電磁流量(liàng)計發展趨勢(shì) 發布時間:2025-12-13
流(liu)量計是利用(yong)物理原理實(shi)現對一段時(shi)間内流體流(liu)量測量的🐆儀(yi)器。電磁流量(liàng)計具有寬量(liàng)程、耐腐蝕、結(jie)構簡單等優(yōu)點,是當前常(cháng)用的流量計(ji)品🥵種之一。電(dian)磁流量計的(de)理論産生于(yu)20世紀20年代。當(dang)😍代電磁流量(liàng)計大多以計(jì)算機技術爲(wèi)基礎,其功能(néng)随着㊙️計算機(jī)的信息處理(li)能力、存儲能(néng)力、運算能力(li)和計算機的(de)控制功能的(de)增強而增強(qiáng)。電磁流量計(ji)革新的四個(gè)方向值得關(guān)注:電磁流量(liàng)計的結構、電(diàn)磁流量計的(de)勵磁方♉式、電(dian)磁流量計的(de)信号處理技(ji)術以及電磁(cí)流量計的智(zhi)能化等。本文(wen)以此爲線索(suo),總結電磁💯流(liú)量計的發展(zhǎn)曆程并分析(xi)其發展趨勢(shi)。 1電磁流量計(ji)結構 電磁流(liú)量計是利用(yòng)電極與流體(ti)構成一個回(huí)路來測量回(hui)路中⭐産生的(de)電參數。傳統(tong)電磁流量計(jì)測量☎️原理⭐如(rú)圖1所示。電磁(ci)線圈在直徑(jìng)爲d、橫截面積(ji)爲A的❓管道中(zhong)産生一個磁(cí)場強度爲B的(de)磁場☔。當有流(liu)體經過時會(hui)切割磁感線(xiàn)而産生感應(ying)電動勢U,測量(liàng)電極🐉接收電(diàn)動勢♻️信号。由(yóu)公式可計算(suan)其流量。式中(zhōng):Q爲流量;k爲修(xiu)正系數。 由于(yú)傳統的電磁(cí)流量計無法(fǎ)測量低電導(dao)率的流🍉體,且(qie)對摩擦⁉️、粘附(fù)效應敏感,隻(zhi)能測量流體(ti)滿管情💚況等(děng)🙇🏻,因此需要改(gǎi)變其結構,使(shǐ)其能夠适應(ying)更複雜💰的環(huan)境。改變電磁(ci)流量計結構(gou)🐅的主要方法(fa)是改變電極(ji)的數量和位(wèi)置🙇♀️,從而形成(chéng)電容電磁流(liu)量計、非滿管(guǎn)電磁流量計(ji)等。 1.1電容電磁(ci)流量計 電容(rong)式電磁流量(liàng)計從根本上(shang)解決了電極(ji)表面附着、腐(fu)🙇♀️蝕、摩擦🔞等問(wèn)題,其電極與(yu)被測流體間(jiān)有絕緣♋襯裏(li)隔離,或者✨直(zhi)接👣采用絕緣(yuan)測量管。電極(jí)置于測量管(guǎn)外面或鑲🍉嵌(qiàn)于測量管内(nèi)🌍部。嵌入式電(diàn)磁流量計和(he)外貼😄式電磁(ci)流量計的結(jie)構如圖2所示(shì)。 電極與被測(cè)流體通過絕(jué)緣管形成檢(jian)測電容,通過(guo)此電容來㊙️耦(ou)合流量信号(hao)。其主要的結(jié)構形式按照(zhào)電極的安裝(zhuang)位置可以分(fèn)爲兩種:電極(jí)嵌入測量管(guǎn)的絕緣❓襯裏(li)内部(嵌入式(shi))、電極🔱貼在測(ce)量管外部(外(wài)貼式)。嵌入式(shì)結構與普通(tong)電磁流量計(ji)結構相似,而(er)外貼式大多(duo)是通過陶瓷(cí)表面金屬化(hua)技術将電極(jí)貼在測量管(guan)外。 1.2非滿管電(diàn)磁流量計 普(pǔ)通的電磁流(liú)量計隻能測(cè)量滿管流的(de)流量,而很多(duo)🏃情況‼️下由于(yú)流量流速很(hěn)快,有時充不(bú)滿管道,普通(tōng)的電磁🧡流量(liang)🚶♀️計不能适用(yòng),因此希望電(dian)磁流量計能(neng)夠進行非滿(mǎn)管流量的測(ce)量。目前市面(mian)上常見的📐非(fēi)滿管電磁流(liú)量計有下面(mian)幾種。 ①多電極(ji)式非滿管電(dian)磁流量計。其(qí)底部是一對(dui)信号注入🔞電(diàn)🈚極,中間有多(duō)對測量電極(jí),頂端有一個(gè)滿管電極。在(zai)滿♌管情😘況下(xia),該流量計與(yu)普通的電磁(cí)流量計的功(gong)能相同,滿管(guan)情況下流體(ti)的橫截面積(ji)是固定的,此(ci)時☀️計算流量(liàng)值隻需要測(cè)量流體的流(liú)速即可。當流(liú)體非滿管時(shi),滿管電極檢(jian)測到管道非(fēi)滿狀💁态,利用(yong)算法修正測(ce)量值,此時流(liu)量計的測量(liang)方式改成測(cè)量流體流速(su)和液面高度(du)。信号注入電(diàn)極與在不同(tong)位置的三對(duì)測量電極共(gong)同工作,用于(yú)測量液位面(mian)的高度和流(liu)體的速度。多(duō)電極式非滿(mǎn)管電磁流量(liang)計結構簡圖(tu)如圖3所示。 ②電(dian)容式非滿管(guǎn)電磁流量計(jì)。電容式非滿(mǎn)管電磁流量(liang)計結構簡圖(tú)如圖4所示。 電(dian)容式非滿管(guan)電磁流量計(jì)就是利用液(yè)位的變化☔使(shǐ)得電容的極(ji)距發生變化(huà),通過測量發(fā)送電極和檢(jiǎn)測電極之間(jiān)的電😍容耦合(hé)值即可測量(liàng)流量值。 ③利用(yong)阻抗或信号(hao)衰減的非滿(man)管電磁流量(liàng)計。這種結構(gou)🍉的非滿管電(dian)磁流量計是(shì)當前的方向(xiàng)之一。其結構(gou)是流💰量管底(di)部貼一對信(xin)号發射電極(jí),在流量管中(zhong)間貼信号接(jie)收電極。由于(yu)信号在流體(tǐ)中傳播會産(chǎn)生衰減,且傳(chuán)播時間越長(zhang),衰減越多,因(yin)此通過☀️信号(hao)接收電🐕極接(jie)收到的🈲信号(hào)衰減量📞即可(ke)得知液面高(gāo)度;同時該電(diàn)極還能測量(liàng)流體切割磁(ci)感😄線産生的(de)電動勢,以此(cǐ)達到測🚶♀️量非(fēi)滿管流量的(de)目的。阻抗式(shi)或信号衰減(jian)非🔴滿管電磁(ci)流量計結構(gòu)簡圖如圖5所(suǒ)示。 ④智能化非(fēi)滿管電磁流(liu)量計。這種流(liú)量計是電磁(cí)流量計智❄️能(neng)化💃🏻發展的方(fāng)向之一。使用(yòng)兩種接法不(bu)同的勵磁線(xian)圈,應用權🐆重(zhong)函數與幾何(hé)位置有關的(de)原理,建立液(ye)位的函數關(guan)系,最後通過(guò)在線計算求(qiú)取液位。姜玉(yu)林、丁文斌改(gǎi)進了權重函(han)數與感應電(diàn)勢的計算方(fang)法🐇。對于非滿(man)管流量計來(lái)說,由于其流(liu)體❓分布與普(pu)通🌈的電磁流(liú)量計不同,因(yin)此其權重函(hán)數也不同,在(zai)非滿管的情(qing)況🔴下對其權(quán)重函數進行(hang)有限元數值(zhi)分析,得到不(bu)同液面下的(de)權重函數。 除(chu)此之外還有(you)其他功能的(de)電磁流量計(jì),例如改變信(xìn)息傳輸👅通🏃🏻♂️道(dào)将信号線與(yǔ)電源線串在(zai)一起的二進(jin)制⭕電磁流量(liàng)計、用于測量(liang)渠道的潛水(shuǐ)電磁流量計(ji)、爲了降低功(gong)耗并提高勵(lì)磁效率和靈(líng)敏度的異徑(jìng)電磁流量計(jì)、用于油水兩(liang)相流流量測(cè)🔞量的分流式(shi)電磁流量計(ji)以及其他電(dian)磁流量計。 2勵(lì)磁方式的優(yōu)化 勵磁方式(shì)的選擇影響(xiang)了整個流量(liang)計系統的精(jing)度、能耗等參(can)數。因此在電(diàn)磁流量計的(de)結構确定之(zhi)後,勵磁方式(shi)的選擇尤爲(wèi)重要。勵磁方(fang)式可以分爲(wèi)兩種基本形(xing)式,即采用交(jiāo)變磁場✊的形(xing)式(包括正弦(xián)波勵磁、矩形(xíng)波勵磁、三值(zhi)波勵磁⭕和雙(shuāng)頻矩形波勵(lì)磁🔞)和采用恒(heng)定磁場的形(xing)式(包括直流(liú)電源勵磁和(he)永磁體勵磁(cí))。 2.1交變磁場勵(li)磁 工頻正弦(xián)波是最早應(yīng)用于電磁流(liú)量計中的勵(lì)磁方式,其測(ce)☔量速度快,受(shou)電化學反應(yīng)影響小,但是(shi)由于頻率高(gao)🔞,容易因爲🐇渦(wō)流産生同相(xiàng)噪聲且微分(fen)噪聲補償💋困(kùn)難,零點容易(yì)♻️漂移。低㊙️頻矩(jǔ)形波勵磁具(jù)有實現簡單(dān)、零點穩定、抗(kang)工頻幹擾等(deng)優點而成爲(wei)流量計廠商(shang)主要采用的(de)勵磁方式。 随(suí)着實際生産(chan)應用中對流(liú)體測量速度(dù)和對漿液測(cè)量🌈精度要求(qiu)的提高,低頻(pín)勵磁已不能(néng)滿足要求🛀🏻,于(yu)是國外提出(chū)高頻方波勵(li)磁和雙頻矩(ju)形波勵磁。高(gao)頻方🌈波勵磁(ci)或雙頻矩形(xing)波勵磁雖能(néng)有效克服漿(jiāng)液噪聲、流動(dong)噪聲等幹擾(rǎo)并提高測量(liang)速度,但是有(you)關高頻勵磁(ci)部分的核心(xin)技術并未🈲披(pī)露。國内還沒(méi)有廠家能夠(gou)提供擁有自(zi)主産權的産(chan)品,相關的文(wen)獻也很少。雖(suī)然雙頻矩形(xing)波勵磁兼具(jù)高頻測量速(sù)度快和低頻(pin)穩定性好,且(qiě)對流動噪聲(sheng)不敏感,但❤️是(shi)由于需要執(zhi)行複雜算法(fǎ),會👌增加功耗(hào)。劉鐵軍、宮👨❤️👨通(tong)勝在雙頻勵(lì)磁的基礎上(shang)對其進行了(le)改進,并提出(chu)一種時分雙(shuang)頻勵磁的方(fang)法。該方法在(zai)兼顧了低頻(pin)高頻優點的(de)同時,又能夠(gòu)在很寬的測(ce)量範圍内實(shí)現流量的精(jing)度高測量。 2.2恒(héng)定磁場勵磁(cí) 相對于交變(biàn)磁場勵磁方(fang)式來說,恒定(ding)磁場勵磁的(de)方🔞式實㊙️現起(qi)來更加簡單(dan),受工頻幹擾(rao)影響小,而且(qiě)使用恒定磁(ci)場勵磁☁️可以(yi)簡化傳感器(qi)結構。 恒定磁(cí)場勵磁最關(guan)鍵的問題就(jiu)是電化學及(jí)其他因素會(huì)在🌈電磁流量(liàng)計測量電極(ji)上産生嚴重(zhòng)的極化現象(xiang),導緻測量電(diàn)極兩端産生(sheng)極化電壓。極(ji)化電壓過大(dà),則會淹沒測(ce)量☔信号産生(shēng)的感應電動(dòng)勢。而交變磁(cí)場勵磁可以(yi)通過不斷變(biàn)換勵磁的方(fang)向來🈲消除電(dian)極表⭕面極化(hua)現象,因此,目(mù)前國👉内外電(dian)磁流⭕量計大(da)多采用交變(bian)磁場勵磁。恒(héng)定磁場勵磁(ci)🙇♀️方式☂️應用于(yú)導電率高、流(liú)體内阻小、而(er)又不産生極(jí)化效應的液(yè)态金屬的流(liu)😄量測量中。 爲(wei)了克服電極(ji)表面極化現(xian)象,目前采用(yong)的方法可分(fen)爲以下兩種(zhǒng)。①從極化電壓(ya)的原理出發(fa),分析兩個電(dian)極🏒上極化電(diàn)壓的相關性(xìng),從根本上消(xiāo)除極化電💰壓(yā)的影響,如差(cha)📧分對比消除(chú)極化電壓法(fa)。但是由于極(ji)化電壓影響(xiǎng)因素多,且其(qi)随機性遠遠(yuan)大于反映🥵流(liú)量信号的感(gǎn)應電動勢🔱,所(suǒ)以其消除極(jí)化的效果✨并(bing)不理想。②另🛀🏻一(yi)種是避開極(ji)化⭕電壓的原(yuán)理,設法在不(bú)影響流💞體感(gǎn)應🌈信号測量(liang)的情況下,将(jiang)極化電壓控(kòng)制在一個穩(wen)定的🈲值,如繼(jì)電器電容反(fan)饋抑制極化(huà)法。浙江大學(xué)提出了一種(zhong)新的方法,該(gai)方法是利☔用(yòng)在電極上施(shī)加快速變化(hua)的交變電場(chang)來抑制極🏃🏻♂️化(hua)電壓,且此🌐交(jiao)變電場隻在(zai)非采樣時間(jian)段内激發。上(shang)海大學提出(chū)了另外一種(zhǒng)反饋的方法(fa),即對測量電(dian)極進行等電(diàn)量動态跟蹤(zong)反饋的方法(fǎ)來消除磁👅鋼(gāng)勵磁電磁流(liú)量計的電極(jí)極化問題。目(mu)前,這種方法(fǎ)是當前恒磁(ci)磁場勵磁方(fāng)法的焦點。 3信(xìn)号處理方法(fǎ)的改良 電磁(ci)流量計通過(guò)采集一段時(shí)間内的電信(xin)号來達到測(cè)量流量的目(mu)的,這樣在測(ce)量過程中不(bu)可避免💋地會(huì)摻雜各種幹(gan)擾信号,因此(cǐ)對信号的檢(jian)測處理🏃🏻♂️方式(shi)的改良就顯(xian)得尤爲重要(yào)。 3.1普通電磁流(liu)量計信号處(chù)理 信号的檢(jiǎn)測處理實際(ji)上就是對信(xìn)号進行放大(da)、采🏃集🌈與💔幹擾(rao)💛抑制。信号方(fang)面的主要集(jí)中在幹擾的(de)抑制上📞。電磁(cí)📐流量計的幹(gàn)擾👈主要包括(kuo)極化電壓的(de)幹擾、工頻幹(gàn)擾、電化學幹(gàn)擾、流體碰撞(zhuàng)幹擾、微分幹(gàn)擾、零點漂移(yí)等。除此以㊙️外(wai),部分發現流(liú)體的不對稱(cheng)流動。電極和(he)勵磁線圈的(de)不對稱也會(huì)産生相應的(de)測👄量誤差。國(guó)内🔴許多機構(gou)在這些方面(mian)作了很多的(de),如上海大學(xue)提出的📞一種(zhong)反饋式信号(hao)放大處理方(fang)法,采用矩形(xing)波勵磁來♉克(ke)服極化電壓(ya)、工頻帶來的(de)幹擾,利用增(zeng)加勵磁頻率(lǜ)或改變勵磁(ci)方式,克服電(diàn)化學幹擾和(hé)流體碰撞管(guan)道時産生的(de)幹擾😄。周真、王(wang)強🌐等人通過(guo)對流量計極(ji)間信号進行(háng)建模來分離(lí)幹擾信号和(he)流量信号,采(cǎi)取提前确定(ding)阈值來進行(hang)偏置調整抑(yi)☔制低頻漂移(yí)産生的幹擾(rǎo),利用數模混(hùn)合最優濾波(bo)法消除微💛分(fèn)幹擾。對于恒(héng)磁勵磁方式(shì)來說,幹擾主(zhǔ)要來源于極(ji)化電壓幹擾(rǎo)以及零點漂(piao)移幹擾,消除(chu)零點漂移幹(gan)擾的方法有(you)電容隔離法(fǎ)、反饋式信号(hao)處理方法和(hé)三次采樣消(xiao)除零點👄漂移(yí)法🤞等。。 3.2電容式(shì)電磁流量計(jì)信号處理 普(pu)通電磁流量(liang)計的電極部(bu)分是以金屬(shu)導體與被💚測(ce)液體接觸,而(er)流體流動時(shí)會對電極産(chan)生碰撞噪聲(shēng)。後來的電容(róng)式電磁流量(liàng)計使電極部(bu)分不與被測(cè)流體直接接(jie)♈觸,而是透過(guo)管壁與流體(ti)的感應電動(dòng)勢産生感應(yīng),從根本上解(jiě)決了雜散噪(zao)聲的問題💚。但(dàn)是由于耦合(he)電容的容抗(kàng)是電容式電(diàn)磁流量計的(de)主要信号内(nei)阻,其耦合電(diàn)容值很小,而(er)内阻很大,測(ce)量得到的信(xin)号信噪比會(huì)很小。爲了獲(huò)取較高的信(xìn)噪比,必須使(shi)用高💛輸入阻(zǔ)抗的前置放(fang)大器和高共(gòng)模抑制🔞比的(de)差動放🈲大器(qi),進🧑🏾🤝🧑🏼行信号的(de)阻抗轉換和(hé)放大。 目前,信(xin)号檢出方法(fa)有兩種:直接(jiē)檢測感應電(dian)壓與💃通過“虛(xū)地”來檢測電(dian)流法。電壓檢(jian)測法技術成(cheng)熟,但是受流(liú)體因素🏃♀️影響(xiang)大。檢測電流(liú)法通過“虛地(di)”與合♉适的電(diàn)阻值來獲得(de)高🔞電勢,通過(guo)Q=CE來計算電容(róng),最後通過微(wei)分得出電流(liú)值。此方法可(kě)從根本上消(xiao)除電🤞容洩漏(lou)電流的影響(xiang),但是這種方(fang)法受耦合電(diàn)容值變化的(de)影響較大,而(er)且電路複雜(zá),一般較少采(cai)用。 互相關檢(jiǎn)測方法是基(jī)于互相關函(hán)數同頻相關(guān),不同頻不相(xiàng)關的性質,通(tong)過互相關運(yun)算,達到濾出(chu)噪聲的🔆效果(guo)。已知📞發送信(xin)号的頻率,就(jiù)可在接收端(duān)發出相同頻(pin)率的‼️參考信(xìn)号,與混亂信(xìn)号進行相關(guān)即可提取出(chū)微弱的測👌量(liang)信号。在後續(xu)的數據處理(lǐ)當中,他們使(shi)用了基于相(xiàng)關檢測原理(li)的旋轉電容(rong)濾💯波器。這種(zhǒng)電路抗幹擾(rao)能力很強,有(you)很高的信噪(zào)比。 由于智能(neng)電磁流量計(ji)的出現,越來(lái)越多的信号(hao)處理技術不(bu)再是單純的(de)電路式濾🐇波(bo),而更多地使(shi)用軟件濾波(bō),比如可以利(lì)♌用Matlab對信号進(jin)行在線處理(li)🈲,以有效地降(jiang)低幹擾,或利(lì)用小波🌍變換(huan)對信号進行(háng)處理以抑制(zhì)幹擾等。 4流量(liang)計的智能化(huà) 随着微處理(lǐ)器的發展,電(diàn)磁流量計也(ye)在朝着智能(neng)❌化方向發展(zhǎn)。其智能化方(fāng)向可分爲信(xìn)号處理智能(neng)🐇化和㊙️控制智(zhi)能化,兩者共(gong)☂️同作用構成(cheng)了智能電磁(ci)流量計。其主(zhǔ)要技術包括(kuo)軟件技術、自(zi)🏃♂️診斷功能、程(cheng)控放大器技(jì)術、微處理器(qi)抗幹擾技術(shu)等。 軟件技術(shu)是信号處理(li)智能化的标(biāo)志,即通過軟(ruǎn)件來🛀🏻控制電(diàn)磁流量計的(de)整個工作過(guo)程。數字濾波(bo)、非📧線性拟合(he)、零點自校正(zheng)是較常見的(de)技術。數字濾(lǜ)波能夠完🍓成(cheng)模拟濾波不(bu)能完成的濾(lǜ)波功能,例如(rú):脈沖幹擾剔(ti)💚除、數字電路(lù)毛刺幹❓擾消(xiāo)除、A/D轉換器的(de)抗工頻以及(ji)确💯保輸入微(wēi)處理器數字(zi)的可靠性。另(ling)外,數據在線(xiàn)分析🚶♀️與數據(jù)重構也是方(fang)向之一,如利(li)用小波變換(huan)分離漿液流(liú)體當中的流(liu)🌐量信号、漿液(yè)信号和利用(yòng)陷波濾波💯器(qi)組的信号處(chu)理方法等。 電(diàn)磁流量計是(shì)無阻擾測量(liàng),其測量電極(jí)與流體接📱觸(chu)後容易發生(sheng)磨損、腐蝕、結(jié)垢等現象,這(zhè)些現象會極(ji)大地影響電(diàn)磁流量計的(de)測量精度。爲(wèi)了便于拆卸(xiè)維護,電磁流(liu)量計增加了(le)自診斷功能(neng)。其功能越來(lai)越多,相繼添(tian)加了😍信号線(xiàn)性度、勵磁電(diàn)路的完整🌈性(xìng)和準确性(包(bāo)括勵磁線圈(quan)電阻和勵磁(ci)電流)、監控和(hé)診斷流程🈲和(hé)環境條件的(de)變化(如液體(tǐ)電導🐪率是否(fǒu)變化,流體中(zhong)氣泡和固體(ti)顆粒含量等(deng))。随後出現一(yī)種無需改變(biàn)電磁☁️流量計(ji)結構就能進(jin)行勵磁電流(liu)異常的自診(zhen)斷技術。 程控(kòng)放大器技術(shù)能夠實現電(diàn)磁流量計量(liàng)程的自動轉(zhuan)換🤩,同時利用(yòng)增益控制方(fāng)法能有效削(xue)弱微分幹擾(rao)峰值使放大(dà)器過載的問(wen)題,便于流量(liang)信号電勢處(chù)理,提高抗微(wei)分幹擾的能(neng)力。 以往的抗(kang)幹擾技術解(jiě)決了輸入與(yǔ)輸出之間的(de)各種幹擾❗問(wen)題,但是當電(diàn)磁流量計引(yin)入智能系統(tong)後,來自微處(chu)📐理器的各種(zhong)幹擾同樣會(huì)影響測量結(jie)果的精度,甚(shèn)至會導緻整(zhěng)個流量測量(liàng)系統跑飛或(huò)崩潰。目前,國(guó)内外常常使(shi)用軟硬件結(jié)合的方式來(lai)提高微處理(li)器的抗幹擾(rao)能力[33,37]。常用的(de)軟件抗幹擾(rǎo)方🏃🏻法有:軟件(jian)指🆚令💔冗餘措(cuò)施、軟件♈陷阱(jing)抗幹擾方法(fa)、軟件“看門狗(gǒu)”技術等🌈。純粹(cuì)的軟件抗幹(gan)擾會浪費大(da)量的CPU功率,所(suo)以先使用⁉️硬(ying)件來消除大(da)部分幹擾。常(cháng)用✔️的硬件抗(kang)幹擾有:光電(diàn)隔離器、接地(di)技術、掉電保(bǎo)護技術等。 5結(jie)束語 近年來(lái),電磁流量計(ji)随着需求的(de)增加不斷發(fā)展。在諸多的(de)🥵電⁉️磁流量計(jì)技術發展當(dang)中,作者認爲(wèi)未來的電磁(cí)流🌈量計發展(zhan)仍然以勵磁(cí)優化、信号處(chù)理技術爲主(zhǔ),同時電磁流(liu)量🈲計将不斷(duan)添加各種智(zhi)能化的功能(neng)以💃🏻應對更多(duō)🌈、更複雜的測(cè)量環境。
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