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電磁流量計發展曆史、產品特點及發展趨勢

發表時間:2019-06-27   點擊次數:  技術支持:150-5269-2011
      
     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技術方麵的升級,各類電子儀器儀表的產品品質和可靠性以及功能性都得到了非常大的提升,本文所述的電磁流量計產品的升級換代也同樣見證著這樣一個過程。電磁流量計是一種被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、耐腐蝕等優點。電磁流量計的精度是體現電磁流量計產品品質的一個關鍵性的指標,與測量結果的準確性密切相關。本文從電磁流量計的發展曆史出發,對其四個發展方向作了一個較為深入的分析,這四個方向表現在:電磁流量計的結構、電磁流量計的勵磁方式、電磁流量計的信號處理方式、電磁流量計的智能化技術。這四個方麵當前的技術發展現狀以及未來的發展方向如何,電磁流量計的未來的發趨勢怎樣,本文都有涉及。在智能化技術不斷發展和完善的今天,未來電磁流量計仍以勵磁優化、信號處理技術為主,同時又不斷改變電磁流量計的結構,以適應越來越複雜的測量環境和滿足測量要求個性化的趨勢。

一、引言
        流量計是利用物理原理實現對一段時間內流體流量測量的儀器。電磁流量計具有寬量程、耐腐蝕、結構簡單等優點川,是當前受歡迎的流量計品種之一。電磁流量計的理論產生於20世紀20年代[[21O當代電磁流量計大多以計算機技術為基礎,其功能隨著計算機的信息處理能力、存儲能力、運算能力和計算機的控製功能的增強而增強。電磁流量計技術革新的四個方向值得關注:電磁流量計的結構、電磁流量計的勵磁方式、電磁流量計的信號處理技術以及電磁流量計的智能化等。本文以此為線索,總結電磁流量計的發展曆程並分析其發展趨勢。
 
二、電磁流量計結構
        電磁流量計是利用電極與流體構成一個回路來測量回路中產生的電參數。傳統電磁流量計測量原理如圖1所示。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磁感線而產生感應電動勢U,測量電極接收電動勢信號。由公式Q=(1/k)*(UA/Bd)可計算其流量。式中:Q為流量;k為修正係數。
 
   由於傳統的電磁流量計無法測量低電導率的流體,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。改變電磁流量計結構的主要方法是改變電極的數量和位置,從而形成電容電磁流量計、非滿管電磁流量計等。
2.1、電容電磁流量計
        電容式電磁流量計從根本上解決了電極表麵附著、腐蝕、摩擦等問題,其電極與被測流體間有絕緣襯裏隔離,或者直接采用絕緣測量管。電極置於測量管外麵或鑲嵌於測量管內部。嵌人式電磁流量計和外貼式電磁流量計的結構
 
電極與被測流體通過絕緣管形成檢測電容,通過此電容來藕合流量信號。其主要的結構形式按照電極的安裝位置可以分為兩種:電極嵌人測量管的絕緣襯裏內部(嵌人式)、電極貼在測量管外部(外貼式)。嵌入式結構與普通電磁流量計結構相似,而外貼式大多是通過陶瓷表麵金屬化技術將電極貼在測量管外。
 
2.2非滿管電磁流量計
        普通的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快,有時充不滿管道,普通的電磁流量計不能適用,因此希望電磁流量計能夠進行非滿管流量的測量。目前市麵上常見的非滿管電磁流量計有下麵幾種。
        ①多電極式非滿管電磁流量計。其底部是一對信號注人電極,中間有多對測量電極,頂端有一個滿管電極。在滿管情況下,該流量計與普通的電磁流量計的功能相同,滿管情況下流體的橫截麵積是固定的,此時計算流量值隻需要測量流體的流速即可。當流體非滿管時,滿管電極檢測到管道非滿狀態,利用算法修正測量值,此時流量計的測量方式改成測量流體流速和液麵高度。信號注人電極與在不同位置的三對測量電極共同工作,用於測量液位麵的高度和流體的速度。
 
 電容式非滿管電磁流量計就是利用液位的變化使得電容的極距發生變化,通過測量發送電極和檢測電極之間的電容藕合值即可測量流量值。
        ③利用阻抗或信號衰減研製的非滿管電磁流量計。這種結構的非滿管電磁流量計是當前國內研究的方向之一。其結構是流量管底部貼一對信號發射電極,在流量管中間貼信號接收電極。由於信號在流體中傳播會產生衰減,且傳播時間越長,衰減越多,因此通過信號接收電極接收到的信號衰減量即可得知液麵高度;同時該電極還能測量流體切割磁感線產生的電動勢,以此達到測量非滿管流量的目的。
三、勵磁方式的優化
        勵磁方式的選擇影響了整個流量計係統的精度、能耗等參數。因此在電磁流量計的結構確定之後,勵磁方式的選擇尤為重要。勵磁方式可以分為兩種基本形式,即采用交變磁場的形式(包括正弦波勵磁、矩形波勵磁、三值波勵磁和雙頻矩形波勵磁)和采用恒定磁場的形式(包括直流電源勵磁和永磁體勵磁。
3.1 交變磁場勵磁
        工頻正弦波是早應用於電磁流量計中的勵磁方式,其測量速度快,受電化學反應影響小,但是由於頻率高,容易因為渦流產生同相噪聲且微分噪聲補償困難,零點容易漂移。低頻矩形波勵磁具有實現簡單、零點穩定、抗工頻幹擾等優點而成為流量計廠商主要采用的勵磁方式。
        隨著實際生產應用中對流體測量速度和對漿液測量精度要求的提高,低頻勵磁已不能滿足要求,於是國外提出高頻方波勵磁和雙頻矩形波勵磁。高頻方波勵磁或雙頻矩形波勵磁雖能有效克服漿液噪聲、流動噪聲等幹擾並提高測量速度,但是有關高頻勵磁部分的核心技術並未披露。國內還沒有廠家能夠提供擁有自主產權的產品,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,且對流動噪聲不敏感,但是由於需要執行複雜算法,會增加功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵磁研究的基礎上對其進行了改進,並提出一種時分雙頻勵磁的方法。該方法在兼顧了低頻高頻優點的同時,又能夠在很寬的測量範圍內實現流量的高精度測量。
 
3.2恒定磁場勵磁
        相對於交變磁場勵磁方式來說,恒定磁場勵磁的方式實現起來更加簡單,受工頻幹擾影響小,而且使用恒定磁場勵磁可以簡化傳感器結構。
        恒定磁場勵磁關鍵的問題就是電化學及其他因素會在電磁流量計測量電極上產生嚴重的極化現象,導致測量電極兩端產生極化電壓。極化電壓過大,則會淹沒測量信號產生的感應電動勢。而交變磁場勵磁可以通過不斷變換勵磁的方向來消除電極表麵極化現象,因此,目前國內外電磁流量計大多采用交變磁場勵磁。恒定磁場勵磁方式應用於導電率極高、流體內阻極小、而又不產生極化效應的液態金屬的流量測量中。
        為了克服電極表麵極化現象,目前采用的方法可分為以下兩種。①從極化電壓的原理出發,分析兩個電極上極化電壓的相關性,從根本上消除極化電壓的影響,如差分對比消除極化電壓法。但是由於極化電壓影響因素多,且其隨機性遠遠大於反映流量信號的感應電動勢,所以其消除極化的效果並不理想。②另一種是避開極化電壓的原理,設法在不影響流體感應信號測量的情況下,將極化電壓控製在一個穩定的值,如繼電器電容反饋抑製極化法。浙江大學提出了一種新的方法,該方法是利用在電極上施加快速變化的交變電場來抑製極化電壓,且此交變電場隻在非采樣時間段內激發。上海大學提出了另外一種反饋的方法,即對測量電極進行等電量動態跟蹤反饋的方法來消除磁鋼勵磁電磁流量計的電極極化問題。目前,這種方法是當前恒磁磁場勵磁方法研究的焦點。
 
四、信號處理方法的改良
        電磁流量計通過采集一段時間內的電信號來達到測量流量的目的,這樣在測量過程中不可避免地會摻雜各種幹擾信號,因此對信號的檢測處理方式的改良就顯得尤為重要。
 
4.1普通電磁流量計信號處理
        信號的檢測處理實際上就是對信號進行放大、采集與幹擾抑製。信號方麵的研究主要集中在幹擾的抑製上。電磁流量計的幹擾主要包括極化電壓的幹擾、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,部分研究發現流體的不對稱流動。電極和勵磁線圈的不對稱也會產生相應的測量誤差。國內許多機構在這些方麵作了很多的研究,如上海大學提出的一種反饋式信號放大處理方法,采用矩形波勵磁來克服極化電壓、工頻帶來的幹擾,利用增加勵磁頻率或改變勵磁方式,克服電化學幹擾和流體碰撞管道時產生的幹擾。周真、王強等人通過對流量計極間信號進行建模來分離幹擾信號和流量信號,采取提前確定IA值來進行偏置調整抑製低頻漂移產生的幹擾,利用數模混合優濾波法消除微分幹擾。對於恒磁勵磁方式來說,幹擾主要來源於極化電壓幹擾以及零點漂移幹擾,消除零點漂移幹擾的方法有電容隔離法、反饋式信號處理方法一和三次采樣消除零點漂移法等。石冰鑫、李景雲公布,了一項利用光電傳輸信號的電磁流量計,可以有效降低傳輸過程中的幹擾。
 
4.2電容式電磁流量計信號處理
        普通電磁流量計的電極部分是以金屬導體與被測液體接觸,而流體流動時會對電極產生碰撞噪聲。後來研發的電容式電磁流量計使電極部分不與被測流體直接接觸,而是透過管壁與流體的感應電動勢產生感應,從根本上解決了雜散噪聲的問題。但是由於耦合電容的容抗是電容式電磁流量計的主要信號內阻,其藕合電容值很小,而內阻很大,測量得到的信號信噪比會很小。為了獲取較高的信噪比,必須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器,進行信號的阻抗轉換和放大。
 
        目前,信號檢出方法有兩種:直接檢測感應電壓與通過“虛地”來檢測電流法。電壓檢測法技術成熟,但是受流體因素影響大。檢測電流法通過“虛地”與合適的電阻值來獲得高電勢,通過口= CE來計算電容,後通過微分得出電流值。此方法可從根本上消除電容泄漏電流的影響,但是這種方法受耦合電容值變化的影響較大,而且電路複雜,一般較少采用。
        盧國峰、王保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函數同頻相關,不同頻不相關的性質,通過互相關運算,達到濾出噪聲的效果。已知發送信號的頻率,就可在接收端發出相同頻率的參考信號,與混亂信號進行相關即可提取出微弱的測量信號。在後續的數據處理當中,他們使用了基於相關檢測原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。
    由於智能電磁流量計的出現,越來越多的信號處理技術不再是單純的電路式濾波,而更多地使用軟件濾波,比如可以利用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行處理以抑製幹擾等。
 
五、流量計的智能化
        隨著微處理器的發展,電磁流量計也在朝著智能化方向發展。其智能化方向可分為信號處理智能化和控製智能化,兩者共同作用構成了智能電磁流量計。其主要技術包括軟件技術、自診斷功能、程控放大器技術、微處理器抗幹擾技術等。
        軟件技術是信號處理智能化的標誌,即通過軟件來控製電磁流量計的整個工作過程。數字濾波、非線性擬合、零點自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,例如:脈衝幹擾剔除、數字電路毛刺幹擾消除、A/D轉換器的抗工頻以及確保輸人微處理器數字的可靠性。另外,數據在線分析與數據重構也是其研究方向之一,如利用小波變換分離漿液流體當中的流量信號、漿液信號和利用陷波濾波器組的信號處理方法等。
       電磁流量計是無阻擾測量,其測量電極與流體接觸後容易發生磨損、腐蝕、結垢等現象,這些現象會極大地影響電磁流量計的測量精度。為了便於拆卸維護,電磁流量計增加了自診斷功能。其功能越來越多,相繼添加了信號線性度、勵磁電路的完整性和準確性(包括勵磁線圈電阻和勵磁電流)、監控和診斷流程和環境條件的變化(如液體電導率是否變化,流體中氣泡和固體顆粒含量等。隨後出現一種無需改變電磁流量計結構就能進行勵磁電流異常的自診斷技術。
         程控放大器技術能夠實現電磁流量計量程的自動轉換,同時利用增益控製方法能有效削弱微分幹擾峰值使放大器過載的問題,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,但是當電磁流量計引入智能係統後,來自微處理器的各種幹擾同樣會影響測量結果的精度,甚至會導致整個流量測量係統跑飛或崩潰。目前,國內外常常使用軟硬件結合的方式來提高微處理器的抗幹擾能力。常用的軟件抗幹擾方法有:軟件指令冗餘措施、軟件陷阱抗幹擾方法、軟件“看門狗”技術等。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除大部分幹擾。常用的硬件抗幹擾有:光電隔離器、接地技術、掉電保護技術等。

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