電磁流量(liàng)計發展趨勢(shi) 發布時間:2025-12-15
流(liu)量計是利用(yòng)物理原理實(shí)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(chang)用的🌈流量計(ji)🆚品種之一。電(diàn)磁流量計的(de)理論産生于(yú)20世紀20年代。當(dāng)代電磁流量(liang)計大多以計(ji)算機技術爲(wèi)基👌礎,其功🏃♂️能(néng)随着計算機(ji)的信息😍處理(li)能力、存儲能(neng)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(ge)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(jì)術以及電磁(ci)流量計的智(zhi)能化等。本文(wén)以此爲線索(suo),總結電磁流(liu)量計的發展(zhǎn)曆程㊙️并分析(xi)其發展趨勢(shì)。 1電磁流量計(ji)結構 電磁流(liú)量計是利用(yong)電極與流體(tǐ)構成一個回(hui)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(jing)爲d、橫截面積(jī)爲A的管道中(zhōng)産生一個磁(ci)場強度爲B的(de)磁場。當有流(liú)體經🌏過時會(hui)切割磁感線(xian)而産生感🌈應(yīng)電動勢U,測量(liang)電極接收電(diàn)動勢🐪信号。由(you)公式可計算(suan)其流量。式中(zhōng):Q爲流量;k爲修(xiū)正系數。 由于(yu)傳統的電磁(cí)流量計無法(fa)測量低電導(dǎo)率的流體,且(qie)對摩👉擦、粘附(fu)效應敏感,隻(zhī)能測量流體(tǐ)滿管情況等(deng),因此需要✉️改(gai)變其結構,使(shi)其能夠适應(ying)更複雜的環(huán)境。改變電磁(ci)流量🆚計結構(gou)的主要方法(fǎ)是改變電極(ji)的數♈量和位(wei)置,從而形成(cheng)電容電磁流(liu)量計、非滿管(guan)電磁流量計(ji)等。 1.1電容電磁(cí)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(lǐ)隔離🧡,或者直(zhí)接采用絕緣(yuán)測量管。電極(jí)置于測量管(guan)外面或鑲嵌(qiàn)于測量管内(nei)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(shi)。 電極與被測(cè)流體通過絕(jue)緣管形成檢(jian)測電容,通過(guo)此電容來耦(ou)合流量信号(hào)。其主要的結(jie)構形式按照(zhào)電極的安裝(zhuang)位置可以分(fen)爲兩種:電極(jí)嵌入測量管(guǎn)的絕緣襯裏(li)内部(嵌入式(shì))、電極貼在測(cè)量管外部(外(wai)🚶♀️貼式)。嵌入式(shì)結構與普通(tong)電磁流量計(jì)結構相似,而(ér)外貼式大多(duō)是通過陶瓷(ci)表面金屬化(huà)技術将電極(jí)🛀🏻貼在測量管(guǎn)外。 1.2非滿管電(diàn)磁流量計 普(pu)通的電磁流(liú)量計隻能測(ce)量滿管流的(de)流量,而很多(duo)情⛹🏻♀️況下由于(yu)流量流速很(hen)快,有時充不(bu)滿管道,普通(tōng)的電磁流量(liàng)計不能适用(yong),因此希望電(diàn)磁流量計能(neng)夠進行非滿(man)🎯管流量的測(ce)量。目前市面(miàn)上常見的非(fēi)滿管電磁流(liu)量計有下面(miàn)幾種。 ①多電極(jí)式非滿管電(dian)磁流量計。其(qí)底部是一對(duì)信号💰注入電(dian)✍️極,中間有多(duō)對測量電極(jí),頂端有一個(gè)滿管電極。在(zài)滿管情況下(xià),該流量計與(yu)普通的電磁(cí)流量計的功(gong)能相同🥰,滿管(guǎn)情🍓況下流體(tǐ)的橫截面積(ji)是固定的,此(cǐ)時計算流量(liàng)值隻需要測(ce)量流體💚的流(liu)速即✉️可。當流(liu)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(liú)量計的測量(liàng)方式改成測(cè)量🛀流體流速(su)和液面高度(dù)。信号注入電(diàn)極與在不同(tong)位置的三對(duì)測量電極共(gòng)同工🈲作,用于(yú)測量液位面(mian)的高度和流(liú)體的速度。多(duo)電極式非滿(man)管電磁流量(liang)計結構簡圖(tú)如圖3所示。 ②電(diàn)容式非滿管(guǎn)電磁流量計(ji)。電容式非滿(mǎn)管電磁流量(liang)❌計結構簡圖(tu)如圖4所示。 電(dian)容式非滿管(guan)電磁流量計(jì)就是利用液(ye)位的變化使(shǐ)得電容的極(jí)距發生變化(hua),通過測量發(fa)送電極和檢(jiǎn)測電極之間(jian)❤️的電容耦合(he)值即可測量(liàng)流量值。 ③利用(yòng)阻抗或信号(hào)衰減的非滿(mǎn)管電磁流量(liàng)計。這種結構(gou)🐕的非❄️滿管電(dian)磁流量計是(shi)當前的方向(xiang)之一。其結構(gou)是流量管底(dǐ)部♍貼一對信(xin)号發射電極(ji),在流量管中(zhōng)間貼信号接(jiē)收電極。由于(yú)♋信号在流體(tǐ)中傳播會産(chan)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(jiē)收到的信号(hao)衰減量即可(kě)得知液面高(gāo)度;同時該電(dian)極還能測量(liang)流體切割磁(ci)感線産👄生的(de)電動勢,以此(cǐ)達到測量非(fei)滿管流量的(de)目的。阻抗式(shi)或信号衰減(jiǎn)非滿管電磁(cí)流量計結構(gòu)簡圖如圖5所(suǒ)示。 ④智能化非(fei)滿管電磁流(liu)量計。這種流(liú)量計是電磁(cí)流量🍉計👉智能(néng)☔化發展的方(fang)向之一。使用(yong)兩種接法不(bú)同💃🏻的勵磁線(xian)圈,應用權重(zhong)函數與幾何(he)位置有關的(de)原🔅理,建立♻️液(ye)位的🏒函數關(guān)系,最後通過(guò)在線計算求(qiu)取💔液位。姜玉(yu)🌈林、丁文斌🔞改(gǎi)進了權🥰重函(hán)數與感應電(diàn)勢的計算方(fang)法。對于非滿(man)管流量計來(lai)說,由于其流(liu)體分布與普(pu)通的電磁流(liú)量計不同,因(yīn)此其權重函(hán)數也不同,在(zai)非滿管的情(qíng)況下對其權(quan)重函數進行(háng)有限元數值(zhí)分析,得到不(bú)同液面下的(de)權重函數。 除(chu)此之外還有(yǒu)其他功能的(de)電磁流量計(ji),例如改變信(xin)👄息傳輸通道(dao)将信号線與(yǔ)電源線串在(zai)一起的二🥵進(jìn)制電磁🤞流量(liang)計、用于測量(liàng)渠道的潛水(shuǐ)電磁流量計(jì)、爲了降低功(gōng)耗并提高勵(li)磁效率和靈(ling)敏度的異徑(jing)電磁流💰量計(ji)、用于油水兩(liang)相流流量測(ce)量的分流式(shi)電磁流量計(jì)以及其他電(diàn)磁流量計。 2勵(lì)磁方式的優(you)化 勵磁方式(shì)的選擇影響(xiang)了整個流量(liàng)計系統的精(jing)度、能🚩耗等參(cān)數。因此在電(dian)磁流量計的(de)結構确定之(zhi)後♻️,勵磁💃🏻方式(shì)的選擇尤爲(wei)重要。勵磁方(fāng)式可以分爲(wei)兩🚶♀️種基本形(xíng)式,即采用交(jiāo)變磁場的形(xing)式(包括正弦(xian)波勵磁、矩形(xing)‼️波勵磁、三值(zhí)波勵磁和雙(shuāng)頻矩⛹🏻♀️形波勵(li)磁🏃)和采用恒(heng)定磁場的形(xing)式(包括直流(liú)電源勵磁和(hé)永磁體勵磁(ci))。 2.1交變磁場勵(li)磁 工頻正弦(xian)波是最早應(ying)用于電磁流(liu)量計中的勵(li)磁方式,其測(cè)❓量速度快,受(shòu)電化學反應(yīng)影響小,但是(shi)由于頻率高(gao),容易因爲渦(wo)流産生同相(xiàng)噪聲且微分(fèn)噪聲補償困(kun)難,零點容易(yì)漂移。低頻矩(jǔ)形波勵磁具(ju)有♍實現簡單(dan)、零點穩定、抗(kàng)工頻幹擾等(děng)優點而成爲(wèi)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(du)和對漿液測(ce)💃🏻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(chu)高頻⛹🏻♀️方波勵(lì)磁和雙頻矩(jǔ)形波勵磁。高(gao)頻方波勵磁(cí)或雙頻矩形(xíng)波勵磁雖能(neng)有效克服漿(jiang)液噪聲、流動(dòng)噪聲等幹擾(rao)并提高測量(liàng)速度,但是🏃🏻有(yǒu)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(gòu)提供擁有自(zi)主♻️産權的産(chan)品,相🛀關的文(wén)獻也很少。雖(suī)然雙頻矩形(xíng)波勵磁兼具(jù)高頻測量速(su)度快和低頻(pin)穩定㊙️性好,且(qiě)對流動噪聲(sheng)👉不敏感,但是(shì)由于需要執(zhi)行複雜算法(fǎ),會增加功耗(hao)。劉鐵軍、宮通(tōng)勝在雙頻勵(lì)磁的基礎上(shàng)對其進行了(le)改進,并提出(chū)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(gou)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(heng)定磁場勵磁(ci) 相對于交變(bian)磁場勵磁方(fang)式來說,恒定(ding)磁場勵磁的(de)方式實現起(qǐ)🈲來更加簡單(dān),受工頻幹擾(rao)影響小,而且(qie)使用恒定磁(ci)場勵磁可以(yi)簡化傳感器(qì)結構。 恒定磁(cí)場勵磁最關(guān)鍵的問題就(jiù)是電化學及(ji)其他因素會(hui)在電磁流量(liàng)計測量電極(jí)上産生嚴重(zhòng)的極化現象(xiàng),導緻測㊙️量電(dian)極兩端産生(shēng)極化電壓。極(ji)化電壓過大(dà),則會淹沒測(cè)量🔱信号産生(sheng)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(diàn)極表面極化(huà)現象,因此,目(mu)前國内外電(diàn)磁流量計大(da)多采用交變(bian)磁場勵磁。恒(heng)定磁場勵磁(cí)方式應用于(yú)導電率高⛱️、流(liú)體内阻小、而(ér)又不産生極(ji)化效應的液(ye)态金屬的流(liu)量測量中。 爲(wei)了克服電極(jí)表面極化現(xiàn)象,目前采用(yong)的方法可💘分(fen)⛷️爲以下兩種(zhong)。①從極化電壓(ya)的原理出發(fā),分析兩個電(dian)極上極化電(dian)🈲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(chu)極化電壓法(fa)。但是由于極(jí)化電壓影響(xiǎng)因素多,且其(qí)随機性遠遠(yuan)🙇🏻大于反映流(liú)量信号的感(gan)應電動勢☁️,所(suǒ)以其消除極(ji)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(gan)應信号測量(liàng)的情況下,将(jiāng)極化電壓控(kong)制在一個穩(wěn)定的值,如繼(ji)電器電容反(fan)饋抑制極化(huà)法。浙江🈲大學(xué)提出了一種(zhǒng)新的方法,該(gai)方法是利用(yòng)在電極上施(shi)加快速變化(huà)的交變電場(chang)🔴來抑制極🔅化(huà)電壓,且此🈲交(jiao)變電場隻在(zài)非采樣時間(jiān)段内激發。上(shàng)海大學提出(chu)了另外一種(zhǒng)反💃饋的方法(fa),即對測量電(diàn)極進行等電(diàn)量動态跟蹤(zōng)反饋的方🥵法(fǎ)來消除磁鋼(gāng)勵磁電磁流(liú)🐪量計的電極(ji)極化問題。目(mu)前,這種方法(fǎ)是當前恒磁(ci)磁場勵磁方(fang)法的焦點。 3信(xìn)号處理方法(fa)的改良 電磁(cí)流量計通過(guò)采集一段時(shí)間内的電信(xìn)号來達到測(cè)量📐流量的目(mù)的,這樣在測(ce)量過程中不(bu)可避免地會(huì)摻雜各種幹(gàn)擾信号,因此(cǐ)對信号的檢(jiǎn)測處理方式(shi)的改良就🎯顯(xian)得尤爲重要(yao)。 3.1普通電磁流(liú)量計信号處(chu)理 信号的檢(jian)測處理實際(ji)上就是對信(xìn)号進行放大(da)、采集與幹🔞擾(rǎo)抑制。信号方(fang)面的主要集(ji)中在幹擾的(de)抑制上。電磁(cí)❓流量🎯計的幹(gan)擾🚶♀️主要包括(kuò)極化電壓的(de)幹擾、工頻幹(gan)擾、電化學幹(gan)擾、流體碰撞(zhuàng)幹擾、微分幹(gàn)擾、零點漂移(yí)等。除此以外(wài),部分發現流(liu)體的不對稱(cheng)流動。電極和(he)勵磁線圈的(de)不對稱也會(hui)産生相應的(de)測量誤差。國(guó)内許🈲多機構(gòu)在這些方面(mian)作了很多的(de),如上海大學(xué)🌈提出的一種(zhǒng)反饋式信号(hao)放大處理方(fāng)法🌐,采用矩形(xing)波勵磁來克(ke)服極化電壓(yā)、工頻帶來的(de)幹🌈擾,利用增(zēng)❗加勵磁頻率(lü)或改變勵磁(cí)方式,克服電(dian)化🌏學幹擾和(he)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(jí)間信号進行(hang)建模來分離(lí)幹擾信号和(he)流量信号,采(cǎi)取提前确定(dìng)阈值來進行(háng)偏置調整抑(yì)制低頻漂移(yí)産生的幹擾(rao),利用數模混(hun)合最優濾波(bō)法消除微🥰分(fen)幹擾。對于恒(heng)磁勵磁方式(shi)來說,幹擾主(zhu)要來源于極(ji)化電壓幹擾(rao)以及零點漂(piao)移🧑🏽🤝🧑🏻幹擾💋,消除(chu)零⁉️點漂移幹(gan)擾的方法有(yǒu)電容隔離法(fa)、反饋式信号(hào)處理方法和(hé)三次采樣消(xiāo)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(pǔ)通電磁流量(liàng)計的電極部(bu)分是以金屬(shǔ)導體與被測(cè)🏃🏻♂️液體✂️接😄觸📞,而(ér)流體流動時(shí)會對電極産(chǎn)生碰撞噪聲(shēng)。後來的電容(rong)式電磁流量(liàng)計使電極部(bù)分不與被測(cè)流體🐅直接接(jiē)觸,而是💰透過(guò)管壁與流體(ti)的感應電動(dong)勢産生感應(ying),從根本上解(jie)決了雜散噪(zào)聲的問題🤟。但(dan)是由于耦合(he)電容的容抗(kang)是電容式電(diàn)磁流量計的(de)主要信号内(nei)阻,其耦合電(dian)容值很小,而(ér)内阻很大,測(cè)量得到的信(xin)号信噪比會(huì)很小。爲💞了獲(huo)取較高的信(xìn)噪比,必須使(shǐ)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(he)放大。 目前,信(xin)号檢出方法(fa)有兩種:直接(jie)檢測感應電(diàn)壓與通過✊“虛(xū)地”來檢測電(diàn)流法。電壓檢(jiǎn)測法技術成(chéng)熟,但是受流(liu)體因素影響(xiǎng)大。檢測電流(liu)法通過“虛地(dì)”與合适的電(dian)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(liu)值。此方法可(kě)從根本上消(xiao)除電容洩漏(lòu)電流的影響(xiang),但是這種方(fāng)法受耦合電(diàn)容值變化的(de)影響較大,而(ér)且電路複雜(za),一般較少采(cai)👄用。 互相關檢(jian)測方法是基(jī)于互相關函(hán)數同頻相關(guan),不同頻🔞不相(xiàng)關的性質,通(tong)過互相關運(yùn)算,達到濾出(chu)噪聲的效果(guǒ)🧑🏾🤝🧑🏼。已知發送信(xin)号的頻率,就(jiu)可在接收端(duan)發出相同🏃🏻♂️頻(pín)率的參考信(xin)号,與混亂信(xin)号進行相關(guan)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(shǐ)用了基于相(xiàng)關🚩檢測原理(lǐ)的旋轉電容(róng)濾‼️波器。這種(zhǒng)電路抗幹擾(rǎo)能力很強,有(yǒu)很高的信噪(zào)比。 由于智能(néng)電磁流量計(ji)的出現,越來(lái)越多的信号(hào)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(li)🙇♀️用Matlab對信号進(jìn)行在線處理(li),以有效地降(jiàng)低幹擾,或利(li)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(li)器的發展,電(dian)磁流量計也(ye)在朝着智能(néng)化方向發展(zhǎn)。其智能化方(fāng)向可分爲信(xin)号處理智能(neng)化和控制智(zhì)能化,兩🈲者共(gòng)同作用構成(chéng)了智能電磁(ci)流量計。其主(zhǔ)要技術包括(kuò)軟件技術、自(zi)診斷功能、程(cheng)控放大器技(ji)術、微處理器(qi)抗幹擾技術(shu)等。 軟件技術(shù)是信号處理(lǐ)智能化的标(biao)志,即通過軟(ruan)件來控㊙️制電(dian)磁流量計的(de)整個工作過(guo)程。數字濾波(bō)、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(chéng)模拟濾波不(bu)能完成的濾(lü)波功能,例如(rú):脈沖幹擾剔(tī)除、數字電路(lu)毛刺幹擾消(xiao)除、A/D轉💃🏻換器的(de)抗工頻以及(jí)确保輸入微(wei)處理器數字(zì)的可靠性。另(ling)外🚩,數據在線(xiàn)分💛析與數據(ju)重構也是方(fāng)向之一,如利(lì)用小波變換(huàn)分離漿液流(liu)體當中的流(liu)量信号、漿液(ye)信号和利用(yong)陷波濾波⛷️器(qì)組的信号處(chu)理方法等。 電(dian)磁流量計是(shi)無阻擾測量(liang),其測量電極(jí)與流體接觸(chù)後容👅易發生(sheng)磨損、腐蝕、結(jie)垢等現象,這(zhè)些現象會極(ji)大地影響電(dian)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(xian)性度、勵磁電(diàn)路的完整性(xìng)和準确性(包(bao)括勵磁線圈(quan)電阻和勵磁(cí)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(fou)變化,流體中(zhong)氣泡和固體(ti)顆粒含量等(děng))。随後出現一(yī)種無需改變(bian)電磁流量計(jì)結構就能進(jin)行勵磁電⛷️流(liú)異常的自診(zhen)斷技術。 程控(kòng)放大器技術(shu)能夠實現電(diàn)磁流量計量(liang)程的自動轉(zhuǎn)😘換💚,同時利用(yòng)增益控制方(fang)法能有效削(xue)弱微分幹擾(rǎo)峰值🔱使放大(da)器過載的問(wen)題,便于流量(liang)信号電勢處(chù)理❄️,提高抗微(wēi)分幹擾的能(néng)力。 以往的抗(kang)幹擾技術解(jiě)決了輸入與(yu)輸出之間的(de)各種幹擾🧑🏾🤝🧑🏼問(wèn)😍題,但是當電(diàn)磁流量計引(yǐn)入智能系統(tong)後,來自💰微處(chu)理器⚽的各種(zhǒng)幹擾同樣會(huì)影響測量結(jie)果的精度♋,甚(shèn)至會導緻整(zheng)個流量測量(liàng)系統跑飛或(huo)崩潰。目前,國(guó)内外常常使(shǐ)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(gou)”技術等。純粹(cui)的軟件抗幹(gàn)擾會浪費大(da)量♈的CPU功率,所(suo)以先使用硬(yìng)件來消除大(da)部🏃🏻♂️分幹擾。常(cháng)用㊙️的硬件抗(kàng)幹擾有:光電(diàn)✊隔離器☔、接地(dì)技術、掉電保(bao)護技術等。 5結(jie)束語 近年來(lái),電磁流量計(jì)随着需求的(de)增加不斷發(fa)展。在諸多的(de)‼️電⁉️磁流量計(jì)技術發展當(dāng)中,作者認爲(wei)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(zhì)能化🏃的功能(néng)以應對更多(duo)、更複雜的測(cè)量環境。
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