流量計(jì)是利用物理原理(li)實現對一段時間(jian)内流體流量測量(liang)的儀器。電磁流量(liang)計具有寬量程、耐(nài)腐蝕、結構簡單等(děng)優點，是當前常用(yòng)的流量計品種之(zhi)一。電磁流量計的(de)理論産生于20世紀(jì)20年代。當代電磁流(liú)量計💃🏻大多以計算(suàn)機技術爲基礎，其(qí)功✨能随着計算機(ji)的信息處理能力(lì)、存儲能力、運算能(neng)力和計算機🤩的控(kòng)制功能的增強而(ér)增強。電磁流量計(ji)革新的四個方向(xiàng)值得關注:電磁流(liú)量計的結構、電磁(ci)💛流量計的勵磁方(fāng)式、電磁流量計的(de)信号處理技術以(yi)及電磁流量計的(de)智能化等。本文以(yǐ)此爲線索，總結電(diàn)磁流量計的發展(zhan)曆程并分析其發(fā)展趨勢🔴。
1電磁流量(liang)計結構
　　電磁流量(liàng)計是利用電極與(yu)流體構成一個回(huí)路來測量回路中(zhong)産生的電參數。傳(chuán)統電磁流量計測(cè)量原理如圖1所示(shi)🐅。電磁🍉線圈👈在直徑(jing)爲d、橫截面積爲A的(de)管道中🤟産生一個(ge)磁場強度爲B的磁(ci)場。當有流體經💞過(guo)時會切割磁感線(xian)而産生感應電動(dong)勢U，測量電極接收(shōu)電動勢信号。由公(gōng)式可計算其流量(liàng)。式中:Q爲流量;k爲修(xiū)正系數。

　　由于傳統(tǒng)的電磁流量計無(wú)法測量低電導率(lǜ)的流體🚩，且對摩擦(ca)、粘附效應敏感，隻(zhī)能測量流體滿管(guan)情況等，因此需要(yào)改變其結構，使其(qí)能夠适應更複雜(zá)的環境。改變電磁(cí)流量計結構的主(zhu)要方法是改變電(dian)極的數🔞量和位置(zhì)，從而形成電容電(dian)磁🐕流量計、非♈滿管(guan)電磁流量計等。
1．1電(diàn)容電磁流量計
　　電(dian)容式電磁流量計(jì)從根本上解決了(le)電極表面附着、腐(fǔ)蝕、摩擦等問題，其(qí)電極與被測流體(ti)間有絕緣襯裏隔(gé)離，或者🈲直接👈采用(yong)👌絕緣測量管。電極(jí)置于測量管外面(mian)或鑲嵌于測量管(guan)内❌部。嵌入🎯式電磁(ci)流量計和外貼式(shi)電磁流量計的結(jié)㊙️構如圖2所示。

　　電極(ji)與被測流體通過(guo)絕緣管形成檢測(cè)電容，通過此電容(rong)來耦合流量信号(hao)。其主要的結構形(xing)式按照電極的安(an)裝位置可以分爲(wèi)兩種:電極嵌入測(ce)量管的絕緣👣襯裏(lǐ)内部(嵌入式)、電極(jí)貼在測量管外部(bù)(外貼式)。嵌入式結(jié)構與普通電磁流(liú)量計結構相似，而(er)外貼式大多是通(tōng)過陶瓷表面金屬(shu)化技術将電極貼(tiē)在測量管外。
1．2非滿(man)管電磁流量計
　　普(pǔ)通的電磁流量計(ji)隻能測量滿管流(liu)的流量，而很多情(qíng)況下由于流量流(liú)速很快，有時充不(bú)滿管道，普通的電(diàn)磁流量計不能适(shì)用，因此希望電磁(cí)流量計能夠進行(hang)非滿管流量的測(ce)量。目前市面上常(cháng)見的非滿管電磁(cí)流量計有下面幾(jǐ)種。
①多電極式非滿(man)管電磁流量計。其(qi)底部是一對信号(hao)注入電🐅極，中間有(yǒu)多對測量電極，頂(dǐng)端有一個滿管電(dian)極。在滿✂️管情況下(xià)，該流量計與普通(tōng)的電磁流量計的(de)功🈚能相同，滿管情(qíng)況下流體的橫截(jie)面積是固定的，此(cǐ)時計算流量值隻(zhī)需要測量流體📞的(de)流速即可。當流體(tǐ)非滿管時，滿管電(diàn)極檢測到管道非(fēi)滿狀态，利用算法(fa)🔞修正測量值，此時(shí)⛱️流量計的測量方(fāng)式改成測量流體(tǐ)流速和液面高度(dù)。信号注入電極與(yǔ)在不同位置的三(sān)對測量電極共同(tong)工作，用于測量液(yè)位面的高度和流(liú)體✍️的速度。多電極(jí)式非滿管電磁流(liu)量計結構簡圖如(rú)圖3所示。

②電容式非(fei)滿管電磁流量計(jì)。電容式非滿管電(dian)磁流量計🔴結🔞構簡(jiǎn)圖如圖4所示。

　　電容(róng)式非滿管電磁流(liú)量計就是利用液(ye)位的變化使得電(diàn)容🈲的極距發生變(bian)化，通過測量發送(sòng)電極和檢測電極(ji)之間的電容耦合(hé)值即可測量流量(liàng)值。
③利用阻抗或信(xìn)号衰減的非滿管(guan)電磁流量計。這種(zhǒng)結構✨的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻非滿管電(diàn)磁流量計是當前(qián)的方向之一。其結(jié)構是流量管🐉底部(bu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻貼一對信号發射(shè)電極，在流量管中(zhong)間貼信号接收電(dian)極。由于⛷️信号在流(liú)體中傳播會産生(shēng)衰減，且傳播時間(jian)越長，衰減越多🔅，因(yin)此通過信号接收(shou)電極接收到的💛信(xin)号衰減量即可得(de)知液🤟面高度;同時(shi)該電極還能測量(liàng)流體切割磁感🏃🏻線(xiàn)産生的電動勢，以(yǐ)此達到測量非滿(mǎn)管❓流量的目的。阻(zǔ)抗式或信号衰減(jian)非滿管電磁流量(liang)計結構簡圖如⛱️圖(tu)5所示。

④智能化非滿(mǎn)管電磁流量計。這(zhe)種流量計是電磁(ci)流量計智能化發(fa)展的方向之一。使(shi)用兩種接法不同(tóng)的勵磁線圈，應用(yòng)權重函數與幾何(hé)位置有關的原💯理(li)，建立液位的函數(shu)關系，最後通過在(zai)線計算求取液位(wei)。姜玉林、丁文斌改(gǎi)進了權重函數與(yǔ)🤩感應電勢的計算(suan)方法。對于非滿管(guan)流量計來說，由于(yú)其流體💋分布與普(pǔ)通的電磁流量計(jì)不同，因此其權重(zhong)函數也不同，在🐆非(fei)滿管的情況✍️下對(dui)其權⭕重函數進行(hang)有限❤️元數值分析(xī)，得到不同液面下(xia)的權重函數。
　　除此(ci)之外還有其他功(gong)能的電磁流量計(ji)，例如改變信息傳(chuán)輸🔆通🈲道将信号線(xian)與電源線串在一(yi)起的二進制電磁(cí)流量計、用于測量(liàng)渠道的潛水電磁(ci)流量🥵計、爲了🍓降低(di)功耗并提高勵磁(ci)🏃效率和靈敏度的(de)異⚽徑電磁流量計(jì)、用于🈲油水兩相🥵流(liú)流量測🌐量的分流(liu)🌂式電磁流量計以(yi)及其他電磁流量(liàng)計。
2勵磁方式的優(you)化
　　勵磁方式的選(xuǎn)擇影響了整個流(liú)量計系統的精度(du)、能🍓耗等參數。因此(cǐ)在電磁流量計的(de)結構确定之後，勵(lì)磁方式的選擇尤(yóu)✍️爲重要。勵磁方式(shì)可以分爲兩種基(ji)本形式，即采用交(jiāo)變磁場的形式(包(bāo)括正弦波勵磁、矩(jǔ)形波勵磁、三🐕值波(bō)勵磁和雙頻矩形(xíng)波勵磁)和采用恒(heng)定磁場的形式(包(bāo)括直流電源勵磁(ci)和永磁體勵磁)。
2．1交(jiao)變磁場勵磁
　　工頻(pin)正弦波是最早應(ying)用于電磁流量計(ji)中的勵磁方式，其(qí)測👄量速度快，受電(diàn)化學反應影響小(xiao)，但是由于頻率高(gao)，容易因爲渦流産(chan)生同相噪聲且微(wei)分噪♉聲補償困難(nan)，零點容易漂移。低(dī)頻矩形波勵磁具(jù)有實現簡單、零點(diǎn)穩定、抗工頻幹擾(rǎo)等優點而成爲流(liú)💁量計廠商主💘要采(cǎi)用的勵磁方式。
　　随(sui)着實際生産應用(yòng)中對流體測量速(su)度和對漿液測量(liang)精度要求的提高(gāo)，低頻勵磁已不能(neng)滿足要求，于是國(guó)外提出高頻方波(bo)勵磁和雙頻矩形(xing)波勵磁。高頻方波(bō)勵磁或雙頻矩形(xing)波勵磁雖能有效(xiao)克服漿液噪聲、流(liú)動噪聲🥵等幹擾并(bìng)㊙️提高測量💜速度，但(dàn)是🛀有關高頻勵磁(ci)部分的核心技術(shù)并未披露。國内還(hái)沒有廠家能🚶夠㊙️提(tí)供擁有自主産權(quán)的産品，相關的文(wen)獻也很少。雖然雙(shuang)頻矩形波勵磁兼(jiān)具高頻測量速度(du)快和低頻穩定性(xing)好，且對流動噪聲(sheng)不敏感，但是由于(yú)需要執行複雜算(suàn)法，會增加功耗。劉(liu)鐵軍、宮通勝在雙(shuang)頻勵磁的基礎上(shang)對其進行了☔改進(jìn)，并提出一種時分(fèn)雙頻勵磁的⚽方📞法(fǎ)。該方法在兼顧了(le)低頻高頻優點的(de)同時，又能夠在很(hěn)寬的測量範圍内(nei)實現流量的精度(du)高測量。
2．2恒定磁場(chǎng)勵磁
　　相對于交變(biàn)磁場勵磁方式來(lái)說，恒定磁場勵磁(ci)的方🐅式實現起來(lai)更加簡單，受工頻(pín)幹擾影響小，而且(qie)使用恒定😄磁場勵(li)磁可以簡化傳感(gǎn)器結構。
　　恒定磁場(chang)勵磁最關鍵的問(wen)題就是電化學及(jí)其他因素🏃‍♂️會在電(diàn)磁流量計測量電(dian)極上産生嚴重的(de)極化現象，導⛹🏻‍♀️緻測(ce)量電極兩端産生(sheng)極化電壓。極化電(dian)壓過大，則會淹😘沒(méi)測量🔴信号産生的(de)感應電動勢。而交(jiao)變磁場勵磁可以(yǐ)通過不斷變換勵(lì)磁的方向來消除(chu)電極表面極化現(xian)象，因此，目前國内(nei)外電磁流量計大(da)多采用交變磁場(chang)勵磁。恒定磁場勵(lì)磁方式應用于導(dǎo)電率高、流體内阻(zu)小、而又不産生極(ji)化效應的液态金(jin)屬的流♍量測量中(zhong)。
　　爲了克服電極表(biǎo)面極化現象，目前(qian)采用的方法可分(fen)爲以下兩種。①從極(jí)化電壓的原理出(chu)發，分析兩個電極(ji)上極化電壓的相(xiàng)關性，從根本上消(xiāo)除極化電壓的影(ying)響，如差分對比消(xiao)除極化電壓法。但(dàn)是由于極化電壓(yā)影響因素多，且其(qi)随機性遠遠大于(yu)反映流量信号的(de)感應電動勢，所以(yi)其消除極化的效(xiào)果✂️并不理想。②另🧑🏾‍🤝‍🧑🏼一(yi)種是避開極化電(diàn)壓的原理，設法在(zai)不影響流體感應(ying)信号測🙇🏻量的情況(kuàng)下，将極化電壓控(kong)制在一個穩定的(de)值，如繼電器電容(rong)反饋抑制極😘化法(fa)。浙江大學提出了(le)一種新的方法，該(gai)方法🐇是利用在電(diàn)極上施加快速變(biàn)化的交變電場🈚來(lái)抑制極🔞化電壓，且(qiě)此交變電場隻在(zai)非采樣時間段内(nèi)激發。上海大學提(tí)出了另外一種反(fan)饋的方法，即對測(ce)量🔴電極進行等電(dian)量動态跟蹤反饋(kui)的方㊙️法來消除磁(cí)🌈鋼勵磁電磁流量(liàng)計的電極極化問(wèn)題。目前，這種方🐅法(fa)是當前恒磁磁場(chang)勵磁方法的焦點(dian)。
3信号處理方法的(de)改良
　　電磁流量計(jì)通過采集一段時(shí)間内的電信号來(lái)達到測💯量流量的(de)目的，這樣在測量(liang)過程中不可避免(mian)📱地會摻雜各種幹(gan)擾📞信号，因此對信(xìn)号的檢測處理方(fang)式的改良就顯得(dé)尤☀️爲重要。
3．1普通電(diàn)磁流量計信号處(chù)理
　　信号的檢測處(chù)理實際上就是對(dui)信号進行放大、采(cai)集與幹擾抑制。信(xin)号方面的主要集(ji)中在幹擾的抑制(zhì)上🏒。電磁流量⁉️計的(de)幹擾主要包括極(ji)化電壓的幹擾、工(gong)頻幹擾、電㊙️化學幹(gan)🐇擾、流體碰撞幹擾(rao)、微分幹擾💯、零點漂(piao)移等。除此以外，部(bu)分發👣現流體的👄不(bu)對稱流🛀🏻動。電極和(hé)勵🌂磁線圈的不對(duì)稱也會産生相應(yīng)的測🐪量誤差。國内(nèi)許多機構在這些(xiē)方面作了很多的(de)，如上海大學提出(chu)的一種反🤟饋式信(xin)号放大處理方法(fa)🔱，采用矩形波勵磁(ci)來克服極化電壓(yā)、工💜頻帶來的幹🧡擾(rao)，利用增加勵磁頻(pín)率或改變勵磁方(fāng)式，克服電化學幹(gàn)擾和流體碰撞管(guan)道🚶‍♀️時産生的幹擾(rǎo)。周真、王強等人通(tong)過對流量計極間(jian)信号進行建模來(lai)分離幹擾信🔴号和(he)流量信号，采取提(tí)前确💔定阈值來進(jin)行偏置調整抑制(zhì)低頻漂移産生的(de)幹擾，利用數模混(hùn)合最優濾波法消(xiao)除微🌏分幹擾。對于(yú)恒磁勵磁方式來(lái)說，幹擾主要來源(yuán)于極化電壓幹擾(rao)以及零點漂移📧幹(gàn)擾，消除零點漂移(yi)幹擾的方法有電(dian)容⛷️隔離法、反👅饋式(shi)信号處理方法和(he)三次采樣消除零(líng)點漂移法👄等。。
3．2電容(róng)式電磁流量計信(xin)号處理
　　普通電磁(ci)流量計的電極部(bu)分是以金屬導體(tǐ)與被測液體🥵接觸(chù)，而流體流動時會(hui)對電極産生碰撞(zhuang)噪☎️聲。後💚來的電容(róng)式電📐磁流量計使(shi)電極部分不與被(bei)測流體直接接觸(chù)，而是透過管壁與(yǔ)流體的感應電動(dong)勢産生感應，從根(gen)🌏本上解決了雜散(sàn)噪聲的問題。但是(shi)由于耦合電容的(de)容📧抗是電容式電(dian)磁流量計的主要(yao)信号内阻，其耦合(hé)電容值很小，而内(nei)阻很大，測量得到(dao)的信号信噪比會(hui)很小。爲了獲取較(jiào)高的信噪比，必須(xu)使用高💃輸入阻抗(kang)的前置放大器和(he)高共模抑制⛹🏻‍♀️比的(de)差動放大器，進行(háng)信号的阻抗轉換(huàn)☂️和放大。
目前，信号(hào)檢出方法有兩種(zhǒng):直接檢測感應電(diàn)壓與🚶‍♀️通過“虛地”來(lái)檢測電流法。電壓(ya)檢測法技術成熟(shu)，但♻️是受流體因素(sù)影響♌大。檢測電流(liú)法通過“虛地”與合(hé)适的電阻值來獲(huò)得高電勢，通🔴過Q=CE來(lái)計算電容，最後通(tong)過微分🈲得出電流(liu)值。此方法可從根(gen)本✂️上消除電容洩(xie)漏電流的影響，但(dàn)是這種方法受耦(ou)合電容值變化的(de)影響🎯較大，而且電(dian)路複雜，一般較少(shao)采用。
　　互相關檢測(ce)方法是基于互相(xiàng)關函數同頻相關(guān)，不同頻不相關的(de)性質，通過互相關(guān)運算，達到濾出噪(zao)聲的效果。已知發(fa)送信号的頻率，就(jiù)可在接收端發出(chū)相同頻率的參考(kao)信❓号，與混✔️亂信号(hào)進行相關即可提(tí)取出👌微弱的測量(liang)信号。在後續的數(shu)據處理當中，他們(men)使用了基于相關(guan)🈲檢測原理的旋轉(zhuan)電容濾波器。這種(zhǒng)電🔆路♍抗幹擾能力(lì)很強，有很高的信(xin)噪比。
　　由于智能電(diàn)磁流量計的出現(xian)，越來越多的信号(hào)處理技術不再是(shì)單純的電路式濾(lǜ)💋波，而更多地使用(yong)軟件濾波，比如可(ke)以利用Matlab對信号進(jin)行在線處理，以有(yǒu)效地降低幹擾，或(huo)利用小波變換對(dui)信号進行處理以(yi)抑制幹擾等。
4流量(liang)計的智能化
　　随着(zhe)微處理器的發展(zhǎn)，電磁流量計也在(zai)朝着智能化方向(xiang)發展。其智能化方(fāng)向可分爲信号處(chù)理智能化和♊控制(zhi)智能化，兩者共同(tong)作用構成了智能(neng)電磁流量計。其主(zhu)要技術包括軟件(jiàn)技術、自診斷功能(neng)、程控放大器技術(shù)、微處理器抗幹擾(rǎo)技術等。
軟件技術(shu)是信号處理智能(néng)化的标志，即通過(guo)軟件來控制電磁(cí)流量計的整個工(gōng)作過程。數字濾波(bō)、非線性拟合♍、零點(diǎn)自校正是較常見(jian)的技術。數字濾波(bō)能夠完成模拟濾(lü)波不能完成的濾(lü)波功能，例如:脈沖(chong)幹擾剔除、數字電(dian)🈚路毛刺幹擾消除(chu)、A/D轉📧換器的抗📞工頻(pin)以及确保輸入微(wei)處理器數字的可(ke)靠性。另外🈲，數據在(zài)線分析💰與數據重(zhòng)構也是方向之一(yī)，如利用小波變換(huan)分離漿液流體當(dāng)中的流量信号、漿(jiang)液信号🔞和利用陷(xiàn)波濾波👨‍❤️‍👨器組的信(xìn)号處理方法等。
　　電(dian)磁流量計是無阻(zǔ)擾測量，其測量電(dian)極與流體接觸🧑🏾‍🤝‍🧑🏼後(hou)容易發生磨損、腐(fu)蝕、結垢等現象，這(zhe)些現象會極大地(di)影響電‼️磁流量計(ji)的測量精度。爲了(le)便于拆卸維護，電(dian)磁流量計增⚽加了(le)自⁉️診斷功能。其功(gōng)能越來越多，相💋繼(jì)添加了⁉️信号線性(xìng)度、勵磁電路的完(wan)整🔴性和準确性🐉(包(bao)括勵磁線圈電阻(zǔ)和勵✍️磁電流)、監控(kòng)和診斷流程和環(huan)境條件的變化(如(rú)液體電導率是🌐否(fǒu)變化，流體中氣泡(pao)和固✂️體顆粒含🐆量(liang)等)。随後出現🐇一種(zhǒng)無需改變電磁流(liú)量計結構就能進(jìn)行勵磁電🏃流異常(chang)的自診斷技術。
程(cheng)控放大器技術能(néng)夠實現電磁流量(liàng)計量程的自動♍轉(zhuǎn)換，同時🛀🏻利用增益(yì)控制方法能有效(xiào)削弱微分幹擾峰(fēng)值使放大器過載(zǎi)的問題，便于流量(liang)信号電勢處理，提(ti)高抗微分幹🙇‍♀️擾的(de)能力。
　　以往的抗幹(gan)擾技術解決了輸(shū)入與輸出之間的(de)各🔞種幹擾問題，但(dan)是當電磁流量計(ji)引入智能系統後(hòu)，來自微處理器的(de)各種幹🏃‍♀️擾同樣會(hui)影響測量結果的(de)精度，甚至會導緻(zhi)整個流量測量系(xì)統跑飛或崩潰。目(mu)前，國内外常常🌂使(shi)用軟硬件結合的(de)📧方式來提高微處(chu)理器🌈的抗幹擾能(neng)力［33，37］。常用的軟件抗(kàng)幹擾方法有:軟件(jian)指♉令冗餘措施、軟(ruan)件陷阱抗幹擾方(fang)💃法、軟件“看門狗”技(jì)術等。純粹的軟件(jian)抗幹擾會浪費大(da)量的🔆CPU功率，所以先(xian)使用❌硬件來消除(chu)大部分幹擾。常用(yòng)😄的硬件抗幹擾有(yǒu):光電隔離器⭕、接地(dì)技術、掉電✌️保護技(ji)術等。
5結束語
　　近年(nián)來，電磁流量計随(suí)着需求的增加不(bú)斷發展。在諸多的(de)電磁流量計技術(shu)發展當中，作者認(rèn)爲未來的電磁流(liú)量計發展仍然以(yi)勵磁優化、信号處(chù)理技術爲主，同時(shi)電磁流量計将不(bu)斷添加各種智能(néng)化的功能以應對(dui)更多👅、更複雜的📞測(cè)量環境。

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