電磁流量計測量原理及勵磁方式

電磁流量計知識講座

 

1 概述

 

電磁流量計（Electromagnetic Flowmeters，簡(jiǎn)稱(chēng)EMF）是20世紀50-60年代隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的新型流量測量?jì)x表。它是根據法拉第電磁感應定律制成的，用來(lái)測量導電液體體積流量的儀表。由于其獨特的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地被應用于工業(yè)過(guò)程中各種導電液體的流量測量，如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)；各種易燃易爆介質(zhì)；污水處理以及化工、食品、醫藥等工業(yè)中的各種漿液流量測量，形成了獨特的應用領(lǐng)域。

在結構上，電磁流量計由電磁流量傳感器和轉換器兩部分組成，如圖7-1所示。傳感器安裝在工業(yè)過(guò)程管道上，它的作用是將流進(jìn)管道內的液體體積流量值線(xiàn)性地變換成感生電勢信號，并通過(guò)傳輸線(xiàn)將此信號送到轉換器。轉換器安裝在離傳感器不太遠的地方，它將傳感器送來(lái)的流量信號進(jìn)行放大，并轉換成與流量信號成正比的標準電信號輸出，以進(jìn)行顯示，累積和調節控制。

電磁流量計的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1）電磁流量計的傳感器結構簡(jiǎn)單，測量管內沒(méi)有可動(dòng)部件，也沒(méi)有任何阻礙流體流動(dòng)的節流部件。所以當流體通過(guò)流量計時(shí)不會(huì )引起任何附加的壓力損失，是流量計中運行能耗最低的流量?jì)x表之一。

2）可測量臟污介質(zhì)、腐蝕性介質(zhì)及懸濁性液固兩相流的流量。這是由于儀表測量管內部無(wú)阻礙流動(dòng)部件，與被測流體接觸的只是測量管內襯和電極，其材料可根據被測流體的性質(zhì)來(lái)選擇。例如，用聚三氟乙烯或聚四氟乙烯做內襯，可測量各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)；采用耐磨橡膠做內襯，就特別適合于測量帶有固體顆粒的、磨損較大的礦漿、水泥漿等液固兩相流以及各種帶纖維液體和紙漿等懸濁液體。

3）電磁流量計是一種體積流量測量?jì)x表，在測量過(guò)程中， 它不受被測介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及電導率（在一定范圍）的影響。因此，電磁流量計只需經(jīng)水標定后，就可以用來(lái)測量其它導電性液體的流量。

4）電磁流量計的輸出只與被測介質(zhì)的平均流速成正比，而與對稱(chēng)分布下的流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）無(wú)關(guān)。所以電磁流量計的量程范圍極寬，其測量范圍度可達100：1，有的甚至達1000：1的可運行流量范圍。

5）電磁流量計無(wú)機械慣性，反應靈敏，可以測量瞬時(shí)脈動(dòng)流量，也可測量正反兩個(gè)方向的流量。

6）工業(yè)用電磁流量計的口徑范圍極寬，從幾個(gè)毫米一直到幾米，而且國內己有口徑達3m的實(shí)流校驗設備，為電磁流量計的應用和發(fā)展奠定了基礎。

電磁流量計目前仍然存在的主要不足如下。

1）不能用來(lái)測量氣體、蒸汽以及含有大量氣體的液體。

2）不能用來(lái)測量電導率很低的液體介質(zhì)，如對石油制品或有機溶劑等介質(zhì)，目前電磁流量計還無(wú)能為力。

3）普通工業(yè)用電磁流量計由于測量管內襯材料和電氣絕緣材料的限制，不能用于測量高溫介質(zhì)；如未經(jīng)特殊處理，也不能用于低溫介質(zhì)的測量，以防止測量管外結露（結霜）破壞絕緣。

4）電磁流量計易受外界電磁干擾的影響。

 

2 電磁流量計的測量原理

 

根據法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場(chǎng)中運動(dòng)切割磁力線(xiàn)時(shí)，在導體的兩端將產(chǎn)生感應電動(dòng)勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場(chǎng)的磁感應強度B，導體在磁場(chǎng)內的有效長(cháng)度L及導體垂直于磁場(chǎng)的運動(dòng)速度u成正比。如果B、L、u三者互相垂直，則

與此相似，如果在磁感應強度為B的均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內徑為D的不導磁管道，當導電液體在管道中以流速u(mài)運動(dòng)時(shí)，導電液體就切割磁力線(xiàn)，如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩側安裝一對電極（如圖7-2所示），則可以證明，只要管道內流速分布為與軸對稱(chēng)分布，則兩電極間將產(chǎn)生感生電勢

式中是管道截面上的平均流速（m/s）；k是常系數，無(wú)量綱；D是測量管直徑（m）；B是磁感應強度（T）。

由此可得通過(guò)管道的體積流量

由上式可知，當測量管結構一定時(shí)，體積流量qv與比值e/B成正比，而與流體的狀態(tài)和物性參數無(wú)關(guān)，測量比值e/B即可得到體積流量值qv。當磁感應強度B為恒定值時(shí)，體積流量qv與感生電勢e成正比。

B是直流磁場(chǎng)或正弦波交流磁場(chǎng)或其它類(lèi)型磁場(chǎng)的磁感應強度。它由電磁流量計的勵磁系統提供。勵磁系統可以給電磁流量傳感器提供多種形式的磁場(chǎng)波形。不同的磁場(chǎng)波形，直接決定了電磁流量傳感器工作磁場(chǎng)的特征，也基本上決定了電磁流量計流量信號的處理方法，對電磁流量計的工作性能有很大的影響。所以，自電磁流量計進(jìn)入商用化以來(lái)，勵磁方式始終是人們研究電磁流量計的熱點(diǎn)問(wèn)題。從電磁流量計開(kāi)始應用的直流勵磁到現在雙頻方波勵磁，已使用過(guò)多種方式的勵磁技術(shù)。下面就各種勵磁方式的特點(diǎn)作簡(jiǎn)要分析。

 

3 電磁流量計的勵磁方式

 

人們開(kāi)始研究電磁流量計時(shí)，最先想到使用的勵磁磁場(chǎng)自然是直流磁場(chǎng)，后來(lái)又發(fā)明了正弦波交流磁場(chǎng)、低頻矩形波磁場(chǎng)、三值低頻矩形波磁場(chǎng)以及雙頻矩形披磁場(chǎng)等。它們的磁場(chǎng)理想波形如圖7-3所示。

3.1 直流勵磁技術(shù)

直流勵磁技術(shù)是最初的電磁流量計采用的勵磁技術(shù)，它是利用永磁體或者直流電源給電磁流量傳感器勵磁繞組供電，以形成恒定的直流磁場(chǎng)，磁場(chǎng)波形如圖7-3a）所示。直流勵磁技術(shù)具有方法簡(jiǎn)單可靠、受工頻干擾影響很小以及流體中的自感現象可以忽略不計等特點(diǎn)。但是，直流勵磁技術(shù)的最大問(wèn)題是直流感應電勢在兩電極表面上形成固定的正負極性，引起被測流體介質(zhì)電解而產(chǎn)生正負離子，導致電極表面極化現象，使感生的流量信號電勢減弱，電極間等效電阻增大，同時(shí)出現電極極化電勢漂移，嚴重影響信號處理部分的工作。即使電極采用極化電勢很小的鉑、金等貴重金屬或其合金材料，常常也存在微弱的極化電勢，同時(shí)儀表的制造成本也較高。另外，直流勵磁在電極間產(chǎn)生不均衡的電化學(xué)干擾電勢疊加在直流流量信號中，無(wú)法消除，并隨著(zhù)時(shí)間的變化、流體介質(zhì)特性以及流動(dòng)狀態(tài)而變化。第三，直流放大器的零點(diǎn)漂移、噪聲和穩定性問(wèn)題難以獲得很好解決，特別是在小流量測量時(shí)，信號放大器的直流穩定度必須在幾分之一微伏之內，這樣就限制了直流勵磁技術(shù)的應用范圍。目前直流勵磁技術(shù)僅在原子能工業(yè)中用于電導率極高，而又不產(chǎn)生極化效應的液態(tài)金屬流量測量中。

3.2 工頻正弦波勵磁技術(shù)

工頻正弦波勵磁技術(shù)是利用正弦波工頻（50Hz）電源給電磁流量傳感器勵磁繞組供電，其主要特點(diǎn)是所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為一正弦波交變磁場(chǎng)，如圖7-3b）所示。這種勵磁方式能夠基本上消除電極表面的極化現象，降低電極電化學(xué)電勢的影響和傳感器內阻。另外，采用工頻正弦波勵融技術(shù)，其傳感器輸出的流量信號仍然是工頻正弦波信號，易于放大處理，能避免直流放大器存在的實(shí)際困難。而且勵磁電源簡(jiǎn)單方便。

在工頻正弦波勵磁方式中，交流磁場(chǎng)的磁感應強度

在電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢為

被測體積流量為

式中 Bm是交變磁感應強度的最大值；ω是勵磁電流角頻率，ω=2πf；f是勵磁電源頻率。

值得注意的是，工頻正弦波勵磁技術(shù)的采用會(huì )帶來(lái)一系列電磁干擾和噪聲。

首先是電磁感應產(chǎn)生正交干擾（又稱(chēng)90°干擾），一般認為正交干擾是由“變壓器效應”造成的。在電磁流量傳感器中，由于電極、引線(xiàn)、被測介質(zhì)和電磁流量轉換器的輸入電路構成的閉合回路處在一交變的磁場(chǎng)中，所以，即使被測介質(zhì)不流動(dòng)，處于該交變磁場(chǎng)中的閉合回路也會(huì )產(chǎn)生感生電勢e1和感生電流，顯然，這是一干擾電勢。根據電磁感應原理，該干擾電動(dòng)勢與磁場(chǎng)對時(shí)間的變化率的負值成正比。即

這就是正交干擾信號電勢，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1）與流量無(wú)關(guān)，即使流體靜止不動(dòng)，這樣的信號依然存在；

2）在相位上比流量信號滯后90°，故也稱(chēng)90°干擾；

3）勵磁電流頻率越高，正交干擾也越嚴重，實(shí)際應用中，正交干擾信號可以遠大于流量信號。

所以如何克服正交干擾電勢的影響是工頻正弦波勵磁技術(shù)的主要課題。

其次是同相干擾，是指同時(shí)出現在傳感器兩個(gè)電極上，頻率和相位都和流量信號一致的干擾信號。一般認為是靜電感應、絕緣電阻分壓以及傳感器管道上的雜散電流所引起。如圖7-4所示，傳感器的勵磁線(xiàn)圈對電極A和B不僅存在著(zhù)絕緣電阻R_m，同時(shí)還存在著(zhù)分布電容C_f。設兩電極之間的內阻為R_s，則勵磁電壓U通過(guò)絕緣電阻和分布電容與傳感器內阻分壓，在兩電極上同時(shí)產(chǎn)生壓降。

設勵磁電壓為U=Umsinwt，則在Cf上產(chǎn)生的容抗為Rc和Rm并聯(lián)，如果Rm>>Rc，則得總阻抗R約為Rc。這樣，R和內阻Rs/2對勵磁電壓U進(jìn)行分壓，在電極上將得到由分布電容Cf串進(jìn)的干擾電壓e2為

由于同相干擾信號的頻率和相位與流量信號完全一致，疊加在流量信號中難以消除，以至電磁流量計零點(diǎn)不穩定。

第三是工頻正弦波供電電源存在電源電壓和頻率的波動(dòng)，由式（7-5）可知，電壓和頻率分別影響B(tài)m和ω，從而造成對測量的影響。

實(shí)際應用中，雖然已采取相敏整流、嚴格的電磁屏蔽和線(xiàn)路補償、電源補償、自動(dòng)正交抑制系統等技術(shù)措施以消除與流量信號頻率一致的工頻干擾電壓，但由于正交干擾信號電勢往往有較大幅值，自動(dòng)正交抑制系統等抗干擾措施不可能完全消除干擾信號，從而導致電磁流量計零點(diǎn)的不穩定，測量精度難以提高。這就是工頻正弦波勵磁方式對電磁流量計的限制，使得電磁流量計的性能很難進(jìn)一步提高。

3.3 低頻矩形波勵磁技術(shù)

低頻矩形波勵磁技術(shù)是結合了直流勵磁和交流勵磁技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了它們缺點(diǎn)的一種勵磁技術(shù)。20世紀70年代以來(lái)，隨著(zhù)集成電路技術(shù)和同步采樣技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化，低頻矩形波勵磁技術(shù)應運而生，在電磁流量計中得到廣泛使用。它的勵磁磁場(chǎng)波形如圖7-3c）和d）所示，其頻率通常為工頻的偶數分之一（一般為1/2- /132）。70年代前期以單極性低頻矩形波勵磁技術(shù)為主，后期以雙極性低頻矩形波勵磁技術(shù)為主而開(kāi)始其工業(yè)應用。

從圖7-3中可以看到，在半個(gè)周期內，磁場(chǎng)是一恒穩的直流磁場(chǎng)，它具有直流勵磁技術(shù)受電磁干擾影響小，不產(chǎn)生渦流效應、正交干擾和同相干擾小等特點(diǎn)；從整個(gè)時(shí)間過(guò)程看，矩形波信號又是一個(gè)交變信號，具有正弦波勵磁技術(shù)基本不產(chǎn)生極化現象，便于放大和處理信號，避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩定性等問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)。所以低頻矩形波勵磁技術(shù)具有良好的抗干擾性能，在電磁流量計中已得到廣泛應用。

在低頻矩形波勵磁中，由于勵磁電流矩形波存在上升沿和下降沿，根據式（7-的，在上升沿和下降沿處，必然也存在正交干擾（微分干擾）。其沿越陡，微分干擾電勢越大，但很快就會(huì )消失，形成一很窄的尖峰脈沖；上升沿和下降沿變化越緩慢，則微分于擾越小，但經(jīng)歷時(shí)間越長(cháng)。

如何消除上升沿和下降沿處的微分干擾，是低頻矩形波勵磁技術(shù)要解決的主要問(wèn)題之一。由于一般電磁流量傳感器勵磁繞組中電感和電阻的比值L/R往往較小。隨著(zhù)勵磁電流進(jìn)入穩態(tài)，微分干擾也很快能自動(dòng)消失。所以，為了排除微分干擾對流量信號的影響，通常在勵碰電流進(jìn)入穩態(tài)的恒定階段（即矩形波的平頂部分）后，再對流量信號電壓進(jìn)行同步采樣，如圖7-5所示。這樣，微分干擾信號不能進(jìn)入同步采樣，因此也不影響流量信號輸出。此外，同步采樣脈沖相對工頻來(lái)說(shuō)是一寬脈沖，并選擇為工頻周期或工頻周期的整數倍，如圖7-5e所示，這樣，即使流量信號中混有工頻干擾信號，因其采樣時(shí)間為完整的工頻周期，其平均值為零，工頻干擾電壓不起作用。另一方面，由于勵磁頻率低，渦電流很小，靜電耦合分布電容的影響小，所以，由于靜電感應而產(chǎn)生的同相干擾也大大減小。綜上所述，低頻矩形波勵磁方式有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1）能避免正弦波交流磁場(chǎng)的正交干擾；

2）基本消除由分布電容引起的工頻干擾；

3）能抑制交流磁場(chǎng)在管壁和流體內引起的渦電流；

4）能消除直流磁場(chǎng)的極化現象。

低頻矩形波勵磁技術(shù)的采用，解決了長(cháng)期困擾電磁流量計的電磁干擾問(wèn)題，大大提高了電磁流量計的零點(diǎn)穩定性和測量精度，縮小傳感器的體積，降低勵磁功率，使轉換器和傳感器一體化，提高電磁流量計的整體性能，拓寬了電磁流量計的工業(yè)應用領(lǐng)域。

3.4 勵磁技術(shù)的新發(fā)展

1.三值低頻矩形波勵磁技術(shù)

三值低頻矩形波勵磁技術(shù)是人們在總結低頻矩形波勵磁技術(shù)的基礎上，為了使儀表零點(diǎn)更穩定而提出的一種勵磁技術(shù)，磁場(chǎng)波形如圖7-3e所示。其最大的特點(diǎn)是實(shí)現在零態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)校正零點(diǎn)，因而具有更優(yōu)良的零點(diǎn)穩定性。

三值低頻矩形波勵磁方式的勵磁電流一般采用工頻的1/8頻率，以+B，0，-B三值進(jìn)行勵磁，通過(guò)對正-零-負-零-正變化規律的三種狀態(tài)進(jìn)行采樣和處理，如圖7-6所示。其首要的特點(diǎn)是能在零態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)校正零點(diǎn)，有效地消除了流量信號的零位噪聲，從而大大提高了儀表零位的穩定性；其次，它與低頻矩形波勵磁技術(shù)一樣，可以采用同步采樣技術(shù)來(lái)消除上升沿和下降沿處的微分干擾；采用寬脈沖采樣以消除混在流量信號中的工頻干擾信號；第三，它可以通過(guò)一個(gè)周期內的四次采樣值，近似認為極化電勢恒定，利用微處理機的數值運算功能得以消除極化電勢的影響。

所以，采用三值低頻矩形波勵磁技術(shù)的電磁流量計零點(diǎn)穩定，抗工頻能力強，測量精度進(jìn)一步提高，傳感器單位流速的流量信號電壓可降低到工頻勵磁方式時(shí)的1/4，從而可進(jìn)一步降低勵磁功耗，實(shí)現電磁流量計的小型輕量一體化，在電磁流量計中已得到廣泛應用。

2.雙頻矩形波勵磁技術(shù)

三值低頻矩形波勵磁方式具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩定性，但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的流體介質(zhì)和低電導率流體流量時(shí)，出現固體顆粒擦過(guò)電極表面而產(chǎn)生低頻尖峰噪聲和流體流動(dòng)噪聲，這樣往往導致勵磁頻率較低的三值勵磁電磁流量計輸出擺動(dòng)不穩。

三值低頻矩形波勵磁零點(diǎn)穩定，但無(wú)法抑制低頻噪聲；較高頻率的矩形波磁場(chǎng)能消除低頻噪聲，但一般其零點(diǎn)穩定性欠佳。人們在分析各種勵磁技術(shù)的基礎上，提出了雙頻矩形波勵磁技術(shù)，其磁場(chǎng)波形如圖7-3f所示。高頻部分是75Hz的矩形波，外包絡(luò )線(xiàn)是1/8工頻的低頻矩形波。采用這種勵磁方式，可用高頻波采樣來(lái)消除含纖維和固體顆粒流體介質(zhì)的低頻噪聲，同時(shí)又保持了低頻矩形波勵磁零點(diǎn)穩定的優(yōu)點(diǎn)，取得了很好的應用效果。