关于电磁水表采集频率在实际应用中的差异研究

马宏泽，傅俊杰，杜 亮，杨 森，刘 芳

（天津市迅尔仪表科技有限公司，天津300000）

电磁水表作为一款专用于漏损控制、大用户贸易结算的计量类产品，目前广泛应用于各大自来水公司远程抄表系统。 电磁水表解决了传统机械式水表始动流速高、量程窄、易磨损、难维护等诸多问题，但在解决问题的同时，又带来了一项新的问题：因其高功耗的特性，很难满足在电池供电的前提下长久工作。 各大主流厂家均采用了通过降低采集信号频率从而实现降低功耗的办法，以延长电磁水表的使用寿命。

本文通过对各类信号采集频率的电磁水表进行横向准确度对比，以讨论出一个合理的采集频率间隔，用于提升国产电磁水表的产品品质。

1 电磁水表工作原理

电磁水表是依据法拉第电磁感应定律的工作原理来测量导电液体体积流量的计量器具，是流体力学与电磁学结合的产物。 即导体在磁场中切割磁力线运动时在其电极两端产生感应电动势，流体流速与产生的感应电动势大小成正比，通过对感应电动势的测量，推理出流体的瞬时流速，瞬时流速与管道横截面积的乘积则为当下时间点的瞬时流量，通过对测量时间进行积分，从而得出一段时间内通过电磁水表电极横截面的累积水流量[1]。 电磁水表原理如图1 所示。

图1 电磁水表原理图Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic water meter

电磁水表由流量传感器和转换器两大部分组成，测量管上下装有励磁线圈，通励磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电动势，送到转换器。 如图2 所示。

图2 电磁水表图片Fig.2 Photo of electromagnetic water meter

感应电动势：

式中：E 为感应电动势；B 为磁感应强度；V 为导电液体平均流速；K 为与磁场分布及轴向长度有关的系数。

2 电磁水表不同励磁方式简介

2.1 世界主流生产厂家励磁方式

电磁水表工作原理与电磁流量计近似，其最大区别在于供电方式， 电磁流量计采用220 V AC 或24 V DC 等长供电方式， 可使转换器时时刻刻对励磁线圈进行供电， 产生的磁场也是连续不断的，我们称之为传统励磁方式。 电磁水表因其使用地点一般无法给与外部供电，因此电磁水表只能依靠自身的电池进行供电，因此，如何降低功耗、减少电池电量损失，则是电磁水表研发的主要难题。

1990年，日本爱知时计株式会社生产出了全球第一台电磁水表，该产品采用剩磁技术，通过在励磁线圈中增加半硬磁磁性材料的铁芯结构，从而实现了磁场保留，转换器对励磁线圈间断性供电，即可满足磁场永存，从而实现其测量要求，该技术使电磁水表整机功耗不足1 W，电池使用寿命可达10年之久。

1998年，ABB 公司另辟蹊径，通过转换器算法，对传统励磁方式进行了优化，每15 s 对励磁线圈进行1 次供电，在产生磁场的时刻进行瞬时流量计量，通过对多时刻数据点进行采样，计算出流量平均值，从而达到累积计算的目的[2]。该方式同样解决了励磁线圈需要实时供电的难题， 大幅度增加了电磁水表使用寿命。 目前，国内主要生产厂家均采用了ABB 公司的降耗方式进行产品生产。产品参数如表1 所示。

表1 电磁水表主要制造商产品参数Tab.1 Parameters of main manufacturers of electromagnetic water meters

2.2 剩磁励磁方式与传统励磁方式对比

传统励磁方式连续消耗着励磁电流，为了增加电池的续航时间，电磁水表只能间歇性工作，大部分时间在休眠中。 剩磁技术的励磁方式通过脉冲电流激励励磁，由于电感的作用，电流波形呈尖峰状，电流流过线圈后，向半硬磁磁性材料做成的磁芯充磁，形成所需要的工作磁场。 残留磁场励磁方式的工作磁场并不因脉冲电流的撤销而撤销，一直到下一个脉冲电流反向通过线圈励磁前，始终稳定保持同一方向的磁场。 残留磁场励磁方式中，如果将励磁脉冲电流产生的时间设计成励磁周期的1/100，若产生同样磁场强度，与传统励磁方式相比，残留磁场励磁方式的能量消耗仅为传统间歇励磁方式的1/50，为传统常供电励磁方式的1/5000[3]。

残留磁场励磁方式的电池节能，是依靠微弱的电能和半硬磁材料的磁能进行能量转换获得的，而不是持续消耗电池的电流获得的。 信号采样与残留磁场励磁同频率方波磁场所感应的流量信号，既能保持连续流量测量的高分辨率和高精度，也能达到良好的节能效果，是电磁水表最理想的励磁方法[4]。

采用传统励磁方式时，为了减少电池的消耗通常采用长时间休眠， 减少流量信号的采样次数，多数公司使用15 s 测量一次。 这样，当现场实际流量频繁变化时，可能检测不到15 s 期间流量变化而造成的测量误差。 如图3、图4 所示。

图3 传统励磁方式电流与磁通密度的关系Fig.3 Relation between current and flux density in the traditional excitation mode

图4 剩磁技术励磁方式电流与磁通密度的关系Fig.4 Relation between current and flux density in the residual magnetizing mode

电磁水表采用不同励磁方式的采样时间比较，如图5 所示，图中给出了残留磁场励磁方式和长期休眠的传统励磁方式测量过程的采样分辨率和平均流量。 我们通过以下实验对2 种不同励磁方式的电磁水表进行可靠性研究。

图5 电磁水表采用不同励磁方式的采样时间比较Fig.5 Sampling time of the electromagnetic water meter with different excitation mode is compared

实验表具：容积式水流量校验装置1 套；被校表A：传统励磁方式电磁水表1 台；被校表B：剩磁技术励磁方式电磁水表1 台。

实验方式：（1） 把被校表A 与被校表B 在同一标定装置同一管道上串联起来，进行起停法标定，确保2 台被校表精度一致；（2）标定完成后，在量程范围内的选择2 个流量点，进行流量持续性随机变化，观测一段时间内2 台被校表累积量变化值[5]。

3 结语

很明显，采用残留磁场励磁方式的电磁水表能够分辨15 s 内流量的变化，其测量平均值比长休眠传统励磁方式电磁水表的平均值更接近实际。 因为长休眠传统励磁方式电磁水表对15 s 以内的流量变化分辨不出来，因此，传统励磁方式电磁水表将产生较大的测量误差。