电磁流量计结构与干扰抑制发展与趋势*

赵俊雨，周 琮，韦子辉，方立德，梁玉娇

（1.河北大学 质量技术监督学院，河北 保定 071002；2.计量仪器与系统国家地方联合工程研究中心，河北 保定 071002）

0 引 言

从20世纪50年代以来，电磁流量计凭借其精度高［1］、量程宽、反应灵敏、耐腐蚀等优点广泛应用于石油、化工、水计量、制药等行业，迅速成为实用性最为广泛的工业测量仪表之一。经过几十年的发展，电磁流量计的结构、信号干扰抑制技术革新成为电磁流量计测量性能提高的重要方向。本文以电磁流量计的结构［2～22］、电磁流量计干扰抑制方法［23～40］为线索，总结近年来电磁流量计的研究现状及成果并分析其发展趋势，为以后流量计的优化、设计、智能化等工作提供一定的参考与基础。

1 电磁流量计基本原理

电磁流量计的基本工作原理是法拉第电磁感应定律，当被测液体经过测量管内部时会在磁场中切割磁感线产生感应电动势，在2 个测量电极之间产生的感应电动势为E ＝kBDv，由流量Q ＝πD2v／4 可得流量Q 与感应电动势E的关系为Q ＝πDE／4kB。其中，E 为感应电动势，k 为常系数，B为磁感应强度，D为管道内径的宽度，v为流体流速。

由于传统电磁流量计对被测液体有最低导电率的要求，电磁流量计的测量管为绝缘测量管或内部衬里有绝缘材料，绝缘衬里限制了被测流体的温度范围及流量计的可靠性与适用性。传统电磁流量计的单电极对是根据感应电压信号计算整个流动截面处的平均速度，因而，对被测流体流速分布敏感，只能测量满管流体，测量精度受被测流体的非轴对称速度分布影响大，因此对直管段要求较高；此外，单一电磁流量计无法精确测量多相流中的导电相速度，尤其是在工业现场中存在的油水两相流、油气两相流等测量工况下测量结果会有很大的误差。因此，需要改变电磁流量计结构、对励磁方式和信号调理技术进行优化，使其适应更复杂的测量环境。

2 电磁流量计结构演化分析

电磁流量计结构优化的主要方式包括从测量管、励磁线圈结构、测量电极的位置和数量等方面进行改变，从而得到适用复杂工况的电磁流量计。

2.1 非绝缘测量管电磁流量计

电磁流量计绝缘衬里的作用是防止感应信号被金属测量管短路，提高了流量计的测量精度。国内的电磁流量计的常见衬里材料有聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、硬橡胶、聚氨酯橡胶、乙烯与四氟氯乙烯共聚物等。但这些绝缘材料在耐磨性、耐高温、耐氧化性、耐酸碱性等方面不能兼得，电磁流量计的绝缘衬里限制了其测量流体的适用范围及适用工况，因此希望电磁流量计能突破绝缘衬里和绝缘测量管的限制，采用非绝缘测量管进行流量的测量。

非绝缘测量管电磁流量计［2］的原理是建立流体与非绝缘金属管壁之间不同的边界条件。通过施加与流体流量成正比的电压，在管壁上形成电势分布，由于电流流过金属管壁，使得管壁上的电势分布与流体中的流动信号电势不同，这就建立了管道与非绝缘金属管壁之间的边界条件，这个边界条件与绝缘衬里同样起到了防止电流经过引起短路的作用。也称这种新的控制方法为“电势补偿法”［3］。非绝缘测量管电磁流量计的结构如图1所示。

图1 非绝缘测量管电磁流量计结构

2.2 不同励磁线圈形状的电磁流量计

电磁流量计的励磁系统是由励磁线圈、导磁铁芯和磁轭等部分组成。电磁流量计的磁场特性不仅和励磁电流大小变化有关，还深受励磁线圈的形状、尺寸大小、匝数等因素影响。电磁流量计工作磁场的稳定性和均匀性是设计分析励磁系统最关键的因素。不同的励磁线圈形状对电磁流量计工作磁场的影响也各具特点。

2.2.1 典型励磁线圈

工业生产中广泛应用的励磁线圈的形状主要有圆形线圈、菱形线圈、矩形线圈、马鞍形线圈等。4 种励磁线圈的仿真几何模型如图2所示。典型的线圈结构仍存在一些不足，如亥姆霍兹线圈中部的工作磁场均匀度较好，而边缘处磁场却减弱；菱形励磁线圈和矩形励磁线圈产生的工作磁场在电极附近的分布均匀度较差；马鞍形励磁线圈的磁场均匀度最好，但输出感应电动势大小比亥姆霍兹线圈低。

图2 4 种励磁线圈仿真几何模型

2.2.2 E形框架亥姆霍兹线圈

由于励磁线圈的轴向长度有限，根据电磁感应原理，线圈产生的磁场是一系列圆形的闭环。在线圈弯曲的磁场的边缘处形成非均匀分布的磁场。即电磁场的分布在测量管方向具有边缘效应。Shereliff J A 的数学模型［4］中提到当励磁线圈的轴向长度接近测量管半径的3 倍时，有限磁场的灵敏度接近1。虽然分析了电磁流量计灵敏度与磁场轴向长度之间的关系，但励磁线圈沿电极方向的长度仍未分析。

E形框架亥姆霍兹线圈［5］是一种在传统的亥姆霍兹线圈中加入导磁材料制成的E 形框架来模拟磁场的分布的改进励磁结构。常用的励磁装置亥姆霍兹线圈具有2 个平行排列的线圈，并且测量管中的磁流场是2 个线圈产生的磁场的叠加。为了减少在线圈边缘漏磁通的影响，Yang H Y等人提出了一种由导磁材料构成的E形励磁框架［6］，如图3所示。线圈缠绕在E 形框架的中心，整个励磁装置由2个彼此相对放置的E 形框架组成。线圈形状是矩形的，由于E形框架具有高导磁率，磁力线可以集中在E形框架的中心区域，以提高穿过测量管的磁场的强度和均匀性，并且可以减小激励装置的尺寸。其中，E 形框架亥姆霍兹线圈沿着测量管的轴向长度是48 mm，即测量管半径的3 倍。此种结构具有漏磁小、磁场分布均匀等优点。可将磁通量集中在测量管周围的区域以确保有足够的磁场强度来检测流量流速信号。

图3 E形励磁结构

2.2.3 双层励磁线圈

明渠是一种具有自由表面液体流动的渠道。明渠水流也称为重力流和无压流，其靠重力作用产生，表面相对压力为零且具有自由表面，因此，明渠水流流经渠道的截面是时刻变化的。明渠电磁流量计的主要设计问题是通过专门设计的励磁线圈来保证测量区内磁场的均匀分布。线圈的设计还需应对干扰电场的边界效应，达到此需求最简单的方法是在轴向上增加线圈的长度，但这又增加了线圈的制造成本。双层励磁线圈结构为解决明渠电磁流量计的磁场分布问题奠定了基础。

为了使明渠流量计测量区磁场达到最佳均匀性，Watral Z等人［7］将双层线圈和亥姆霍兹线圈两种励磁线圈进行仿真比较，图4 为双层励磁线圈和亥姆霍兹线圈的仿真模型，发现双层线圈的设计要优于亥姆霍兹线圈，如果在亥姆霍兹线圈中，在流向方向上使线圈长度增加50%，则得到的磁场分布均匀性与在双层线圈中相同。因此，双层励磁线圈结构相比亥姆霍兹励磁线圈更适用于明渠电磁流量计。

图4 2 种励磁系统的仿真模型

2.3 不同测量电极结构的电磁流量计

根据电极结构的不同，电磁流量计可分为接触式和非接触式两种。接触型电磁流量计使用金属点电极穿透管壁。非接触式电磁流量计是将大面积的金属电极粘贴在测量管上，通过电容耦合的方式获得感应信号，因此，又称电容式电磁流量计。

2.3.1 非接触式电磁流量计

非接触式电磁流量计具有一些突出的优点：一方面避免了被测液体与检测电极直接接触，解决了检测电极容易受到液体腐蚀、磨损等问题［8］；选择合适的衬里材料，电容式电磁流量计也可以实现对浆液型和较高腐蚀性流体的检测，增大了流量仪表的使用范围。另一方面，电磁流量计通过电容耦合的方式获取被测液体流量信号，被测流体与检测电极之间的耦合电容决定了传感器的内阻；增加耦合电容值可以减小传感器的内阻，降低流量信号检出难度，从而使被测流体电导率的下限减小。

非接触式电磁流量计的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。电极贴于测量管外面或镶嵌于测量管内部［9］。非接触式电磁流量计利用电极与被测流体通过绝缘衬里形成耦合电容来检测被测流体流量信号。主要结构形式按电极的安装位置可分为两种：电极嵌入测量管绝缘衬里（嵌入式）、电极贴在测量管外（外贴式）。嵌入式电磁流量计和外贴式电磁流量计的结构如图5所示，嵌入式结构和普通电磁流量计电极结构类似，而外贴式多是采用陶瓷表面金属化技术将电极贴在流量计测量管外部。

图5 2 种非接触电磁流量计结构

2.3.2 多电极式电磁流量计

通过理论分析［10］发现，流体测量截面处的速度分布对电磁流量计的测量精度影响十分敏感，所以传统单对电极电磁流量计测量流体时，要求流速分布是轴对称的，因此，需要被测流体满管并具有足够长的直管段。在管径较大、流体未满管或测量条件有限时，单对电极电磁流量计的测量结果会存在不同程度的误差，对于非满管流体和非轴对称速度分布流体的测量传统流量计不再适用，多电极式电磁流量计可以通过测量多个点的感应电动势，获得任意流型下的流体平均流速的表达式以及测量管内流体液面高度，适用于非轴对称流动和非满管条件下的流量测量［11，12］。

1）非满管多电极式电磁流量计［13］。其测量管壁上具有多对电极，其中1对信号注入电极设置在测量管底部，用于满管状态判别的满管指示电极设置在测量管顶部，其余3对电极为测量电极设置在测量管两侧，用于管道流体液位和流速信号的测量。当对液位进行测量时，将电压幅值恒定的交流信号施加于信号注入电极上，在流体满管情况下，该流量计的功能与普通的电磁流量计相同，因为此时流体流经横截面积是固定的，只需根据感应电动势推出被测流体的流速，进而计算得到流量值。当流体未充满管道时，满管指示电极检测到管道流体为非满管状态，并利用算法对测量值进行修正，此时流量计的测量方式则是测量流体流速和非满管流体液位高度。通过测量管内被测液体的耦合，反映液位高度变化的合成信号可以通过3 对测量电极得到，液位高度的准确测量值是通过转换器将合成信号转换获得。非满管多电极电磁流量计结构简图如图6所示。

图6 非满管多电极式电磁流量计结构

2）非轴对称速度分布多电极式电磁流量计。由于测量截面所在平面内管壁的感应电动势积分运算的测量结果与流体流速分布无关，因此，多电极式电磁流量计可通过测量多点的感应电动势来测量非轴对称速度分布下的流体流量。非轴对称速度分布多电极式电磁流量计按照测量电极个数可分为四电极式［14］、六电极式［15］、八电极式［16］、十六电极式［17］等。从理论上讲电极个数越多，流体平均流速的测量精度越高，但是从实际生产制作条件与流量计可靠性来说，测量电极数目不能无限增多，而且随着电极数目的增多，测量系统实时性也会降低。

3 电磁流量计干扰抑制方法分析

在电磁流量计的测量过程中，电极采集的流量信号混杂了大量的干扰信号和噪声。流量信号中的干扰信号根据产生机理不同可分为3 类，第一类是与电磁流量计的电磁感应原理有关的同相干扰、微分干扰等；第二类是和电化学作用有关的浆液噪声、极化干扰、流动噪声等；第三类是因外部电路而引起的工频干扰，可分为串模干扰、共模干扰两种。

不同励磁方式对流量计的功耗、精度、实时性等参数有着重要影响。励磁方式可分为采用交变磁场和采用恒定磁场2种基本形式，采用交变磁场包括正弦波励磁、低频矩形波励磁、三值矩形波励磁、双频矩形波励磁、三值梯形波励磁等方式，采用恒定磁场包括直流电源励磁和永磁铁励磁［21］。

3.1 交变磁场励磁

最早应用在电磁流量计中的励磁方式是工频正弦波励磁［22］，此种电磁流量计测量迅速，这种方式能有效消除电极表面的极化现象，降低电化学电势的影响和传感器内阻，但是由于频率高，会带来一系列电磁干扰如正交干扰、同相干扰等。矩形波励磁将直流励磁和交流励磁的优点结合起来，既具备交流励磁极化干扰小的特点，又具有直流励磁无正交干扰和同相干扰［23］。矩形波励磁方式采样时间窗口长且稳定，可使流量计的零点稳定性得到显著提高。

矩形波励磁根据工作频率的高低分为低频矩形波励磁和高频矩形波励磁，低频励磁虽然具有零点稳定和有效降低电磁干扰的优势，但是会降低传感器的响应速度，不再适用于高速变化流体的测量。高频励磁具有响应速度快的优势［24］，但存在电磁干扰问题导致测量精度的下降，其测量精度比不上低频励磁。随着工业生产生活中对流体测量实时性和测量精度的提高，单频的高频励磁和低频励磁已经不能满足人们的测量要求，于是国内外研究人员将目光投向了双频励磁。世界上第一台双频励磁电磁流量计结合低频矩形波励磁和高频矩形波励磁的优点［25］。利用双频中低频抑制测量液体噪声、保持零点稳定性和高频激励技术响应速度快的特点在测量被测液体时取得了较好的效果和较快的响应速度。之后双频励磁技术得到快速发展，衍生了高压和脉冲宽度调制（PWM）调制低压励磁［26］、时分双频励磁［27］、双频梯形波励磁［28］等多种双频励磁形式。时分双频励磁方式不仅兼顾了高频低频的优点，还提高了流量计的量程比。双频梯形波与矩形波相比，梯形波具有稳定部分，增加了信号的稳定性，可以有效消除差分干扰。与三角波相比，梯形波有上升沿和下降沿，提高了电压的利用率。虽然双频励磁兼具高频励磁响应速度快和低频励磁稳定性好的优点，但是双频励磁需要执行的算法相比较更为复杂，这就使得流量计功耗较大［29］。基于可再生能源的脉冲励磁电磁流量计的问世降低了电磁流量计的功耗［30］。未来学者研究的焦点将是双频励磁或者多频励磁且功耗低的电磁流量计。

3.2 恒定磁场励磁

流量计采用恒定磁场励磁时［31］，其优点是磁场强度恒定不变，比交变磁场励磁更容易实现，流量计结构也更加简化，受工频干扰的影响小。恒定磁场励磁技术遇到的最关键问题是电化学作用在测量电极上产生极化电压，由于电极输出的流量测量信号和电极极化电压均为直流信号，导致很难从测量信号中剔除极化电压干扰信号，甚至极化电压过大会掩盖测量信号产生的感应电动势。因此，恒定磁场励磁方式仅适用于内阻极小、导电率极高且不产生极化电压的特殊液态金属的流量测量中。

目前克服电极表面极化的方法可以分为：1）对极化噪声进行补偿。将非励磁时段极化噪声用来补偿励磁时段的极化噪声。2）低通滤波极化噪声并反馈补偿［32］。采用一阶低通滤波器剥离极化噪声，并进行反馈补偿。因为低通滤波器会使流量信号发生畸变，故此方法尚未应用于商业仪表。3）将极化电压控制在稳定值。这是一种避开极化电压原理的方法，代表方法有继电器电容反馈抑制极化。基于这种理念，上海大学提出了利用动态反馈控制的方法应用在永磁体励磁的电磁流量计上［33］。浙江大学将快速变化的交变电场施加在电极上来抑制极化电压并取得了良好的效果［34］。目前，这种方法是恒磁磁场励磁方法研究的热门领域。

4 电磁流量计发展趋势

4.1 励磁技术的发展趋势

随着电子技术的快速发展，对励磁电流和励磁信号的控制也越来越精确。励磁方式将向多频方向发展，让电磁流量计兼具响应速度快，零点稳定性好，输出信号稳定等优点。励磁频率也将向智能变换方向发展，根据电磁流量计输出感应电势信号中噪声的大小来改变励磁频率。使电磁流量计不仅具有克服流体噪声和信号零点漂移的能力，还能估计当前流体的浆液浓度值［35，36］。信号处理技术也不再只依靠电路进行滤波，可以利用MATLAB、快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）或小波变换等软件处理方式对信号调理以抑制干扰，提高电磁流量计的励磁精度。

4.2 复杂工况组合测量的发展趋势

随着流体测量工况复杂性的增加，电磁流量计也在朝着与其他方法组合测量的方向发展［37］。主要有电磁流量计与弧形电导探针组合测量系统［38］、电磁流量计结合分相法测量液体流量［39］、电磁流量计和电阻层析成像双模态系统［40］等。结合弧形电导探针灵敏度高、探测场分布均匀的优点，可以大大提高流体测量的分辨率。分相法的结合可以提高测量精度，成功地使电磁流量计适用于原始相分布不均匀的气液两相流。电磁流量计与电阻层析成像双模态系统可利用多维数据融合的方法测量油水两相流的分相体积流量与流速。随着互相关算法与多传感器信息融合技术的发展，电磁流量计与其他测量方法组合进行流体计量成为未来发展的重要研究方向。