電磁流量計（jì）的勵磁方式有哪些

人們開始研究電（diàn）磁流量計（jì）時，*先想（xiǎng）到使用（yòng）的勵磁磁（cí）場自然（rán）是直流磁場，後來又發明了正弦波交流磁場、低頻矩形波磁場、三值低頻矩形磁場以及雙頻矩形波磁場等。它們的磁場理想波形如圖7-3所示。

直流勵磁技術

直流勵磁（cí）技術（shù）是*初的電（diàn）磁流量計采用的勵磁技術，它是（shì）利用永磁體或（huò）者直流（liú）電源給電磁流量傳感器（qì）勵磁繞（rào）組供電，以形成恒定的直流磁場，磁場波形如圖7-3a所示。直流勵（lì）磁技術具（jù）有方法簡單可（kě）靠，受工頻幹（gàn）擾影響很小以及（jí）流體中的自感現象可以忽略不計（jì）等特點。但（dàn）是，直流勵（lì）磁技術的*大問題是直流感應電（diàn）勢在兩電*表麵上形成固定的正負*性，引起被測流體（tǐ）介質點解而產生正負（fù）離（lí）子，導致電*表麵*化現象，使感生的流（liú）量信號電勢減弱，電*間等效電阻增大，同時出現電**化電勢漂移，嚴（yán）重影響（xiǎng）信號處理部分的工（gōng）作。即使電*采用*化（huà）電勢很小的鉑、金等（děng）貴重金屬或其合金（jīn）材料，常常也存在（zài）微弱的*化電勢，同時儀表的製造成本也較高（gāo）。另（lìng）外，直流勵磁在電*間產生（shēng）不均衡（héng）的電化（huà）學幹擾電勢疊加在直流流量信號中，無法消除，並隨著時間的變化、流體介質特性以及流動狀態而變化。*三，直流放大器的零點漂移、噪聲和穩定性問題難以獲（huò）得很好解決（jué），特別是在小（xiǎo）流量測量時，信號放大器的直流穩定度必須在幾（jǐ）分（fèn）之一微伏之內，這樣就限（xiàn）製了直流勵磁技術的應用範圍。目前直流勵磁技術僅在原子能工業（yè）中用於電導率（lǜ）*高，而又不產生*化效應的液態金屬流量測量中。

工頻正弦波勵（lì）磁技術

工（gōng）頻正（zhèng）弦波勵磁（cí）技術是利用正弦波工頻（50Hz）電源給電磁流量傳感器（qì）勵磁繞組供電，其主要特點是產（chǎn）生的磁場為一正弦波交（jiāo）變磁場，如（rú）圖7-3b所示。這種勵磁方式（shì）能夠基本上消除電*表麵的*化現象，降低電*電化學電勢的影響和傳感器內阻（zǔ）。另外，采用工頻（pín）正弦波勵磁技術，其傳（chuán）感器輸出的流量信號仍然是工頻正弦波信號，易於放大處理，能（néng）避免直（zhí）流（liú）放大器存在的實際困難。而且勵磁電源（yuán）簡單方便。

在工頻正弦波勵磁方式中，交流磁場（chǎng）的磁感應強度B=Bmsinωt在電*上產生（shēng）的感生電動勢為

被測體積流量為

式中 Bm是交變磁感應強（qiáng）度的*大值；w是勵磁電流角頻率，w=2πf；f是勵磁電源頻率。

值得注意的是（shì），工頻正弦波勵磁技（jì）術的采用會帶來一係列電磁幹（gàn）擾和噪聲。

*先是電磁感（gǎn）應產生正交幹擾（又稱90°幹擾），一般認為正交幹擾是由“變壓器效應”造成的。在電磁流量傳感器中，由（yóu）於電*、引線、被測介質和電磁流量（liàng）轉（zhuǎn）換器的（de）輸入電路構成的閉（bì）合回路處在一交變的磁場中，所以，即使被測介質不流動，處（chù）於該交（jiāo）變磁場中的閉合回（huí）路也會產生電勢ρ1和感生電流，顯然，這是一幹擾電勢。根據電（diàn）磁感應原理，該幹擾（rǎo）電動勢與磁場對時間的變化率的負值正正比。即

這（zhè）就是正交幹（gàn）擾信號（hào）電勢，它具有以下幾個特點。

1）與流量無關，即使流（liú）體靜止不動，這樣的信號依然存在；

2）在相位上比流量信號（hào）滯後90°，故也（yě）稱90°幹擾；

3）勵磁電流頻率越高，正交幹（gàn）擾也越嚴重，實際（jì）應用中，正交幹擾信號可以遠大（dà）於流量信號。

所以（yǐ）如何克服正交幹擾電勢的影響是工頻正弦波勵磁技術的主要課題。

其次是同相幹擾，是指同時出現在（zài）傳感器兩個電*上，頻率和相位（wèi）都和流量信（xìn）號一致的幹擾信（xìn）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（suǒ）示，傳（chuán）感器的勵磁線圈對電（diàn）*A和B不僅存在著絕緣電阻（zǔ）Rm，同時還存在著（zhe）分布電容Cf。設兩電*之間的（de）內阻為Rs，則勵磁電壓（yā）U通過絕緣電阻和分布電容與（yǔ）傳（chuán）感器內阻分壓，在兩電*上同時產生壓（yā）降。

設勵磁電壓為U=Umsinωt，則在Cf上產生的容抗為

Rc和Rm並聯，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進行分壓，在電*上（shàng）將得到由分布電容Cf串進的幹擾電壓e2為

由於同（tóng）相幹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（dìng）。

*三是工頻正（zhèng）弦波供電電源存在電源電壓和頻率的波動，由（yóu）式（7-5）可知，電壓和頻（pín）率（lǜ）分（fèn）布影響Bm和ω，從而造成對測量（liàng）的影響。

實際應用中，雖然已采取相敏整流、嚴格的電磁屏（píng）蔽和線路補償、電源補償、自動正交抑製係統（tǒng）等技術措施以消除與流量信號頻（pín）率一致的工頻幹（gàn）擾（rǎo）電壓，但由於正交幹擾信號電勢往往有較大幅值，自動正交抑製（zhì）係統等抗幹擾措施不（bú）可能完全消除（chú）幹擾（rǎo）信號，從而導致（zhì）電磁流量計零點的不穩定，測量精度難以提高。這就是（shì）工頻（pín）正弦波勵磁方式對電磁流量計的限製，使得電磁流量計的性能很難進一步提高。

低頻矩形波勵磁技術

低頻矩形波勵磁技術是結（jié）合了直流勵磁（cí）和（hé）交流勵磁技術的優點，同時避免了它（tā）們缺點的一種勵磁技術。20世紀70年代以來，隨著集成電流技（jì）術和同步（bù）采樣技術的發展和實用化（huà），低頻矩形波勵磁技術應運而生，在電磁流量計中（zhōng）得到廣泛實用。它的勵磁磁場波形如圖7-3c和（hé）d所示（shì），其頻率通常為工頻的偶數分之一（一般為1/2-1/32）。70年代前期以單*性低頻矩形波勵磁（cí）技術為主，後期以雙*性低頻（pín）矩形波（bō）勵磁技術為主而開始其工業應用。

從（cóng）圖7-3中可以看到，在半個周期內，磁場是一恒穩的直流磁場，它具有直流勵磁技術受電（diàn）磁幹擾影響小，不產生渦輪效應、正交幹擾和同相幹擾小等特點；從整個時間過程看，矩（jǔ）形波（bō）信號又是一個交變信號，具有正弦波勵磁技術基本不（bú）產生*化現象，便於放大和（hé）處理信（xìn）號，避免直流放大（dà）器零點漂移、噪聲、穩定性等問題的優點。所以低頻矩（jǔ）形波勵磁技術（shù）具有（yǒu）良好（hǎo）的抗幹擾性能，在電磁流量計（jì）中已得（dé）到廣泛應用。

低（dī）頻矩形波勵磁中（zhōng），由於勵磁電流矩（jǔ）形波存在（zài）上升沿和下（xià）降沿，根（gēn）據式7-6，在上升沿和下降沿處，必然也存在正交幹擾（微分幹（gàn）擾）。其沿越陡，微（wēi）分幹擾電勢越大，但很快就會消失，形成一很窄的尖峰脈衝；上升沿（yán）和下降沿變化越緩慢，則微（wēi）分幹擾越小，但經曆時間越長。

如何消除上（shàng）升沿和下降（jiàng）沿處的微分幹擾，是低頻矩形波勵（lì）磁技術要解決的主要（yào）問題之一。由於一般電磁流量傳感器勵磁繞組（zǔ）中電感和電阻的比值L/R往往較小。隨著勵磁電流進（jìn）入穩態，微分幹擾（rǎo）也很（hěn）快能（néng）自動消失。所以，為了排除微分幹擾對流量信號（hào）的影響，通（tōng）常在勵磁電流進入穩態的（de）恒定階段（即矩形波的平頂部（bù）分（fèn））後，再對（duì）流量信號電壓進行同步采樣，如圖7-5所示（shì）。

這樣，微分幹擾信號不能進（jìn）入同步（bù）采樣，因此也不影響流（liú）量信號（hào）輸出。此（cǐ）外，同步采樣脈衝相對工頻來說是一寬脈衝，並選擇為工（gōng）頻周期或（huò）工頻周（zhōu）期的整數倍（bèi），如圖7-5e所示，這樣，即使流量（liàng）信號中混有工頻幹（gàn）擾信（xìn）號，因其采樣（yàng）時間為完整的工頻周期，其平均值為零，工頻幹擾電壓不起（qǐ）作用。另一方（fāng）麵，由（yóu）於勵（lì）磁（cí）頻率低，渦電流很小，靜電耦合分（fèn）布電容的影（yǐng）響小，所以，由於（yú）靜電感應而產生的同（tóng）相幹擾也大大減（jiǎn）小。綜上所示，低頻矩形波勵（lì）磁方式有以下（xià）幾個優點。

1）能避免正弦波交流磁場的正交幹擾；

2）基本消除由（yóu）分布電容引起的工頻幹（gàn）擾；

3）能抑製交流磁（cí）場在管壁和（hé）流體內引起的渦電流；

4）能（néng）消除直流磁場的*化現（xiàn）象。

低頻矩形波勵磁技術的采用，解決（jué）了長期困擾（rǎo）電磁流量計的電磁幹擾問題，大大提高了電磁流量計的零點穩定性和測量精度，縮小傳感器的體積，降低勵磁功（gōng）率，使（shǐ）轉換器和傳感器（qì）一體化，提高電磁流量計的（de）整體性能，拓寬了（le）電磁流量計的工業應用領域（yù）。

勵磁技術的新發展

1、三值低頻矩形波勵磁技術

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的基礎上，為了使儀表零點更穩定而提出的一種勵磁技術，磁（cí）場波形如圖7-3e所（suǒ）示。其*大的特點是實（shí）現在零態時動態校正零點，因（yīn）而具有更優良的零點穩定性。

三值低頻矩形波勵磁方式的勵磁電流一般采用工頻的（de）1/8頻（pín）率，以+B，0，-B三值進行勵（lì）磁，通過對正一零一負一零一正變化（huà）規律的三種狀態進（jìn）行采樣和處理，如圖7-6所示。

其*要的特點是能在（zài）零態時動態校正零點，有效地消（xiāo）除了流量信號的（de）零位噪聲，從而大大提高了儀表零位（wèi）的穩定性；其次（cì），它與（yǔ）低（dī）頻矩形（xíng）波（bō）勵磁技術一樣，可以采（cǎi）用同步采樣技（jì）術來消除上升沿和下降沿處的微（wēi）分幹擾；采（cǎi）用（yòng）寬脈衝采樣以消除混在（zài）流量信號中的工頻幹擾信號；*三，它可以通過一個周期內的四次采樣值，近（jìn）似認為*化電勢恒定，利用微處理機的（de）數（shù）值運算功能得以消除（chú）*化電勢的影響。

所以（yǐ），采用三（sān）值低頻矩形波勵磁技術的電磁流量計（jì）零點穩定，抗工頻能力強（qiáng），測量精度（dù）進一步提高，傳感（gǎn）器單位流速的流量信（xìn）號電壓可降低到工頻勵磁方（fāng）式時的1/4，從（cóng）而可（kě）進一步降低勵磁功耗，實現電磁流量計的小型輕量一體（tǐ）化，在電磁流量計（jì）中已得（dé）到廣泛（fàn）應用。

2、雙頻矩形波勵磁（cí）技術

三（sān）值低頻矩形波勵磁方式（shì）具有優良的零點穩定（dìng）性，但在測量泥漿(如泥漿流量計)、紙（zhǐ）漿等含纖維和固體顆粒的（de）流體介質和（hé）低電導率流體（tǐ）流量時，出現固（gù）體顆粒擦過電*表麵而產生低頻尖峰噪聲和流（liú）體流動（dòng）噪聲，這樣往往導致勵磁頻率較（jiào）低（dī）的（de）三值勵（lì）磁電流流量計輸（shū）出（chū）擺動不穩。

三值低頻矩（jǔ）形波勵磁零點（diǎn）穩定，但無法抑製低頻噪聲；較高頻率的矩形波磁場（chǎng）能消除低（dī）頻噪（zào）聲，但一般其零點穩定性欠佳。人們在分析各種勵（lì）磁技術（shù）的基礎上（shàng），提出了雙頻矩形波勵磁技術，其磁場波形如圖（tú）7-3f所示。高頻部分是75Hz的矩形波，外包絡線是1/8工頻的低頻矩形波（bō）。采用這種勵磁（cí）方（fāng）式，可用高頻波（bō）采樣來消（xiāo）除含纖維和固體顆粒流體（tǐ）介質的（de）低頻噪聲，同時又保持了低頻矩（jǔ）形波勵磁零點穩定的優點，取得了很好的應用效果（guǒ）。