电磁流量计发展及趋势

赵保生 ，吴 蓉 ，刘志森 ，黄富贵

(1.华侨大学机电及自动化学院，福建 厦门 361021;2.晋江市质量计量检测所，福建 晋江 362200)

电磁流量计发展及趋势

赵保生1，吴 蓉2，刘志森1，黄富贵1

(1.华侨大学机电及自动化学院，福建 厦门 361021;2.晋江市质量计量检测所，福建 晋江 362200)

电磁流量计具有结构简单、宽量程、耐腐蚀等优点，被广泛应用于石油及城市排污等脏污流体环境中。电磁流量计的精度关系到计量的准确性。以电磁流量计的发展历史为线索，分析了电磁流量计的四个发展方向，即电磁流量计的结构、电磁流量计的励磁方式、电磁流量计的信号处理方式、电磁流量计的智能化。从这四个方向对电磁流量计的技术进行了详细说明，介绍了每种技术的大致趋势并列举了近年来该方向所产生的最新技术，阐述了当前流量计技术发展的现状以及未来的发展方向。在分析新兴技术的基础上，总结出电磁流量计未来的发展趋势。在智能化技术不断发展和完善的新时期，未来电磁流量计仍以励磁优化、信号处理技术为主，同时又不断改变电磁流量计的结构，以适应越来越复杂的测量环境和满足测量要求个性化的趋势。

电磁流量计； A/D转换器； 励磁方式； 信号处理； 智能化； 抗干扰

0 引言

流量计是利用物理原理实现对一段时间内流体流量测量的仪器。电磁流量计具有宽量程、耐腐蚀、结构简单等优点[1]，是当前最受欢迎的流量计品种之一。电磁流量计的理论产生于20世纪20年代[2]。当代电磁流量计大多以计算机技术为基础，其功能随着计算机的信息处理能力、存储能力、运算能力和计算机的控制功能的增强而增强[3]。电磁流量计技术革新的四个方向值得关注:电磁流量计的结构、电磁流量计的励磁方式、电磁流量计的信号处理技术以及电磁流量计的智能化等。本文以此为线索，总结电磁流量计的发展历程并分析其发展趋势。

1 电磁流量计结构

由于传统的电磁流量计无法测量低电导率的流体，且对摩擦、粘附效应敏感，只能测量流体满管情况等，因此需要改变其结构，使其能够适应更复杂的环境。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，从而形成电容电磁流量计、非满管电磁流量计等。

1.1 电容电磁流量计

电容式电磁流量计从根本上解决了电极表面附着、腐蚀、摩擦等问题[4]，其电极与被测流体间有绝缘衬里隔离，或者直接采用绝缘测量管。电极置于测量管外面或镶嵌于测量管内部[3]。嵌入式电磁流量计和外贴式电磁流量计的结构如图2所示。

图2 两种电磁流量计结构简图

电极与被测流体通过绝缘管形成检测电容，通过此电容来耦合流量信号。其主要的结构形式按照电极的安装位置可以分为两种:电极嵌入测量管的绝缘衬里内部(嵌入式)、电极贴在测量管外部(外贴式)。嵌入式结构与普通电磁流量计结构相似，而外贴式大多是通过陶瓷表面金属化技术将电极贴在测量管外。

1.2 非满管电磁流量计

普通的电磁流量计只能测量满管流的流量，而很多情况下由于流量流速很快，有时充不满管道，普通的电磁流量计不能适用，因此希望电磁流量计能够进行非满管流量的测量。目前市面上常见的非满管电磁流量计有下面几种。

①多电极式非满管电磁流量计[5]。其底部是一对信号注入电极，中间有多对测量电极，顶端有一个满管电极。在满管情况下，该流量计与普通的电磁流量计的功能相同，满管情况下流体的横截面积是固定的，此时计算流量值只需要测量流体的流速即可。当流体非满管时，满管电极检测到管道非满状态，利用算法修正测量值，此时流量计的测量方式改成测量流体流速和液面高度。信号注入电极与在不同位置的三对测量电极共同工作，用于测量液位面的高度和流体的速度。多电极式非满管电磁流量计结构简图如图3所示。

图3 多电极式非满管电磁流量计结构简图

②电容式非满管电磁流量计[6]。电容式非满管电磁流量计结构简图如图4所示。

图4 电容式非满管电磁流量计结构简图

电容式非满管电磁流量计就是利用液位的变化使得电容的极距发生变化，通过测量发送电极和检测电极之间的电容耦合值即可测量流量值。

③利用阻抗或信号衰减研制的非满管电磁流量计。这种结构的非满管电磁流量计是当前国内研究的方向之一[7]。其结构是流量管底部贴一对信号发射电极，在流量管中间贴信号接收电极。由于信号在流体中传播会产生衰减，且传播时间越长，衰减越多，因此通过信号接收电极接收到的信号衰减量即可得知液面高度；同时该电极还能测量流体切割磁感线产生的电动势，以此达到测量非满管流量的目的。阻抗式或信号衰减非满管电磁流量计结构简图如图5所示。

图5 阻抗式或信号衰减非满管电磁流量计结构简图

④智能化非满管电磁流量计。这种流量计是电磁流量计智能化发展的方向之一。使用两种接法不同的励磁线圈，应用权重函数与几何位置有关的原理，建立液位的函数关系，最后通过在线计算求取液位。姜玉林、丁文斌改进了权重函数与感应电势的计算方法[8]。对于非满管流量计来说，由于其流体分布与普通的电磁流量计不同，因此其权重函数也不同，卫开夏、李斌在非满管的情况下对其权重函数进行有限元数值分析，得到不同液面下的权重函数[9]。

除此之外还有其他功能的电磁流量计，例如改变信息传输通道将信号线与电源线串在一起的二进制电磁流量计、用于测量渠道的潜水电磁流量计、为了降低功耗并提高励磁效率和灵敏度而设计的异径电磁流量计[10]、用于油水两相流流量测量的分流式电磁流量计[11]以及其他电磁流量计。

2 励磁方式的优化

励磁方式的选择影响了整个流量计系统的精度、能耗等参数。因此在电磁流量计的结构确定之后，励磁方式的选择尤为重要。励磁方式可以分为两种基本形式，即采用交变磁场的形式(包括正弦波励磁、矩形波励磁、三值波励磁和双频矩形波励磁)和采用恒定磁场的形式(包括直流电源励磁和永磁体励磁)[12]。

2.1 交变磁场励磁

工频正弦波是最早应用于电磁流量计中的励磁方式[13]，其测量速度快，受电化学反应影响小，但是由于频率高，容易因为涡流产生同相噪声且微分噪声补偿困难，零点容易漂移。低频矩形波励磁具有实现简单、零点稳定、抗工频干扰等优点而成为流量计厂商主要采用的励磁方式[14]。

随着实际生产应用中对流体测量速度和对浆液测量精度要求的提高，低频励磁已不能满足要求，于是国外提出高频方波励磁和双频矩形波励磁。高频方波励磁或双频矩形波励磁虽能有效克服浆液噪声、流动噪声等干扰并提高测量速度，但是有关高频励磁部分的核心技术并未披露[15-16]。国内还没有厂家能够提供拥有自主产权的产品，相关的文献也很少。虽然双频矩形波励磁兼具高频测量速度快和低频稳定性好的优点，且对流动噪声不敏感，但是由于需要执行复杂算法，会增加功耗。刘铁军、宫通胜在双频励磁研究的基础上对其进行了改进，并提出一种时分双频励磁的方法。该方法在兼顾了低频高频优点的同时，又能够在很宽的测量范围内实现流量的高精度测量[17]。

2.2 恒定磁场励磁

相对于交变磁场励磁方式来说，恒定磁场励磁的方式实现起来更加简单，受工频干扰影响小，而且使用恒定磁场励磁可以简化传感器结构[12]。

恒定磁场励磁最关键的问题就是电化学及其他因素会在电磁流量计测量电极上产生严重的极化现象，导致测量电极两端产生极化电压。极化电压过大，则会淹没测量信号产生的感应电动势。而交变磁场励磁可以通过不断变换励磁的方向来消除电极表面极化现象，因此，目前国内外电磁流量计大多采用交变磁场励磁。恒定磁场励磁方式应用于导电率极高、流体内阻极小、而又不产生极化效应的液态金属的流量测量中。

为了克服电极表面极化现象，目前采用的方法可分为以下两种。①从极化电压的原理出发，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，如差分对比消除极化电压法。但是由于极化电压影响因素多，且其随机性远远大于反映流量信号的感应电动势，所以其消除极化的效果并不理想。②另一种是避开极化电压的原理，设法在不影响流体感应信号测量的情况下，将极化电压控制在一个稳定的值，如继电器电容反馈抑制极化法[12]。浙江大学提出了一种新的方法，该方法是利用在电极上施加快速变化的交变电场来抑制极化电压，且此交变电场只在非采样时间段内激发。上海大学提出了另外一种反馈的方法，即对测量电极进行等电量动态跟踪反馈的方法来消除磁钢励磁电磁流量计的电极极化问题[18]。目前，这种方法是当前恒磁磁场励磁方法研究的焦点。

3 信号处理方法的改良

电磁流量计通过采集一段时间内的电信号来达到测量流量的目的，这样在测量过程中不可避免地会掺杂各种干扰信号，因此对信号的检测处理方式的改良就显得尤为重要。

3.1 普通电磁流量计信号处理

信号的检测处理实际上就是对信号进行放大、采集与干扰抑制。信号方面的研究主要集中在干扰的抑制上。电磁流量计的干扰主要包括极化电压的干扰、工频干扰、电化学干扰、流体碰撞干扰、微分干扰、零点漂移等。除此以外，部分研究发现流体的不对称流动[19]。电极和励磁线圈的不对称也会产生相应的测量误差[20]。国内许多机构在这些方面作了很多的研究，如上海大学提出的一种反馈式信号放大处理方法[18]，采用矩形波励磁来克服极化电压、工频带来的干扰[21]，利用增加励磁频率或改变励磁方式，克服电化学干扰和流体碰撞管道时产生的干扰[22]。周真、王强等人通过对流量计极间信号进行建模来分离干扰信号和流量信号[23]，采取提前确定阈值来进行偏置调整抑制低频漂移产生的干扰[24]，利用数模混合最优滤波法消除微分干扰[25]。对于恒磁励磁方式来说，干扰主要来源于极化电压干扰以及零点漂移干扰，消除零点漂移干扰的方法有电容隔离法、反馈式信号处理方法和三次采样消除零点漂移法等。石冰鑫、李景云公布了一项利用光电传输信号的电磁流量计，可以有效降低传输过程中的干扰。

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以金属导体与被测液体接触，而流体流动时会对电极产生碰撞噪声。后来研发的电容式电磁流量计使电极部分不与被测流体直接接触，而是透过管壁与流体的感应电动势产生感应，从根本上解决了杂散噪声的问题[26]。但是由于耦合电容的容抗是电容式电磁流量计的主要信号内阻，其耦合电容值很小，而内阻很大，测量得到的信号信噪比会很小。为了获取较高的信噪比，必须使用高输入阻抗的前置放大器和高共模抑制比的差动放大器，进行信号的阻抗转换和放大。

目前，信号检出方法有两种:直接检测感应电压与通过“虚地”来检测电流法。电压检测法技术成熟，但是受流体因素影响大。检测电流法通过“虚地”与合适的电阻值来获得高电势，通过Q=CE来计算电容，最后通过微分得出电流值。此方法可从根本上消除电容泄漏电流的影响，但是这种方法受耦合电容值变化的影响较大，而且电路复杂，一般较少采用[27]。

卢国峰、王保良等人引入了互相关检测方法。互相关检测方法是基于互相关函数同频相关，不同频不相关的性质，通过互相关运算，达到滤出噪声的效果。已知发送信号的频率，就可在接收端发出相同频率的参考信号，与混乱信号进行相关即可提取出微弱的测量信号。在后续的数据处理当中，他们使用了基于相关检测原理的旋转电容滤波器。这种电路抗干扰能力很强，有很高的信噪比[28]。

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单纯的电路式滤波，而更多地使用软件滤波，比如可以利用Matlab对信号进行在线处理，以有效地降低干扰[29-30]，或利用小波变换对信号进行处理以抑制干扰[31]等。

4 流量计的智能化

随着微处理器的发展，电磁流量计也在朝着智能化方向发展。其智能化方向可分为信号处理智能化和控制智能化，两者共同作用构成了智能电磁流量计。其主要技术包括软件技术、自诊断功能、程控放大器技术、微处理器抗干扰技术等。

软件技术是信号处理智能化的标志，即通过软件来控制电磁流量计的整个工作过程。数字滤波、非线性拟合、零点自校正是较常见的技术。数字滤波能够完成模拟滤波不能完成的滤波功能，例如:脉冲干扰剔除、数字电路毛刺干扰消除、A/D转换器的抗工频以及确保输入微处理器数字的可靠性[32]。另外，数据在线分析与数据重构也是其研究方向之一，如利用小波变换分离浆液流体当中的流量信号、浆液信号[33]和利用陷波滤波器组的信号处理方法等[34]。

电磁流量计是无阻扰测量，其测量电极与流体接触后容易发生磨损、腐蚀、结垢等现象，这些现象会极大地影响电磁流量计的测量精度。为了便于拆卸维护，电磁流量计增加了自诊断功能。其功能越来越多，相继添加了信号线性度、励磁电路的完整性和准确性(包括励磁线圈电阻和励磁电流)、监控和诊断流程和环境条件的变化(如液体电导率是否变化，流体中气泡和固体颗粒含量等[35])。随后出现一种无需改变电磁流量计结构就能进行励磁电流异常的自诊断技术[36]。

程控放大器技术能够实现电磁流量计量程的自动转换，同时利用增益控制方法能有效削弱微分干扰峰值使放大器过载的问题，便于流量信号电势处理，提高抗微分干扰的能力。

以往的抗干扰技术解决了输入与输出之间的各种干扰问题，但是当电磁流量计引入智能系统后，来自微处理器的各种干扰同样会影响测量结果的精度，甚至会导致整个流量测量系统跑飞或崩溃。目前，国内外常常使用软硬件结合的方式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:软件指令冗余措施、软件陷阱抗干扰方法、软件“看门狗”技术等。纯粹的软件抗干扰会浪费大量的CPU功率，所以先使用硬件来消除大部分干扰。常用的硬件抗干扰有:光电隔离器、接地技术、掉电保护技术等。

5 结束语

近年来，电磁流量计随着需求的增加不断发展。在诸多的电磁流量计技术发展当中，作者认为未来的电磁流量计发展仍然以励磁优化、信号处理技术为主，同时电磁流量计将不断添加各种智能化的功能以应对更多、更复杂的测量环境。

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Development of Electromagnetic Flowmeters and the Trend in Future

ZHAO Baosheng1，WU Rong2，LIU Zhisen1，HUANG Fugui1

(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Xiamen 361021,China; 2.Jinjiang Institute of Quality and Mentrology Supervision Testing,Jinjiang 362200,China)

The electromagnetic flowmeter has been widely used in petroleum,urban sewage and other dirty fluid environment because it has the advantages of simple structure,wide range,and corrosion resistance,etc.The accuracy of electromagnetic flowmeter is related to the precision of metering.With the development history of electromagnetic flowmeter as a clue,four of the development directions of electromagnetic flowmeter are analyzed,i.e.,the structure; the excitation mode; the signal processing mode; and the intellectualization of the electromagnetic flowmeter.From these four directions,the technology of electromagnetic flowmeter is described in detailed; the development trend of each technical direction is introduced,and the latest technologies in this direction are listed; the current status of the technical development and the direction in future of flowmeter are elaborated.Based on the analysis of some new technologies,the future development trend of electromagnetic flowmeter is summarized.In the new era of continuous development of intelligent technology,optimization of excitation,integration of multi-function mainly with signal processing technology,constant improvement of the structure for electromagnetic flowmeter are necessary to meet the more complex measuring environment,and the measurement requirement for personalized trend.

Electromagnetic flowmeter; A/D converter; Excitation mode; Signal processing; Intellectualization; Anti-interference

福建省发改委战略性新兴产业基金资助项目(25201324)

赵保生(1994—)，男，在读硕士研究生，主要从事宽量程、高灵敏度流量计的研究。E-mail: a95831387@163.com。 黄富贵(通信作者)，男，硕士，教授，主要从事精密测量技术及传感器的研究。 E-mail: hmm@hqu.edu.cn。

TH814;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705016

修改稿收到日期:2017-01-12