詳（xiáng）述管道式電磁流量計的產品特點及未來四個方麵的發展（zhǎn）趨勢

近來年，隨著現代信息和數字化技術的迅猛發展，以及人類在電子製造（zào）技術方麵的升級，各類電（diàn）子儀器儀（yí）表的產品品質（zhì）和可靠性以及功能性都得到了非常大的提升，本文所述的管道式電（diàn）磁流量計產品的升級換代也同樣見證著這樣一個過程。管道式電磁流量（liàng）計是一種被（bèi）廣泛應用在各類石化企業及城市供水、汙水處理等工程中，具有結構簡單、寬量程、耐腐（fǔ）蝕等優點。管道式電磁（cí）流量計的精度是體現管（guǎn）道式（shì）電（diàn）磁流量（liàng）計產品品（pǐn）質的一個關鍵性的指標，與測量結果的準（zhǔn）確性密切相關。本文從管道（dào）式電磁流量計的發展曆史出發，對其（qí）四個發展方向作了一個較為深入的分析，這四個方向表（biǎo）現在：管道式電磁流（liú）量計的結構、管道式電磁流量計的勵磁方（fāng）式（shì）、管道式電磁流量計的信號處理方式、管道（dào）式電磁流量計的智能化技（jì）術。這（zhè）四個方麵當前的技術（shù）發（fā）展現狀以及未來的發展方向如何，管道式電磁流量計的未來的（de）發趨勢（shì）怎樣，本文（wén）都有涉及。在智能化技術不斷發展和完善的（de）**，未來管道式電磁流量計（jì）仍以勵磁優化、信（xìn）號處理技術為主，同時又不斷改變管道（dào）式（shì）電磁（cí）流量計的結構，以適應越來越複雜的測量環境和滿足測量（liàng）要（yào）求個（gè）性化的趨勢。
一、引言
流量計是利（lì）用物理原理實現（xiàn）對一段時間內流體流量測量的儀器。管道（dào）式電磁流量計具有寬（kuān）量（liàng）程、耐腐蝕、結構簡單等優點川，是當前*受（shòu）歡（huān）迎（yíng）的流量計品種之一。管道式電磁流量計的理論產生（shēng）於20世紀20年代[[21O當代（dài）管道式電磁流量計大多以計（jì）算（suàn）機技（jì）術為基礎，其功能隨著計（jì）算機的信息處理能力、存儲能力、運算能力和計算機的控製（zhì）功能（néng）的增強而增強。管道式電（diàn）磁流量計技術革新（xīn）的四個方（fāng）向值得關注:管道（dào）式電磁流（liú）量計的結構（gòu）、管道式電磁流量計的勵磁方式、管道（dào）式電磁流量（liàng）計的信號處理技術（shù）以及管道式電磁流量計（jì）的智能化等。本文以此為線索，總結管道式（shì）電磁流（liú）量計的發（fā）展（zhǎn）曆程並分析其（qí）發展趨勢。
二、管道（dào）式電磁流量計結構
管道式電磁流量計是利用電*與流體構成一個回路來測量回（huí）路中（zhōng）產生的電參數。傳統管道式（shì）電磁流量計測量原理如圖1所（suǒ）示。電磁線圈在直徑為d、橫截麵積為A的管道中產生一個磁場強度為B的磁場。當有流體經過時會切割（gē）磁感線（xiàn）而產（chǎn）生感應電動（dòng）勢U，測量電*接收電動勢信號。由公式Q=(1/k)*(UA/Bd)可計算其流量（liàng）。式中:Q為流量;k為修正係數。

由於傳統的管道式電磁流量計無法測量低電導（dǎo）率的流（liú）體，且對摩擦、粘附效應敏感，隻能測量流體滿管情況等，因此需要改變其結構，使其能夠適應更複雜的環境。改變（biàn）管道式電磁流量計結構的（de）主（zhǔ）要方法是改（gǎi）變電*的數量和位置，從而形成電容管道式電磁流量計、非滿管管道式電磁流量計等。
1.1、電容管道式電磁流量計
電容式管道式電磁（cí）流量計從根本上解決了電*表麵附著、腐（fǔ）蝕、摩擦等問（wèn）題（tí），其電*與被測流體間有絕（jué）緣襯裏隔離，或（huò）者直接采用絕緣測量（liàng）管。電*置於測量管外麵或鑲嵌於測量管內（nèi）部。嵌人式管道式電磁流量計和外貼式管道式電磁流量計的結構如圖2所（suǒ）示。

電*與被測流體通過（guò）絕（jué）緣管（guǎn）形成檢測電（diàn）容，通過此電容來（lái）藕合流量信號。其主要的結構形式按照電*的安裝（zhuāng）位置可以分為兩種（zhǒng）:電*嵌人測量管的絕緣襯裏內（nèi）部(嵌人式)、電*貼在測量（liàng）管（guǎn）外部(外（wài）貼（tiē）式)。嵌入式結構（gòu）與普通管道（dào）式電磁流量計結構相似，而外貼式大多（duō）是通過陶瓷表麵金屬化（huà）技術將電*貼在測量管外。
1.2非滿管管道式電磁流量計
普通的管道式（shì）電磁流量計隻能測量滿管流的流量，而很多情況下由於流量流速很（hěn）快，有（yǒu）時充不滿管道，普通的管道式電（diàn）磁流量計不能適用，因（yīn）此希（xī）望管道式電磁流量計能（néng）夠（gòu）進行非滿管流量的測量。目前市麵上常見的非滿管（guǎn）管道式電磁流量計有（yǒu）下麵幾種。
①多電*式非滿管管道（dào）式電磁流量（liàng）計。其底部是一對信號注（zhù）人（rén）電*，中間有（yǒu）多對測量電*，頂端有一（yī）個滿管電（diàn）*。在滿管情況下，該流量計與普通的管道式電磁流量計的功能相（xiàng）同，滿管情況下（xià）流體的橫截麵（miàn）積是（shì）固定的，此時計算流量值（zhí）隻需要測量流體的流速即可。當流體非滿（mǎn）管時，滿管電*檢測到管道非滿狀態，利用算（suàn）法修正測量值（zhí），此時流量計的測量方式（shì）改成測量流體流速和液麵高度。信號注人電*與（yǔ）在不同位置的三對測量電*共同工作，用於測量液位麵的高（gāo）度和流體的速度。多電*式非滿管管（guǎn）道（dào）式電磁流量計結構簡圖如圖3所示。

②電容式非滿管（guǎn）管（guǎn）道式電磁（cí）流量計。電容式非滿管管道式電磁流量計結構簡圖如圖4所示。

電容式非（fēi）滿管管道式電磁流量（liàng）計就是利用液位（wèi）的（de）變（biàn）化使得電容的*距發生變化，通過測（cè）量發送電*和檢測電（diàn）*之間（jiān）的電容藕（ǒu）合值即可測量流量值。
③利（lì）用阻抗或信號衰（shuāi）減研製（zhì）的非滿管（guǎn）管道式電磁流量計。這種結構的非滿管管道式電磁流量（liàng）計是當前（qián）國內研究的方向之（zhī）一（yī）。其結構是流量（liàng）管底部貼一對信號（hào）發射電*，在流量管中（zhōng）間貼（tiē）信號接收電*。由於信號在流體（tǐ）中傳播會產生衰減，且傳播時間越長，衰減越多，因此（cǐ）通過信號接收電*接收到的信號衰減量即可得（dé）知液麵高度;同（tóng）時該電*還能測量流體切割磁（cí）感線產生的電（diàn）動勢，以此達到測量非（fēi）滿管流量的目的。阻（zǔ）抗式或信號衰減非滿管管道式電磁流量計結構簡圖如圖5所示。

④智能化非（fēi）滿管管道式電磁流量計。這種流量計是管道式電磁（cí）流量（liàng）計智能化發展的方向之一。使用兩（liǎng）種接法不同的勵磁線圈，應用權重函數與幾何位（wèi）置有關的原（yuán）理，建立液位（wèi）的函數（shù）關係，*後（hòu）通（tōng）過（guò）在線計算求取液位。薑玉林、丁文（wén）斌改進了權重函數與感應電勢的計算方法。對於非滿管流量計來說，由於其流體分布與普通的管道式電磁流量計（jì）不同，因此其權重函數也不同，衛開夏、李斌在非滿管的情況下對其權重函數進行有限元數值（zhí）分析，得到不同液麵下的權重函數。
除此之外還有其他功（gōng）能的管道式電磁流（liú）量計，例如改變信息傳（chuán）輸通道將信號線與（yǔ）電源（yuán）線（xiàn）串在一起的二進製電
磁流量計（jì）、用於測量渠道的潛水管道式電磁流量計（jì）、為了降低功耗並提高勵磁效率和靈敏度而設計的異徑管道式電磁流（liú）量計（jì）、用（yòng）於油水兩相流流量測量的分流式管道式電磁流量計以及（jí）其（qí）他管道式電磁流量計（jì）。
三、勵磁方式的優化
勵（lì）磁方式的選擇影響了整個流量計係統的精度、能耗等參數。因此在管道式電磁流量計的結構（gòu）確定（dìng）之後，勵磁方（fāng）式的選擇尤為重要。勵磁方式可以分為兩（liǎng）種基本形式，即采用交變磁（cí）場的形式(包（bāo）括正弦波勵（lì）磁、矩形波勵磁、三值波勵磁和雙（shuāng）頻矩形波勵磁)和采用恒定磁（cí）場的形（xíng）式(包括（kuò）直流電源勵（lì）磁和永磁體（tǐ）勵磁。
2.1 交變磁場勵磁
工（gōng）頻正弦波（bō）是*早應用於（yú）管道式電（diàn）磁流量（liàng）計中的勵磁方式，其測量速度（dù）快，受（shòu）電化學反應影響小，但是由於頻率（lǜ）高，容易因為渦流產生同相噪聲且（qiě）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、零點穩定、抗工頻幹擾等優點（diǎn）而成為流量（liàng）計廠商主要采用的勵磁方式（shì）。
隨著實際生產應用中（zhōng）對流體測量速度和對漿液（yè）測量精度要求的提高，低頻勵磁已不能滿足要求，於是國外提（tí）出高頻（pín）方波勵磁和雙頻（pín）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（jiāng）液噪聲、流動噪聲等幹擾並提高測量速度，但是（shì）有關高頻勵磁部（bù）分的核心技術並未（wèi）披露。國內還沒有廠家能夠提供擁（yōng）有自主產權的產品，相關的文獻也很少。雖然雙頻矩形波勵磁兼具高頻測量速度快和低頻穩定性好的優點，且對流（liú）動噪聲不敏（mǐn）感（gǎn），但是（shì）由於需要執行複雜算法（fǎ），會（huì）增加功耗（hào）。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵磁研究的基礎上對其進行了改進，並（bìng）提出一種（zhǒng）時分雙（shuāng）頻勵（lì）磁的（de）方法。該方法在兼顧了低頻高頻優點的同（tóng）時（shí），又能夠在很寬的測量範圍內實現流量的高精度測量。
2.2恒定磁場勵（lì）磁
相對於（yú）交變磁場勵磁方（fāng）式來說，恒定磁（cí）場勵磁的（de）方式實現（xiàn）起來更（gèng）加簡單，受工頻（pín）幹擾（rǎo）影響小，而且（qiě）使用恒定磁場勵磁可以簡化（huà）傳感器結構。
恒定磁場勵磁*關鍵（jiàn）的（de）問題就是電（diàn）化學及其他因素會在（zài）管道式電磁流量（liàng）計測量電*上產生嚴重的（de）*化現象，導（dǎo）致測量電*兩端產生*化電壓。*化電壓過大，則會淹沒測量信號（hào）產生的感應（yīng）電動勢。而交變（biàn）磁場勵磁可以通過不斷變換勵磁的方向來消（xiāo）除電*表麵*化現（xiàn）象，因此（cǐ），目前國內外管道式電磁流量計大多（duō）采用交變磁場勵（lì）磁。恒定磁場勵磁方式應用於導電率*高、流體內（nèi）阻*小、而又不產生（shēng）*化效應的液態金屬的流量測量中。
為了克服電*表（biǎo）麵*化現象，目前（qián）采（cǎi）用的方法可分為以下兩（liǎng）種。①從*化電壓的原理出發，分析兩個電*上（shàng）*化電（diàn）壓的相關（guān）性，從根本上消除*化電壓的影響，如差分對比消除*化電壓法。但是由於*化電壓影響因素多，且其隨機性遠遠大於反映流（liú）量信號的感應電（diàn）動勢，所（suǒ）以其消除*化的效果並不理想。②另一種是避開*化電壓的原理，設法在不影響流體感應信號測（cè）量的（de）情況下，將（jiāng）*化電壓控製在一個穩定的值（zhí），如繼電（diàn）器電容反饋抑製*化（huà）法。浙江大學（xué）提出了一種新的方法，該方法是（shì）利用在（zài）電*上施加快速變化的交變電場來抑製*化電壓，且此交變電場隻在非采樣時間段（duàn）內激發。上海大學提出了另外一種反饋的（de）方法，即對（duì）測量電*進行等電（diàn）量動（dòng）態跟蹤反饋的方法來消除磁鋼勵磁管道式電磁流量計的電**化問題。目前，這種方法是當前恒磁磁（cí）場勵磁方法研究的焦點。
四、信號處理方法的改良
管道式電磁流量計（jì）通過采集一段時間內的電信號來達到測量流量（liàng）的目的，這（zhè）樣（yàng）在測量（liàng）過程中不可避（bì）免地會摻（chān）雜（zá）各種幹擾信號，因此對信號的檢測處理方式的改良就顯得尤為重要。
3.1普通管道式電（diàn）磁流量計信號處理
信號的檢測處理實際上就是對信號進（jìn）行放大、采（cǎi）集與幹擾（rǎo）抑製。信號（hào）方麵（miàn）的研究主要集中在幹擾的抑製上。管道式電（diàn）磁流量計的幹（gàn）擾主（zhǔ）要包括*化電壓的幹擾、工頻幹擾、電化學幹擾、流體碰撞幹擾、微分幹擾、零點漂移等。除此以外，部分研究發現流體（tǐ）的不對稱流動。電*和勵磁線圈的不對稱也會產生相應的測量誤差。國內許多機（jī）構在這些方麵作了很多的研究，如上海大學提出的一種反（fǎn）饋式信號放大處理方法，采用矩形波勵磁來克（kè）服*化電壓、工頻帶來的幹擾，利用增加（jiā）勵磁頻率或改變勵磁方（fāng）式（shì），克（kè）服電化學（xué）幹擾和流（liú）體碰撞管道時產生的幹擾（rǎo）。周真、王強（qiáng）等人通過（guò）對流量計（jì）*間信號進行建模來分離幹擾信號和流量信號，采取提前（qián）確定IA值來進行偏置調整（zhěng）抑製低頻漂移產生的幹擾，利用數模混合（hé）*優濾波法（fǎ）消（xiāo）除微分幹擾。對於恒磁勵磁方式來說，幹擾主要來源於（yú）*化電壓幹擾以及零點漂移幹擾，消除零（líng）點漂（piāo）移幹（gàn）擾的方法有電（diàn）容隔離法、反（fǎn）饋式信號處理方法一和（hé）三次采樣（yàng）消除零點漂移法等。石冰鑫、李景雲（yún）公布，了一項利用光電傳輸信號的管道式電（diàn）磁流量（liàng）計，可以有效降低傳輸（shū）過程中的幹擾。
3.2電容式管道式電磁流量計信號處（chù）理
普（pǔ）通管道式電磁流量計（jì）的電*部分（fèn）是以金屬導體與被（bèi）測液體接觸（chù），而流體流（liú）動時（shí）會對電*產生碰撞噪聲。後來研發的電（diàn）容式管道式電磁流量計使電*部分不與（yǔ）被測流（liú）體直接接觸，而是透過管壁（bì）與流體的感應電動勢產（chǎn）生感應，從根本（běn）上解（jiě）決了雜散噪聲的問題（tí）。但是由於耦合電容的容抗是電容式管道式電磁流量計的主要信號內阻，其藕合電容（róng）值很小，而內阻很大，測量得到的信號（hào）信噪比會（huì）很小。為了獲取較高的信噪比，必須（xū）使用高輸人阻抗的前置放大器和高共模抑製比的差動放大（dà）器，進（jìn）行信號的阻抗轉換和放（fàng）大（dà）。
目前，信（xìn）號檢出方法有兩種:直接檢測感應（yīng）電壓與通過“虛（xū）地”來檢測電流法。電壓檢測（cè）法（fǎ）技術成（chéng）熟，但是（shì）受流體因素影響大。檢測（cè）電流法通過“虛地”與合適的電阻值來獲得高電勢，通過口= CE來計算電容，*後通過微分（fèn）得出電流值。此方（fāng）法可從根（gēn）本上（shàng）消除電容泄漏電流的影響，但是這種方法受耦（ǒu）合電容值（zhí）變化的影響較大，而且電（diàn）路複雜，一般較少采用。
盧國峰、王保（bǎo）良等人引人了互相關檢測方法。互相關檢測方法是墓於互相關（guān）函數同頻相關，不同頻不相關的性（xìng）質，通過互相關運算，達到濾出噪聲的效果（guǒ）。已知發送信號的頻率，就可在接收端發出（chū）相同頻率的參考信號，與混亂信號進行（háng）相關即可提（tí）取出微弱的測量信（xìn）號。在後續的數據處理當中，他們使用了基於相關檢測原（yuán）理的旋轉電容濾波器。這種電路抗幹擾能力很強，有很高的信噪比。
由於智能管道（dào）式（shì）電磁流量計的出現，越來越多的信號處理技術不再是單純（chún）的電路式濾波（bō），而更多地（dì）使用軟件濾波，比如可以（yǐ）利用Matlab對信號進行在線處理，以有效地降低幹擾，或利用小波變換對信號進（jìn）行處（chù）理以抑製幹擾等。
五、流（liú）量計的智能化
隨著微（wēi）處理器的發展，管道式電（diàn）磁流量計也在朝著智能化方向發展（zhǎn）。其智能化方（fāng）向可分為信號處理智能化和控製智能化，兩者共同作用構（gòu）成了智能（néng）管道式電磁流量計。其主要技術包括軟件技術、自診斷功能、程（chéng）控放大器技術、微處理器抗幹擾技術等。
軟（ruǎn）件（jiàn）技術是信號處（chù）理智能化的標誌，即（jí）通過軟件來控製管道式電磁流量計（jì）的整個工作過程。數字濾波、非線性擬合、零點自（zì）校正是較常見的技術。數字濾波能夠完成模擬濾波不能完成的濾波功能，例（lì）如:脈衝幹擾剔除、數字電路（lù）毛（máo）刺幹擾消除、A/D轉換（huàn）器的抗工頻以及確保輸人微（wēi）處理器數（shù）字的可（kě）靠性。另外，數據（jù）在線分（fèn）析與數據（jù）重構也（yě）是其研究方（fāng）向之一，如利用小波變換（huàn）分離漿液流體當（dāng）中的流（liú）量信號（hào）、漿（jiāng）液信號和利用陷波濾波器組的信（xìn）號處理方法（fǎ）等。
管道式電（diàn）磁流（liú）量計是無阻（zǔ）擾測量，其測量電*與流體接觸後（hòu）容易發生磨損、腐蝕、結（jié）垢等現象，這些現（xiàn）象（xiàng）會（huì）*大地影響管道式（shì）電磁流量計的測量精度。為了便於拆卸維（wéi）護，管道式電磁流（liú）量計增加了自診斷功（gōng）能。其功（gōng）能越來（lái）越多，相繼添加了信號線性度、勵磁電路的完整性和準確（què）性(包括勵磁線圈電阻和勵磁電流（liú）)、監控和診斷流程和（hé）環（huán）境條件的（de）變化(如液體電（diàn）導率（lǜ）是否變化，流體中氣泡和固體顆粒含量等。隨（suí）後出現一種無需改變（biàn）管道式（shì）電磁流量計（jì）結構（gòu）就能進行勵磁（cí）電流異常的自診斷技術。
程控放大器技術能夠實現管道式電磁流量計量程的自動轉換，同時利用增益控（kòng）製方法能有效削弱微分幹擾峰值使放大器過載的問（wèn）題，便於流量信號電勢處理，提高抗微分幹擾的能力。
以往的抗幹擾技術解決了輸入與輸出之間的各種幹擾問題，但是當（dāng）管道式電磁流量計引入智能係統後，來（lái）自微處理器的各種幹擾同樣會影響測量結果的精度（dù），甚至會（huì）導致整個流量測（cè）量係統跑飛或崩潰。目前，國內外常常使用軟硬件結（jié）合的方式來提高微處理器的抗幹（gàn）擾（rǎo）能力。常用的軟件抗幹擾方法有:軟件指令（lìng）冗餘措施（shī）、軟件陷阱抗幹擾方法、軟件（jiàn）“看門狗”技術等（děng）。純粹的軟件抗幹擾會浪費大量的CPU功率，所以先使用硬件來消（xiāo）除（chú）大部分幹擾。常用的硬件抗幹擾有（yǒu）:光電隔離器、接地（dì）技術、掉電保護技（jì）術等。
六、結束語
近年來，管道式電磁流量計隨著需求（qiú）的增（zēng）加不斷發展。在諸多的（de）管道式（shì）電磁流量計技術發展當中，作（zuò）者認（rèn）為未來的管道（dào）式電磁流量計發展仍然以勵磁優化、信號處理技術為主，同（tóng）時（shí）管道式（shì）電磁流量計將（jiāng）不斷（duàn）添加（jiā）各種智能化（huà）的功能以應對更多、更複雜的測（cè）量環境。

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