防腐型電磁流量計的工作原理及勵磁技術發展和趨勢
點擊次數：3044 發布時間：2021-01-01 12:04:32
摘要: 防腐型電磁流量計因其結構簡單、壓力損失小、可靠性高、精確度高等優點，廣泛應用于工業、農業和民用等領域的流量測量方面，其中的勵磁技術自始至終都是電磁流量計一個非常重要的研究方向。回顧電磁流量計勵磁方式的發展過程，對勵磁方式進行了重點分析，并預測其發展趨勢。
1 防腐型電磁流量計的工作原理和發展歷程
隨著國民經濟的持續發展，企業的生產過程不斷優化，因此需要各種準確的流量計。電磁流量計是用于測量具有一定電導率的液體介質流量的儀表，因其沒有阻礙被測液體流動的部件，所以不易造成管道堵塞，而且其還具有耐腐蝕等眾多優點，所以電磁流量計在石油化工、造紙以及食品等行業有著重要的作用。
1. 1 工作原理
當被測液體流經工作磁場時，由于切割磁力線而在液體中產生感生電勢 E 為:
e = KBDv
式中: K 為儀表常數，B 為磁感應強度，D 為管道內徑，v 為管道內的平均流速。
防腐型電磁流量計主要由傳感器和信號轉換器兩部分組成。傳感器安裝在液體流經的管道上，它將管道內液體流動速度轉換成電壓信號，通過傳輸線將此信號送到轉換器。轉換器則將傳感器送來的流量信號進一步放大處理，轉換成輸出信號，可以就地顯示、遠傳顯示或用于控制。
1. 2 防腐型電磁流量計的發展歷程
英國物理學家法拉*在 1832 年提出，可以利用地球磁場測量英國泰晤士河水的流量，但是由于相關理論和技術儲備不足，*終未獲成功。
隨著對極化現象深入研究以及電子技術的進步， 在 20 世紀 50 年代初，電磁流量計實現了工業化應用。20 世紀 80 年代以來，隨著材料技術的快速發展和微電子技術的不斷進步，使得電磁流量計也不斷趨于完善成熟。現代的電磁流量計采用功能日益強大的微處理器技術，使防腐型電磁流量計的各項性能指標不斷提高。
2 勵磁技術的發展
勵磁系統是電磁流量計重要的核心部分，因為磁場的形式直接決定了液體所感生的流量信號特征。防腐型電磁流量計的抗干擾能力、測量精度都與磁場的形式有很大關聯。勵磁技術主要有以下幾個發展方向。
2. 1 直流勵磁
采用直流勵磁時，被測液體流經的磁場恒定不變，其優點為構造簡單可靠，受交流信號干擾小。但是，由于電極輸出的流量信號和電極極化電壓混疊在一起，而且二者均為直流信號，使得該干擾很難從流量信號中剝離出來，同時極化干擾電壓隨著流體介質的流動狀態和液體溫度的改變而變化。另外，電極上感生電動勢是直流性質，導致被測流體中正負電荷的定向移動，隨著電極附近離子的不斷聚集，*終使傳感器自身內阻增大，影響其測量的準確性。
金屬液體中不存在電解質液體的極化問題且電導率很高，對直流勵磁非常有利。直流勵磁適用于測量特殊的液態金屬。
2. 2 工頻正弦波勵磁
采用工頻正弦勵磁時，直接使用 50 Hz( 或 60 Hz)的工頻市電勵磁，其優點是流量信號為交流性質，能夠有效削弱極化的不良作用，降低電極間等效內阻對測量的不良影響。交流勵磁電路非常簡單，便于提高磁感應強度，提高測量準確度。 交流的工作磁場始終在變化，導致其產生嚴重的正交干擾和同相干擾，此外還存在電磁感應渦流效應、靜電感應、雜散電流等干擾因素，疊加在流量信號中難以去除。
2. 3 高頻正弦波勵磁
非接觸式的電容式防腐型電磁流量計為降低耦合電容的容抗，增加輸出流量信號電壓幅值，所以需要將勵磁頻率提高到幾百赫茲甚至幾千赫茲。被測液體感生電動勢的頻率和信號幅值都有所提高，有利于轉換器提高信噪比。但是，正弦波勵磁所固有的微分干擾和同相干擾，仍然對轉換器零點穩定性有一定的影響。
2. 4 矩形波勵磁
矩形波勵磁同時具備直流勵磁和交流勵磁的優點，即直流勵磁無正交干擾和同相干擾，而交流勵磁的極化干擾小。由于產生正交干擾和同相干擾的根本原因是工作磁場變化過程，如果工作磁場轉換過程足夠快，而且工作磁場保持穩定的采樣時間窗口足夠長，從而避免正交干擾和同相干擾的不良影響，對流量信號進行提取分析，以顯著提高轉換器的零點穩定性。矩形波勵磁又有兩種不同的工作方式，即低頻矩形波勵磁和高頻矩形波勵磁。低頻矩形波勵磁雖然能夠有效地降低各種干擾，但其勵磁周期較長，*終降低了傳感器的響應速度，該方法只適用于流速變化緩慢的液體。高頻矩形波勵磁的響應速度快，但隨之而來的感應干擾問題，導致其精度沒有低頻矩形波勵磁高。
2. 5 雙頻勵磁
雙頻勵磁方式是一種高、低頻矩形波調制波的勵磁方式，其中低頻勵磁是為幫助提高信號放大電路的零點穩定性，而高頻勵磁能降低電極在被測液體介質中所產生的極化電壓，減小流量信號中的波動，同時還能提高測量的響應速度。但其輸出流量信號包括兩種頻率特征，后續處理過于復雜，進而制約了它的發展和推廣。
3 勵磁技術的趨勢
3. 1 勵磁精度進一步提高
工作磁場的精度直接決定了防腐型電磁流量計的誤差。當勵磁電源波動或者勵磁繞組由于溫升而使其電阻變大時，導致磁場大小出現偏差，電磁流量計的誤差變大。隨著電力電子技術的快速發展，對勵磁電流的精確控制已經很容易實現。同時，半導體開關器件的性能不斷提升，新型勵磁電路的效率越來越高，而體積重量則越來越小。
3. 2 降低勵磁功率損耗
部分測量現場沒有提供市電，必須采用電池供電，所以需要進一步降低勵磁功率。當被測液體流速比較穩定時，采用定時勵磁方法，也可以有效地降低勵磁功率，延長電池使用壽命。
4 結語
防腐型電磁流量計在工農業生產過程中有著無可替代的地位，因此電磁流量計的勵磁技術也將伴隨著相關新材料、新工藝以及新的理論和方法的出現，不斷克服各種技術瓶頸和障礙，進一步提高防腐型電磁流量計的測量精度，拓寬測量范圍。
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隨著國民經濟的持續發展，企業的生產過程不斷優化，因此需要各種準確的流量計。電磁流量計是用于測量具有一定電導率的液體介質流量的儀表，因其沒有阻礙被測液體流動的部件，所以不易造成管道堵塞，而且其還具有耐腐蝕等眾多優點，所以電磁流量計在石油化工、造紙以及食品等行業有著重要的作用。
1. 1 工作原理
當被測液體流經工作磁場時，由于切割磁力線而在液體中產生感生電勢 E 為:
e = KBDv
式中: K 為儀表常數，B 為磁感應強度，D 為管道內徑，v 為管道內的平均流速。
防腐型電磁流量計主要由傳感器和信號轉換器兩部分組成。傳感器安裝在液體流經的管道上，它將管道內液體流動速度轉換成電壓信號，通過傳輸線將此信號送到轉換器。轉換器則將傳感器送來的流量信號進一步放大處理，轉換成輸出信號，可以就地顯示、遠傳顯示或用于控制。
1. 2 防腐型電磁流量計的發展歷程
英國物理學家法拉*在 1832 年提出，可以利用地球磁場測量英國泰晤士河水的流量，但是由于相關理論和技術儲備不足，*終未獲成功。
隨著對極化現象深入研究以及電子技術的進步， 在 20 世紀 50 年代初，電磁流量計實現了工業化應用。20 世紀 80 年代以來，隨著材料技術的快速發展和微電子技術的不斷進步，使得電磁流量計也不斷趨于完善成熟。現代的電磁流量計采用功能日益強大的微處理器技術，使防腐型電磁流量計的各項性能指標不斷提高。
2 勵磁技術的發展
勵磁系統是電磁流量計重要的核心部分，因為磁場的形式直接決定了液體所感生的流量信號特征。防腐型電磁流量計的抗干擾能力、測量精度都與磁場的形式有很大關聯。勵磁技術主要有以下幾個發展方向。
2. 1 直流勵磁
采用直流勵磁時，被測液體流經的磁場恒定不變，其優點為構造簡單可靠，受交流信號干擾小。但是，由于電極輸出的流量信號和電極極化電壓混疊在一起，而且二者均為直流信號，使得該干擾很難從流量信號中剝離出來，同時極化干擾電壓隨著流體介質的流動狀態和液體溫度的改變而變化。另外，電極上感生電動勢是直流性質，導致被測流體中正負電荷的定向移動，隨著電極附近離子的不斷聚集，*終使傳感器自身內阻增大，影響其測量的準確性。
金屬液體中不存在電解質液體的極化問題且電導率很高，對直流勵磁非常有利。直流勵磁適用于測量特殊的液態金屬。
2. 2 工頻正弦波勵磁
采用工頻正弦勵磁時，直接使用 50 Hz( 或 60 Hz)的工頻市電勵磁，其優點是流量信號為交流性質，能夠有效削弱極化的不良作用，降低電極間等效內阻對測量的不良影響。交流勵磁電路非常簡單，便于提高磁感應強度，提高測量準確度。 交流的工作磁場始終在變化，導致其產生嚴重的正交干擾和同相干擾，此外還存在電磁感應渦流效應、靜電感應、雜散電流等干擾因素，疊加在流量信號中難以去除。
2. 3 高頻正弦波勵磁
非接觸式的電容式防腐型電磁流量計為降低耦合電容的容抗，增加輸出流量信號電壓幅值，所以需要將勵磁頻率提高到幾百赫茲甚至幾千赫茲。被測液體感生電動勢的頻率和信號幅值都有所提高，有利于轉換器提高信噪比。但是，正弦波勵磁所固有的微分干擾和同相干擾，仍然對轉換器零點穩定性有一定的影響。
2. 4 矩形波勵磁
矩形波勵磁同時具備直流勵磁和交流勵磁的優點，即直流勵磁無正交干擾和同相干擾，而交流勵磁的極化干擾小。由于產生正交干擾和同相干擾的根本原因是工作磁場變化過程，如果工作磁場轉換過程足夠快，而且工作磁場保持穩定的采樣時間窗口足夠長，從而避免正交干擾和同相干擾的不良影響，對流量信號進行提取分析，以顯著提高轉換器的零點穩定性。矩形波勵磁又有兩種不同的工作方式，即低頻矩形波勵磁和高頻矩形波勵磁。低頻矩形波勵磁雖然能夠有效地降低各種干擾，但其勵磁周期較長，*終降低了傳感器的響應速度，該方法只適用于流速變化緩慢的液體。高頻矩形波勵磁的響應速度快，但隨之而來的感應干擾問題，導致其精度沒有低頻矩形波勵磁高。
2. 5 雙頻勵磁
雙頻勵磁方式是一種高、低頻矩形波調制波的勵磁方式，其中低頻勵磁是為幫助提高信號放大電路的零點穩定性，而高頻勵磁能降低電極在被測液體介質中所產生的極化電壓，減小流量信號中的波動，同時還能提高測量的響應速度。但其輸出流量信號包括兩種頻率特征，后續處理過于復雜，進而制約了它的發展和推廣。
3 勵磁技術的趨勢
3. 1 勵磁精度進一步提高
工作磁場的精度直接決定了防腐型電磁流量計的誤差。當勵磁電源波動或者勵磁繞組由于溫升而使其電阻變大時，導致磁場大小出現偏差，電磁流量計的誤差變大。隨著電力電子技術的快速發展，對勵磁電流的精確控制已經很容易實現。同時，半導體開關器件的性能不斷提升，新型勵磁電路的效率越來越高，而體積重量則越來越小。
3. 2 降低勵磁功率損耗
部分測量現場沒有提供市電，必須采用電池供電，所以需要進一步降低勵磁功率。當被測液體流速比較穩定時，采用定時勵磁方法，也可以有效地降低勵磁功率，延長電池使用壽命。
4 結語
防腐型電磁流量計在工農業生產過程中有著無可替代的地位，因此電磁流量計的勵磁技術也將伴隨著相關新材料、新工藝以及新的理論和方法的出現，不斷克服各種技術瓶頸和障礙，進一步提高防腐型電磁流量計的測量精度，拓寬測量范圍。