，从根本上解决了杂散噪声问题。然而，由于耦合电容器的容抗是电容式电磁流量计的主要信号内阻，因此耦合电容值小，内部电阻大，并且测量信号的信噪比小。为了获得高信噪比，必须使用高输入阻抗前置放大器和高共模抑制比差分放大器来进行信号的阻抗转换和放大。

　　目前，信号检测有两种方法：直接检测感应电压和通过“虚地”检测电流方法。电压检测方法成熟，但受流体因素的影响很大。检测电流方法通过“虚地”和合适的电阻值获得高电位，通过Q = CE计算电容，最后通过微分获得电流值。该方法可以从根本上消除电容器漏电流的影响，但这种方法受耦合电容值变化的影响很大，电路复杂，通常使用较少。互相关检测方法基于具有相同频率相关和不同频率不相关特性的互相关函数。通过互相关操作，实现滤除噪声的效果。知道发送信号的频率，可以在接收端发送相同频率的参考信号，并且可以通过与混沌信号相关联来提取弱测量信号。在随后的数据处理中，他们使用基于相关检测原理的旋转电容滤波器。该电路具有很强的抗干扰能力和高信噪比。

　　由于智能电磁流量计的出现，越来越多的信号处理技术不再是纯粹的基于电路的过滤，而是更多地使用软件过滤。例如，Matlab可用于在线处理信号以有效地减少干扰，或者通过小波变换处理信号以抑制干扰等。

4、智能流量计

　　随着微处理器的发展，电磁流量计也在向智能化方向发展。智能化方向可分为智能信号处理和智能控制，两者共同构成智能电磁流量计。其主要技术包括软件技术，自诊断功能，程控放大器技术和微处理器抗干扰技术。

　　软件技术是智能信号处理的标志，即由软件控制电磁流量计的整个工作过程。数字滤波，非线性拟合和零点自校正是常用技术。数字滤波可以执行模拟滤波无法完成的滤波功能，例如：脉冲干扰抑制，数字电路毛刺干扰消除，A / D转换器的反电源频率，以及确保数字输入微处理器的可靠性。此外，数据在线分析和数据重建也是其研究方向之一，例如使用小波变换来分离浆液中的流量信号，浆液信号和使用陷波滤波器组的信号处理方法。

　　电磁流量计是非阻抗测量。测量电极在与流体接触后易于磨损，腐蚀，结垢等。这些现象将极大地影响电磁流量计的测量精度。为了便于拆卸和维护，电磁流量计增加了自诊断功能。越来越多的功能，包括信号线性，激励电路完整性和精度（包括励磁线圈电阻和激励电流），监测和诊断过程以及环境条件的变化（如液体电导率，流体的变化）中等气泡和固体颗粒含量，等等。）。然后有一种自诊断技术可以在不改变电磁流量计结构的情况下执行异常激励电流。

　　可编程放大器技术实现电磁流动自动转换测量范围，同时采用增益控制方法可有效减弱差分干扰峰值，使放大器过载，便于流量信号电位处理，提高抗微分干扰能力。

　　先前的抗干扰技术解决了输入和输出之间的各种干扰问题，但当电磁流量计引入智能系统时，微处理器的各种干扰也会影响测量结果的准确性，甚至导致整个流量测量。系统运行或崩溃。目前，国内外经常使用软硬件结合来提高微处理器的抗干扰能力[33,37]。常用的软件抗干扰方法有：软件指令冗余度量，软件陷阱抗干扰方法，软件“看门狗”技术。纯软件抗干扰会浪费大量CPU能力，因此首先要使用硬件来消除大部分干扰。常用的硬件抗干扰：光电隔离器，接地技术，掉电保护技术。

5、结论

　　近年来，随着需求的增加，电磁流量计不断增长。 在许多电磁流量计技术的发展过程中，笔者认为电磁流量计的未来发展仍然以激励优化和信号处理技术为主，电磁流量计将继续增加各种智能功能，以应对越来越复杂的功能。 测量环境。

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