流量計是(shi)利用物理原理(lǐ)實現對一段時(shí)間内流體流量(liàng)測量的儀器。電(diàn)磁流量計具有(you)寬量程、耐腐蝕(shí)、結構簡單等優(yōu)點，是當前常用(yòng)的流🌈量❄️計品種(zhǒng)之一。電磁流量(liang)計的理論産生(shēng)于20世紀20年代。當(dāng)✊代電🐅磁流❌量計(jì)大多以計算機(jī)技術爲基礎，其(qí)功能随着⛷️計算(suàn)機🌈的信息♻️處理(lǐ)能力、存儲能力(li)💋、運算能力和計(jì)算機的控制功(gong)能的增強而增(zēng)強。電💋磁流量計(jì)革新的四個方(fang)向值得關注:電(dian)磁流量計的結(jié)構、電磁流量計(ji)的勵磁方式、電(diàn)磁流量計的信(xin)号處理技術以(yǐ)及電磁流量計(jì)的智能化等。本(ben)文以♻️此爲線索(suo)，總結電磁流量(liàng)計的發展曆💃🏻程(chéng)并分析其發展(zhǎn)趨勢。
1電磁流量(liàng)計結構
　　電磁流(liu)量計是利用電(dian)極與流體構成(chéng)一個回路來🌂測(cè)量回路❗中産生(sheng)的電參數。傳統(tong)電磁流量計測(cè)量❤️原理如圖1所(suǒ)示。電磁🐇線圈在(zai)直徑爲d、橫截面(mian)積爲A的管道中(zhōng)🈲産生一個磁場(chǎng)強度爲B的磁場(chǎng)⛱️。當有流體經過(guo)時會切✨割磁感(gan)線✨而産生感應(yīng)電動勢🏃‍♀️U，測量電(dian)極接收電動勢(shi)信号。由公式可(ke)計算其流量。式(shi)中:Q爲流量;k爲修(xiū)正系數。

　　由于傳(chuan)統的電磁流量(liang)計無法測量低(dī)電導率的流體(tǐ)，且對摩✊擦、粘附(fu)效應敏感，隻能(néng)測量流體滿管(guǎn)情況等，因此需(xu)要改變其結構(gou)，使其能夠适應(yīng)更複雜的環境(jing)。改變電☎️磁流量(liang)計結構的主要(yao)✉️方法是改變👈電(dian)極的數量和位(wèi)置，從而形成電(diàn)容電磁流量計(ji)、非🐅滿管電磁流(liu)量計等。
1．1電容電(dian)磁流量計
　　電容(róng)式電磁流量計(ji)從根本上解決(jue)了電極表面附(fù)着、腐蝕☀️、摩擦等(deng)問題，其電極與(yu)被測流體間有(yǒu)絕緣🌈襯裏隔離(lí)，或者🌏直接🙇🏻采用(yòng)絕緣測量管。電(diàn)極置于測量管(guan)外面或鑲嵌于(yu)測量管内部。嵌(qian)入式電磁流量(liang)計和外貼式電(dian)磁流量計的結(jié)構如圖2所示。

　　電(dian)極與被測流體(ti)通過絕緣管形(xing)成檢測電容，通(tōng)過💞此電容來耦(ou)合流量信号。其(qí)主要的結構形(xíng)式按照電極的(de)安㊙️裝位置可💁以(yǐ)分爲兩種:電極(jí)嵌入測量管的(de)絕緣⛷️襯裏内✌️部(bù)(嵌入式)、電極貼(tie)在測量管外部(bu)(外貼式)。嵌入式(shì)結構與普通電(dian)磁流量計結💔構(gou)相似，而外貼式(shì)大多是通過陶(tao)瓷表面金屬化(huà)技術将電極貼(tie)在測量管外。
1．2非(fēi)滿管電磁流量(liàng)計
　　普通的電磁(cí)流量計隻能測(ce)量滿管流的流(liú)量，而很多情況(kuang)下由于流量流(liú)速很快，有時充(chong)不滿管道，普通(tōng)的電磁流量計(ji)不能适用，因此(cǐ)希望電磁流量(liang)計能夠進行非(fēi)滿管流量的測(ce)量。目前市🈲面上(shàng)常見的非滿管(guǎn)電磁流量計有(you)下面幾種。
①多電(dian)極式非滿管電(dian)磁流量計。其底(dǐ)部是一對信号(hao)注入電極，中☂️間(jiān)有多對測量電(dian)極，頂端有一個(gè)滿管電極🌈。在滿(man)管情✂️況下，該流(liu)🏃🏻量計與普通的(de)電磁流量計的(de)功❄️能相同，滿管(guǎn)情況下流體的(de)橫截面積是固(gu)定的，此時計算(suàn)流量值隻需要(yào)🌐測量流體的流(liú)速即💰可。當流體(tǐ)非滿管時，滿管(guan)電極檢測到管(guan)道非滿狀态，利(li)用算法📧修✨正測(cè)量值，此時流量(liàng)計的測量方式(shi)改成測量📱流體(tǐ)流速和液面高(gao)度。信号注入電(diàn)極與在不同位(wèi)置的三對測量(liang)電極共同工作(zuo)，用于測量液位(wei)面的高度和流(liú)體的速度。多電(diàn)極式非滿管電(diàn)磁流量計結構(gou)簡圖如圖3所示(shì)。

②電容式非滿管(guan)電磁流量計。電(diàn)容式非滿管電(diàn)磁流量計結構(gou)簡圖如圖4所示(shì)。

　　電容式非滿管(guan)電磁流量計就(jiù)是利用液位的(de)變化使得電容(rong)的極距發生變(bian)化，通過測量發(fa)送電極和檢測(cè)電極之間的電(dian)容耦合值即可(kě)測量流量值。
③利(lì)用阻抗或信号(hào)衰減的非滿管(guan)電磁流量計。這(zhè)種結構的非滿(mǎn)管電磁流量計(ji)是當前的方向(xiang)之一。其結構是(shi)流量管底部貼(tiē)一對信号發射(she)電極，在流量管(guǎn)中間貼信号接(jie)收電極。由于信(xin)号在流體中傳(chuan)播會産生衰⁉️減(jian)，且傳播時間越(yue)長，衰減越多，因(yin)此通過🐉信号接(jiē)收電極接收到(dao)的信号衰減量(liang)㊙️即可得知液面(miàn)高度;同時該電(diàn)極還能測量流(liu)體切割磁感線(xian)産生的電動🌈勢(shì)，以此達到測量(liàng)非滿管流量的(de)目的。阻抗式或(huo)信号衰減非滿(mǎn)管電磁流量計(ji)結構簡圖如圖(tu)5所示。

④智能化非(fei)滿管電磁流量(liàng)計。這種流量計(ji)是電磁流量計(jì)智能化發展的(de)方向之一。使用(yòng)兩種接法不同(tong)的勵磁線圈，應(yīng)用權重函數與(yǔ)幾何位置有關(guān)的原理，建立液(ye)位的♍函數關系(xì)，最後通過在線(xian)計算求取液位(wei)。姜玉林、丁文斌(bīn)改進了權重函(hán)數與🐅感應電勢(shì)的計算方法。對(duì)于非滿管流量(liàng)計來說，由于其(qí)流體分布與普(pǔ)通的電磁流量(liang)計不同，因此其(qí)權重函數也不(bu)同，在㊙️非滿管的(de)情況下對其權(quan)重函數進行有(you)限元數值分析(xi)，得到不同液面(mian)下的權重函數(shu)。
　　除此之外還有(you)其他功能的電(dian)磁流量計，例如(rú)改變🐕信息傳輸(shū)通道将信号線(xian)與電源線串在(zai)一起的二進制(zhì)電磁🐕流量計、用(yòng)于測量渠道的(de)潛水電磁流量(liàng)計、爲了降低功(gong)耗并提高勵磁(ci)效率和🐉靈敏度(du)的異🔴徑電磁流(liú)量計、用于油水(shuǐ)兩相流流量測(cè)量的分流式電(diàn)磁流量計以及(ji)其他電磁流量(liàng)計。
2勵磁方式的(de)優化
　　勵磁方式(shi)的選擇影響了(le)整個流量計系(xì)統的精度、能耗(hào)等參數。因此在(zài)電磁流量計的(de)結構确定之後(hòu)，勵磁方式的選(xuan)擇尤爲重要。勵(li)磁方式可以分(fèn)爲兩⛷️種基本形(xíng)式，即采用交變(bian)磁場的形式(包(bāo)括正弦波勵磁(cí)、矩形波勵磁、三(san)值波勵磁和雙(shuāng)頻矩形波勵磁(ci))和采用恒定磁(cí)場的形式(包括(kuo)直流電源勵磁(cí)和永磁體勵磁(cí))。
2．1交變磁場勵磁(cí)
　　工頻正弦波是(shì)最早應用于電(diàn)磁流量計中的(de)勵磁方式，其測(ce)量速度快，受電(dian)化學反應影響(xiǎng)小，但是由❗于頻(pín)率高🌈，容易因爲(wei)渦流産生同相(xiang)噪聲且微分噪(zao)聲補償困難，零(ling)點容易漂移。低(di)頻矩形波勵磁(ci)具有實現簡單(dān)🤟、零點穩定、抗工(gōng)頻幹擾等優點(dian)而成爲流量計(ji)廠商主要采用(yong)的勵♊磁方式。
　　随(suí)着實際生産應(ying)用中對流體測(ce)量速度和對漿(jiang)液測量精度要(yao)求的提高，低頻(pin)勵磁已不能滿(mǎn)足要求，于是🏃🏻‍♂️國(guó)外提出高頻方(fāng)波勵磁和雙頻(pin)矩形波勵磁。高(gāo)頻方波勵磁或(huo)雙頻💚矩形波勵(lì)磁雖能有效克(kè)服漿液噪聲、流(liu)動噪聲🏃‍♂️等幹擾(rao)并🌈提高測量速(sù)度，但是🔴有關高(gao)頻勵磁部分的(de)核💞心技術并未(wei)披露。國内還沒(méi)有廠家能夠👅提(ti)供擁有自主♉産(chǎn)權的産品，相關(guan)的文獻也很⭕少(shao)。雖然雙頻矩形(xíng)波勵磁兼具高(gao)頻測量速度快(kuai)和低頻穩定性(xing)好，且對流動噪(zào)聲不敏感，但是(shì)由于需要執行(háng)複雜算法，會增(zēng)加功耗。劉鐵軍(jun1)、宮通勝在雙頻(pin)勵磁的基礎👣上(shang)對其進行了改(gǎi)進，并提☀️出一種(zhǒng)時分雙頻勵磁(cí)的方法。該方法(fǎ)在兼顧了低頻(pin)高頻優點的同(tong)時，又能夠在很(hen)寬的測量範圍(wei)内實現流量的(de)精度高測量。
2．2恒(heng)定磁場勵磁
　　相(xiàng)對于交變磁場(chǎng)勵磁方式來說(shuō)，恒定磁場勵磁(cí)的方🙇‍♀️式實現起(qǐ)來更加簡單，受(shòu)工頻幹擾影響(xiang)小，而且使用恒(heng)定磁場勵磁可(kě)以簡化傳感器(qi)結構。
　　恒定磁場(chang)勵磁最關鍵的(de)問題就是電化(hua)學及其他因素(su)會在電磁流量(liang)計測量電極上(shàng)産生嚴重的極(jí)化現象，導緻測(cè)量電極兩端産(chan)生極化電壓。極(jí)化電壓過大，則(ze)會淹沒測量信(xìn)号産生的感應(ying)電動勢。而交變(biàn)磁場✂️勵磁可以(yi)通過不斷變換(huan)勵磁的方向來(lái)消除電極表面(mian)極化現象，因此(cǐ)，目前國内外電(dian)磁流量計大多(duo)采用交變磁場(chǎng)勵磁。恒定磁場(chǎng)勵磁方式應用(yong)于導電率高、流(liú)體内阻小、而又(you)不産生極化效(xiao)應✨的液态金屬(shu)的流🐅量測量中(zhong)。
　　爲了克服電極(jí)表面極化現象(xiang)，目前采用的方(fang)法可分爲以下(xià)兩種。①從極化電(dian)壓的原理出發(fa)，分析兩個電極(ji)上極化電🔴壓的(de)相關性，從根本(běn)上消除極化電(dian)壓的影響，如差(chà)分對比消除極(jí)化電壓法。但是(shi)由于極化電壓(yā)影響因素多，且(qiě)其随機性遠遠(yuan)大于反映流量(liàng)信号的感應電(dian)動勢，所以其消(xiao)除極化的效果(guo)并不理想。②另一(yi)種是避開極化(hua)電壓的原理，設(she)法在不影響流(liu)體感應信号測(ce)量的情況下，将(jiāng)極化電壓控制(zhì)在一個穩定的(de)值，如繼電器電(dian)容㊙️反饋抑制極(ji)化法。浙江大學(xué)提出了一種新(xīn)的方法，該方法(fǎ)是利用在電極(ji)上施加快速變(bian)化的交變電場(chang)❓來抑制極化電(dian)壓，且此🐅交變電(diàn)場隻在非采樣(yàng)時間段内激發(fā)。上海大學提出(chu)了另外一種反(fǎn)饋的方法，即對(dui)測量電極進行(háng)等電量動态跟(gēn)蹤反饋💰的方法(fa)💋來消除磁鋼勵(lì)磁電磁流量計(ji)的電極極化問(wen)題。目前，這種📧方(fang)法是當前恒磁(cí)磁場勵磁方法(fa)的焦點。
3信号處(chù)理方法的改良(liang)
　　電磁流量計通(tong)過采集一段時(shí)間内的電信号(hao)來達到⛱️測🌂量流(liu)✏️量的目的，這樣(yàng)在測量過程中(zhōng)不可避免⛷️地會(hui)🆚摻雜各種幹擾(rǎo)信号，因此對信(xìn)号的檢測處理(lǐ)方式的🚶改良就(jiù)顯得尤爲重要(yao)。
3．1普通電磁流量(liang)計信号處理
　　信(xin)号的檢測處理(lǐ)實際上就是對(dui)信号進行放大(da)、采集🏒與🌐幹擾🍓抑(yì)制。信号方面的(de)主要集中在幹(gan)擾的抑制上。電(dian)磁流量計的幹(gàn)擾🈲主要包括極(jí)化電壓的幹擾(rao)、工頻幹擾、電🏃‍♂️化(huà)學幹擾、流體👉碰(peng)撞幹擾、微分幹(gan)擾、零點漂移等(deng)。除此以💞外，部分(fen)發現流體的不(bu)對稱流動。電極(jí)和勵磁線圈的(de)不對稱也會産(chan)生相應的測量(liang)誤差。國内許多(duō)機構在這些方(fāng)面作了很多的(de)，如上海大學提(ti)出的一種反饋(kuì)式信号放大處(chù)理方法✏️，采用矩(ju)形波勵磁來☀️克(ke)服極化電壓、工(gōng)頻帶來的幹擾(rǎo)，利用增🌈加勵磁(cí)頻率🈲或改變勵(li)磁方式，克服電(dian)化🐕學幹擾和流(liú)體碰撞管道時(shí)産生的幹擾。周(zhōu)真、王強⛷️等人通(tong)過對☎️流量計極(jí)間信号進行建(jian)模來分離幹擾(rao)信号和流量信(xìn)号，采取✌️提前确(què)👅定阈值來進行(háng)偏置調整抑制(zhì)低頻漂移産生(sheng)的幹擾，利用數(shu)模混合最優濾(lǜ)波法消除微分(fèn)幹擾。對于恒磁(cí)勵磁方式來說(shuo)，幹擾主要來源(yuán)于極化電壓幹(gàn)擾以❗及零點漂(piao)移幹擾，消除零(líng)點漂移幹擾的(de)方法有電容隔(ge)離法、反饋式信(xìn)号處理方法和(hé)三次采🏃‍♀️樣消除(chú)零點漂移法💰等(děng)。。
3．2電容式電磁流(liu)量計信号處理(li)
　　普通電磁流量(liang)計的電極部分(fen)是以金屬導體(tǐ)與被測液🌈體接(jie)🍉觸，而流體流動(dong)時會對電極産(chan)生碰撞噪聲。後(hòu)㊙️來的💋電容式電(diàn)磁流量計使電(diàn)極部分不與被(bèi)測流體直接接(jie)觸，而是透過管(guan)壁與流體的感(gan)應電動勢産生(sheng)📱感應，從根本上(shang)解決了雜散噪(zao)聲的問題㊙️。但是(shì)由于耦合電容(róng)的容抗是電容(rong)式電磁流量計(ji)的主要信号内(nèi)阻，其耦合電容(rong)🤞值很小，而内阻(zǔ)很大🈚，測量得到(dao)的信号信噪比(bi)👈會很小。爲了獲(huò)取較高的信噪(zao)比，必須使用高(gāo)輸入阻抗的前(qián)置放⛱️大器和高(gao)共模抑制比的(de)差動放大器，進(jìn)行信号的阻抗(kàng)💚轉換和放大。
目(mu)前，信号檢出方(fāng)法有兩種:直接(jie)檢測感應電壓(yā)與通✏️過🌏“虛‼️地🌏”來(lai)檢測電流法。電(dian)壓檢測法技術(shu)成熟，但是受流(liú)體因素影響大(dà)。檢📞測電流法通(tōng)過“虛地”與合适(shi)的電阻值來獲(huò)得高電勢，通🌍過(guo)Q=CE來計算電容，最(zui)後通過微分得(dé)出電流🌐值。此方(fāng)法可從根本上(shàng)消除電容洩漏(lòu)電流的影響，但(dàn)是這種方法受(shòu)耦合電容值變(biàn)化的影響㊙️較大(da)，而且電路複雜(za)，一般較少采用(yong)。
　　互相關檢測方(fang)法是基于互相(xiang)關函數同頻相(xiàng)關，不✌️同頻不相(xiang)關的性質，通過(guo)互相關運算，達(dá)到濾出噪聲的(de)效果❤️。已知發送(song)信号的頻率，就(jiu)可在接收端發(fā)出相同頻率的(de)參考信号，與混(hùn)亂信号✍️進行相(xiang)關即可提取出(chū)微弱的測量信(xin)号。在後續的數(shu)據處理當中，他(tā)們使用了基于(yu)相關檢測原理(lǐ)的旋轉電容濾(lü)波器。這種電路(lù)抗幹擾能力很(hěn)強，有很高的信(xìn)噪比。
　　由于智能(neng)電磁流量計的(de)出現，越來越多(duō)的信号處理技(jì)術不再是單純(chun)的電路🐪式濾波(bō)❌，而更多地使用(yòng)軟件濾波，比如(ru)可以利用Matlab對信(xin)号進行在線處(chù)理，以有效地降(jiàng)低幹擾，或利用(yòng)小波變換對信(xìn)号進✌️行處理以(yǐ)抑制幹擾等。
4流(liu)量計的智能化(hua)
　　随着微處理器(qi)的發展，電磁流(liú)量計也在朝着(zhe)智能化方向發(fa)🚶‍♀️展。其智能化方(fang)向可分爲信号(hao)處理智能化和(he)控制智能化，兩(liǎng)者共💃同作用構(gòu)成了智能電磁(cí)流量計。其主要(yào)技術包括軟件(jiàn)💰技術、自診斷功(gong)能、程控放大器(qì)🍉技術、微處理器(qì)抗幹⭐擾技術等(deng)。
軟件技術是信(xìn)号處理智能化(huà)的标志，即通過(guò)軟件來控制🛀🏻電(diàn)磁流量計的整(zheng)個工作過程。數(shù)字濾波、非線性(xing)🥰拟合、零點自校(xiào)正是較常見的(de)技術。數字濾波(bō)能夠完成模拟(ni)🐅濾波不能完成(chéng)的濾波功能，例(li)如:脈沖幹擾剔(ti)除、數字電🥰路毛(máo)刺幹擾消除、A/D轉(zhuan)換器的抗工頻(pin)以及确保輸入(ru)微處理器數字(zi)的可靠性。另外(wai)，數據在線分👌析(xi)與數據重構也(ye)是方向之一，如(rú)⛷️利用小波變換(huàn)分離漿液流體(ti)當中的流量信(xin)号、漿液信号和(he)利用陷波濾波(bō)🤞器組的信号處(chù)理方法等。
　　電磁(cí)流量計是無阻(zǔ)擾測量，其測量(liàng)電極與流體接(jiē)觸⭕後容易發生(sheng)磨損、腐蝕、結垢(gòu)等現象，這些現(xian)象會極大😍地影(yǐng)響電磁流量計(ji)的測量精度。爲(wei)了便于拆卸維(wéi)護，電磁流量計(ji)增加了自✉️診斷(duàn)功能。其功能越(yue)來越多，相繼添(tian)加了信号線性(xìng)度、勵磁電☀️路的(de)完整性和準确(què)性(包括勵磁線(xiàn)圈電阻和勵㊙️磁(ci)電流)、監控⚽和診(zhěn)斷流程和環境(jìng)條件的變化(如(ru)液體電導率是(shì)否變化，流🔞體中(zhōng)氣泡和固體顆(ke)粒含💯量等)。随後(hòu)出現一種無需(xū)改變電磁流量(liang)計結構就能進(jìn)行勵磁電流異(yì)常的✌️自診斷技(jì)術。
程控放大器(qi)技術能夠實現(xiàn)電磁流量計量(liang)程的自動🈲轉換(huàn)，同時利用增益(yì)控制方法能有(you)效削弱微分🍓幹(gan)擾峰值使放✂️大(dà)器過載的問題(ti)，便于流量信号(hao)電👨‍❤️‍👨勢處理，提高(gāo)抗微分幹擾的(de)能力。
　　以往的抗(kang)幹擾技術解決(jué)了輸入與輸出(chū)之間的各種幹(gàn)擾問題，但是當(dang)電磁流量計引(yǐn)入智能系統後(hòu)，來自微處理器(qi)💋的各種幹擾同(tóng)樣會影響測量(liàng)結果的精度，甚(shen)至會導緻整個(gè)流量🛀🏻測量系統(tǒng)跑飛或崩潰。目(mu)前，國内外常常(cháng)🐪使用軟硬件結(jié)合的方式來提(ti)高微處理器的(de)抗幹擾能力［33，37］。常(cháng)用的軟件抗幹(gan)擾方✨法有:軟件(jian)指令冗餘措施(shī)、軟件陷阱抗幹(gàn)擾方法、軟🌈件“看(kàn)門狗”技術等。純(chun)粹的軟件抗幹(gan)擾會浪費大量(liang)🔴的CPU功率，所以先(xian)使用✊硬件來消(xiāo)除大部分幹擾(rǎo)。常用的硬件抗(kàng)幹擾有:光電隔(ge)離器☔、接地技術(shu)、掉電🌈保護🔴技術(shu)等。
5結束語
　　近年(nián)來，電磁流量計(ji)随着需求的增(zeng)加不斷發展。在(zai)諸多的電磁流(liú)量計技術發展(zhǎn)當中，作者認爲(wei)未來的電磁流(liu)🐇量計發展仍然(rán)以勵磁優化、信(xin)号處理技🔞術爲(wei)主，同時電磁流(liú)量計将不斷添(tian)加各種智能化(hua)🔱的功能以應對(duì)更多、更複雜的(de)🥰測量環境。

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