趙俊雨，周 琮，韋子輝，方立德，梁玉嬌

（1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002；2.計量儀器與系統(tǒng)國家地方聯(lián)合工程研究中心，河北 保定 071002）

0 引 言

從20世紀(jì)50年代以來，電磁流量計憑借其精度高［1］、量程寬、反應(yīng)靈敏、耐腐蝕等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于石油、化工、水計量、制藥等行業(yè)，迅速成為實用性最為廣泛的工業(yè)測量儀表之一。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電磁流量計的結(jié)構(gòu)、信號干擾抑制技術(shù)革新成為電磁流量計測量性能提高的重要方向。本文以電磁流量計的結(jié)構(gòu)［2～22］、電磁流量計干擾抑制方法［23～40］為線索，總結(jié)近年來電磁流量計的研究現(xiàn)狀及成果并分析其發(fā)展趨勢，為以后流量計的優(yōu)化、設(shè)計、智能化等工作提供一定的參考與基礎(chǔ)。

1 電磁流量計基本原理

電磁流量計的基本工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)被測液體經(jīng)過測量管內(nèi)部時會在磁場中切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在2 個測量電極之間產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E ＝kBDv，由流量Q ＝πD2v／4 可得流量Q 與感應(yīng)電動勢E的關(guān)系為Q ＝πDE／4kB。其中，E 為感應(yīng)電動勢，k 為常系數(shù)，B為磁感應(yīng)強度，D為管道內(nèi)徑的寬度，v為流體流速。

由于傳統(tǒng)電磁流量計對被測液體有最低導(dǎo)電率的要求，電磁流量計的測量管為絕緣測量管或內(nèi)部襯里有絕緣材料，絕緣襯里限制了被測流體的溫度范圍及流量計的可靠性與適用性。傳統(tǒng)電磁流量計的單電極對是根據(jù)感應(yīng)電壓信號計算整個流動截面處的平均速度，因而，對被測流體流速分布敏感，只能測量滿管流體，測量精度受被測流體的非軸對稱速度分布影響大，因此對直管段要求較高；此外，單一電磁流量計無法精確測量多相流中的導(dǎo)電相速度，尤其是在工業(yè)現(xiàn)場中存在的油水兩相流、油氣兩相流等測量工況下測量結(jié)果會有很大的誤差。因此，需要改變電磁流量計結(jié)構(gòu)、對勵磁方式和信號調(diào)理技術(shù)進行優(yōu)化，使其適應(yīng)更復(fù)雜的測量環(huán)境。

2 電磁流量計結(jié)構(gòu)演化分析

電磁流量計結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方式包括從測量管、勵磁線圈結(jié)構(gòu)、測量電極的位置和數(shù)量等方面進行改變，從而得到適用復(fù)雜工況的電磁流量計。

2.1 非絕緣測量管電磁流量計

電磁流量計絕緣襯里的作用是防止感應(yīng)信號被金屬測量管短路，提高了流量計的測量精度。國內(nèi)的電磁流量計的常見襯里材料有聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、硬橡膠、聚氨酯橡膠、乙烯與四氟氯乙烯共聚物等。但這些絕緣材料在耐磨性、耐高溫、耐氧化性、耐酸堿性等方面不能兼得，電磁流量計的絕緣襯里限制了其測量流體的適用范圍及適用工況，因此希望電磁流量計能突破絕緣襯里和絕緣測量管的限制，采用非絕緣測量管進行流量的測量。

非絕緣測量管電磁流量計［2］的原理是建立流體與非絕緣金屬管壁之間不同的邊界條件。通過施加與流體流量成正比的電壓，在管壁上形成電勢分布，由于電流流過金屬管壁，使得管壁上的電勢分布與流體中的流動信號電勢不同，這就建立了管道與非絕緣金屬管壁之間的邊界條件，這個邊界條件與絕緣襯里同樣起到了防止電流經(jīng)過引起短路的作用。也稱這種新的控制方法為“電勢補償法”［3］。非絕緣測量管電磁流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 非絕緣測量管電磁流量計結(jié)構(gòu)

2.2 不同勵磁線圈形狀的電磁流量計

電磁流量計的勵磁系統(tǒng)是由勵磁線圈、導(dǎo)磁鐵芯和磁軛等部分組成。電磁流量計的磁場特性不僅和勵磁電流大小變化有關(guān)，還深受勵磁線圈的形狀、尺寸大小、匝數(shù)等因素影響。電磁流量計工作磁場的穩(wěn)定性和均勻性是設(shè)計分析勵磁系統(tǒng)最關(guān)鍵的因素。不同的勵磁線圈形狀對電磁流量計工作磁場的影響也各具特點。

2.2.1 典型勵磁線圈

工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的勵磁線圈的形狀主要有圓形線圈、菱形線圈、矩形線圈、馬鞍形線圈等。4 種勵磁線圈的仿真幾何模型如圖2所示。典型的線圈結(jié)構(gòu)仍存在一些不足，如亥姆霍茲線圈中部的工作磁場均勻度較好，而邊緣處磁場卻減弱；菱形勵磁線圈和矩形勵磁線圈產(chǎn)生的工作磁場在電極附近的分布均勻度較差；馬鞍形勵磁線圈的磁場均勻度最好，但輸出感應(yīng)電動勢大小比亥姆霍茲線圈低。

圖2 4 種勵磁線圈仿真幾何模型

2.2.2 E形框架亥姆霍茲線圈

由于勵磁線圈的軸向長度有限，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈產(chǎn)生的磁場是一系列圓形的閉環(huán)。在線圈彎曲的磁場的邊緣處形成非均勻分布的磁場。即電磁場的分布在測量管方向具有邊緣效應(yīng)。Shereliff J A 的數(shù)學(xué)模型［4］中提到當(dāng)勵磁線圈的軸向長度接近測量管半徑的3 倍時，有限磁場的靈敏度接近1。雖然分析了電磁流量計靈敏度與磁場軸向長度之間的關(guān)系，但勵磁線圈沿電極方向的長度仍未分析。

E形框架亥姆霍茲線圈［5］是一種在傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈中加入導(dǎo)磁材料制成的E 形框架來模擬磁場的分布的改進勵磁結(jié)構(gòu)。常用的勵磁裝置亥姆霍茲線圈具有2 個平行排列的線圈，并且測量管中的磁流場是2 個線圈產(chǎn)生的磁場的疊加。為了減少在線圈邊緣漏磁通的影響，Yang H Y等人提出了一種由導(dǎo)磁材料構(gòu)成的E形勵磁框架［6］，如圖3所示。線圈纏繞在E 形框架的中心，整個勵磁裝置由2個彼此相對放置的E 形框架組成。線圈形狀是矩形的，由于E形框架具有高導(dǎo)磁率，磁力線可以集中在E形框架的中心區(qū)域，以提高穿過測量管的磁場的強度和均勻性，并且可以減小激勵裝置的尺寸。其中，E 形框架亥姆霍茲線圈沿著測量管的軸向長度是48 mm，即測量管半徑的3 倍。此種結(jié)構(gòu)具有漏磁小、磁場分布均勻等優(yōu)點?？蓪⒋磐考性跍y量管周圍的區(qū)域以確保有足夠的磁場強度來檢測流量流速信號。

圖3 E形勵磁結(jié)構(gòu)

2.2.3 雙層勵磁線圈

明渠是一種具有自由表面液體流動的渠道。明渠水流也稱為重力流和無壓流，其靠重力作用產(chǎn)生，表面相對壓力為零且具有自由表面，因此，明渠水流流經(jīng)渠道的截面是時刻變化的。明渠電磁流量計的主要設(shè)計問題是通過專門設(shè)計的勵磁線圈來保證測量區(qū)內(nèi)磁場的均勻分布。線圈的設(shè)計還需應(yīng)對干擾電場的邊界效應(yīng)，達(dá)到此需求最簡單的方法是在軸向上增加線圈的長度，但這又增加了線圈的制造成本。雙層勵磁線圈結(jié)構(gòu)為解決明渠電磁流量計的磁場分布問題奠定了基礎(chǔ)。

為了使明渠流量計測量區(qū)磁場達(dá)到最佳均勻性，Watral Z等人［7］將雙層線圈和亥姆霍茲線圈兩種勵磁線圈進行仿真比較，圖4 為雙層勵磁線圈和亥姆霍茲線圈的仿真模型，發(fā)現(xiàn)雙層線圈的設(shè)計要優(yōu)于亥姆霍茲線圈，如果在亥姆霍茲線圈中，在流向方向上使線圈長度增加50%，則得到的磁場分布均勻性與在雙層線圈中相同。因此，雙層勵磁線圈結(jié)構(gòu)相比亥姆霍茲勵磁線圈更適用于明渠電磁流量計。

圖4 2 種勵磁系統(tǒng)的仿真模型

2.3 不同測量電極結(jié)構(gòu)的電磁流量計

根據(jù)電極結(jié)構(gòu)的不同，電磁流量計可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸型電磁流量計使用金屬點電極穿透管壁。非接觸式電磁流量計是將大面積的金屬電極粘貼在測量管上，通過電容耦合的方式獲得感應(yīng)信號，因此，又稱電容式電磁流量計。

2.3.1 非接觸式電磁流量計

非接觸式電磁流量計具有一些突出的優(yōu)點：一方面避免了被測液體與檢測電極直接接觸，解決了檢測電極容易受到液體腐蝕、磨損等問題［8］；選擇合適的襯里材料，電容式電磁流量計也可以實現(xiàn)對漿液型和較高腐蝕性流體的檢測，增大了流量儀表的使用范圍。另一方面，電磁流量計通過電容耦合的方式獲取被測液體流量信號，被測流體與檢測電極之間的耦合電容決定了傳感器的內(nèi)阻；增加耦合電容值可以減小傳感器的內(nèi)阻，降低流量信號檢出難度，從而使被測流體電導(dǎo)率的下限減小。

非接觸式電磁流量計的電極與被測流體間有絕緣襯里隔離或者直接采用絕緣測量管。電極貼于測量管外面或鑲嵌于測量管內(nèi)部［9］。非接觸式電磁流量計利用電極與被測流體通過絕緣襯里形成耦合電容來檢測被測流體流量信號。主要結(jié)構(gòu)形式按電極的安裝位置可分為兩種：電極嵌入測量管絕緣襯里（嵌入式）、電極貼在測量管外（外貼式）。嵌入式電磁流量計和外貼式電磁流量計的結(jié)構(gòu)如圖5所示，嵌入式結(jié)構(gòu)和普通電磁流量計電極結(jié)構(gòu)類似，而外貼式多是采用陶瓷表面金屬化技術(shù)將電極貼在流量計測量管外部。

圖5 2 種非接觸電磁流量計結(jié)構(gòu)

2.3.2 多電極式電磁流量計

通過理論分析［10］發(fā)現(xiàn)，流體測量截面處的速度分布對電磁流量計的測量精度影響十分敏感，所以傳統(tǒng)單對電極電磁流量計測量流體時，要求流速分布是軸對稱的，因此，需要被測流體滿管并具有足夠長的直管段。在管徑較大、流體未滿管或測量條件有限時，單對電極電磁流量計的測量結(jié)果會存在不同程度的誤差，對于非滿管流體和非軸對稱速度分布流體的測量傳統(tǒng)流量計不再適用，多電極式電磁流量計可以通過測量多個點的感應(yīng)電動勢，獲得任意流型下的流體平均流速的表達(dá)式以及測量管內(nèi)流體液面高度，適用于非軸對稱流動和非滿管條件下的流量測量［11，12］。

1）非滿管多電極式電磁流量計［13］。其測量管壁上具有多對電極，其中1對信號注入電極設(shè)置在測量管底部，用于滿管狀態(tài)判別的滿管指示電極設(shè)置在測量管頂部，其余3對電極為測量電極設(shè)置在測量管兩側(cè)，用于管道流體液位和流速信號的測量。當(dāng)對液位進行測量時，將電壓幅值恒定的交流信號施加于信號注入電極上，在流體滿管情況下，該流量計的功能與普通的電磁流量計相同，因為此時流體流經(jīng)橫截面積是固定的，只需根據(jù)感應(yīng)電動勢推出被測流體的流速，進而計算得到流量值。當(dāng)流體未充滿管道時，滿管指示電極檢測到管道流體為非滿管狀態(tài)，并利用算法對測量值進行修正，此時流量計的測量方式則是測量流體流速和非滿管流體液位高度。通過測量管內(nèi)被測液體的耦合，反映液位高度變化的合成信號可以通過3 對測量電極得到，液位高度的準(zhǔn)確測量值是通過轉(zhuǎn)換器將合成信號轉(zhuǎn)換獲得。非滿管多電極電磁流量計結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6 非滿管多電極式電磁流量計結(jié)構(gòu)

2）非軸對稱速度分布多電極式電磁流量計。由于測量截面所在平面內(nèi)管壁的感應(yīng)電動勢積分運算的測量結(jié)果與流體流速分布無關(guān)，因此，多電極式電磁流量計可通過測量多點的感應(yīng)電動勢來測量非軸對稱速度分布下的流體流量。非軸對稱速度分布多電極式電磁流量計按照測量電極個數(shù)可分為四電極式［14］、六電極式［15］、八電極式［16］、十六電極式［17］等。從理論上講電極個數(shù)越多，流體平均流速的測量精度越高，但是從實際生產(chǎn)制作條件與流量計可靠性來說，測量電極數(shù)目不能無限增多，而且隨著電極數(shù)目的增多，測量系統(tǒng)實時性也會降低。

3 電磁流量計干擾抑制方法分析

在電磁流量計的測量過程中，電極采集的流量信號混雜了大量的干擾信號和噪聲。流量信號中的干擾信號根據(jù)產(chǎn)生機理不同可分為3 類，第一類是與電磁流量計的電磁感應(yīng)原理有關(guān)的同相干擾、微分干擾等；第二類是和電化學(xué)作用有關(guān)的漿液噪聲、極化干擾、流動噪聲等；第三類是因外部電路而引起的工頻干擾，可分為串模干擾、共模干擾兩種。

不同勵磁方式對流量計的功耗、精度、實時性等參數(shù)有著重要影響。勵磁方式可分為采用交變磁場和采用恒定磁場2種基本形式，采用交變磁場包括正弦波勵磁、低頻矩形波勵磁、三值矩形波勵磁、雙頻矩形波勵磁、三值梯形波勵磁等方式，采用恒定磁場包括直流電源勵磁和永磁鐵勵磁［21］。

3.1 交變磁場勵磁

最早應(yīng)用在電磁流量計中的勵磁方式是工頻正弦波勵磁［22］，此種電磁流量計測量迅速，這種方式能有效消除電極表面的極化現(xiàn)象，降低電化學(xué)電勢的影響和傳感器內(nèi)阻，但是由于頻率高，會帶來一系列電磁干擾如正交干擾、同相干擾等。矩形波勵磁將直流勵磁和交流勵磁的優(yōu)點結(jié)合起來，既具備交流勵磁極化干擾小的特點，又具有直流勵磁無正交干擾和同相干擾［23］。矩形波勵磁方式采樣時間窗口長且穩(wěn)定，可使流量計的零點穩(wěn)定性得到顯著提高。

矩形波勵磁根據(jù)工作頻率的高低分為低頻矩形波勵磁和高頻矩形波勵磁，低頻勵磁雖然具有零點穩(wěn)定和有效降低電磁干擾的優(yōu)勢，但是會降低傳感器的響應(yīng)速度，不再適用于高速變化流體的測量。高頻勵磁具有響應(yīng)速度快的優(yōu)勢［24］，但存在電磁干擾問題導(dǎo)致測量精度的下降，其測量精度比不上低頻勵磁。隨著工業(yè)生產(chǎn)生活中對流體測量實時性和測量精度的提高，單頻的高頻勵磁和低頻勵磁已經(jīng)不能滿足人們的測量要求，于是國內(nèi)外研究人員將目光投向了雙頻勵磁。世界上第一臺雙頻勵磁電磁流量計結(jié)合低頻矩形波勵磁和高頻矩形波勵磁的優(yōu)點［25］。利用雙頻中低頻抑制測量液體噪聲、保持零點穩(wěn)定性和高頻激勵技術(shù)響應(yīng)速度快的特點在測量被測液體時取得了較好的效果和較快的響應(yīng)速度。之后雙頻勵磁技術(shù)得到快速發(fā)展，衍生了高壓和脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)制低壓勵磁［26］、時分雙頻勵磁［27］、雙頻梯形波勵磁［28］等多種雙頻勵磁形式。時分雙頻勵磁方式不僅兼顧了高頻低頻的優(yōu)點，還提高了流量計的量程比。雙頻梯形波與矩形波相比，梯形波具有穩(wěn)定部分，增加了信號的穩(wěn)定性，可以有效消除差分干擾。與三角波相比，梯形波有上升沿和下降沿，提高了電壓的利用率。雖然雙頻勵磁兼具高頻勵磁響應(yīng)速度快和低頻勵磁穩(wěn)定性好的優(yōu)點，但是雙頻勵磁需要執(zhí)行的算法相比較更為復(fù)雜，這就使得流量計功耗較大［29］?；诳稍偕茉吹拿}沖勵磁電磁流量計的問世降低了電磁流量計的功耗［30］。未來學(xué)者研究的焦點將是雙頻勵磁或者多頻勵磁且功耗低的電磁流量計。

3.2 恒定磁場勵磁

流量計采用恒定磁場勵磁時［31］，其優(yōu)點是磁場強度恒定不變，比交變磁場勵磁更容易實現(xiàn)，流量計結(jié)構(gòu)也更加簡化，受工頻干擾的影響小。恒定磁場勵磁技術(shù)遇到的最關(guān)鍵問題是電化學(xué)作用在測量電極上產(chǎn)生極化電壓，由于電極輸出的流量測量信號和電極極化電壓均為直流信號，導(dǎo)致很難從測量信號中剔除極化電壓干擾信號，甚至極化電壓過大會掩蓋測量信號產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。因此，恒定磁場勵磁方式僅適用于內(nèi)阻極小、導(dǎo)電率極高且不產(chǎn)生極化電壓的特殊液態(tài)金屬的流量測量中。

目前克服電極表面極化的方法可以分為：1）對極化噪聲進行補償。將非勵磁時段極化噪聲用來補償勵磁時段的極化噪聲。2）低通濾波極化噪聲并反饋補償［32］。采用一階低通濾波器剝離極化噪聲，并進行反饋補償。因為低通濾波器會使流量信號發(fā)生畸變，故此方法尚未應(yīng)用于商業(yè)儀表。3）將極化電壓控制在穩(wěn)定值。這是一種避開極化電壓原理的方法，代表方法有繼電器電容反饋抑制極化?；谶@種理念，上海大學(xué)提出了利用動態(tài)反饋控制的方法應(yīng)用在永磁體勵磁的電磁流量計上［33］。浙江大學(xué)將快速變化的交變電場施加在電極上來抑制極化電壓并取得了良好的效果［34］。目前，這種方法是恒磁磁場勵磁方法研究的熱門領(lǐng)域。

4 電磁流量計發(fā)展趨勢

4.1 勵磁技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，對勵磁電流和勵磁信號的控制也越來越精確。勵磁方式將向多頻方向發(fā)展，讓電磁流量計兼具響應(yīng)速度快，零點穩(wěn)定性好，輸出信號穩(wěn)定等優(yōu)點。勵磁頻率也將向智能變換方向發(fā)展，根據(jù)電磁流量計輸出感應(yīng)電勢信號中噪聲的大小來改變勵磁頻率。使電磁流量計不僅具有克服流體噪聲和信號零點漂移的能力，還能估計當(dāng)前流體的漿液濃度值［35，36］。信號處理技術(shù)也不再只依靠電路進行濾波，可以利用MATLAB、快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）或小波變換等軟件處理方式對信號調(diào)理以抑制干擾，提高電磁流量計的勵磁精度。

4.2 復(fù)雜工況組合測量的發(fā)展趨勢

隨著流體測量工況復(fù)雜性的增加，電磁流量計也在朝著與其他方法組合測量的方向發(fā)展［37］。主要有電磁流量計與弧形電導(dǎo)探針組合測量系統(tǒng)［38］、電磁流量計結(jié)合分相法測量液體流量［39］、電磁流量計和電阻層析成像雙模態(tài)系統(tǒng)［40］等。結(jié)合弧形電導(dǎo)探針靈敏度高、探測場分布均勻的優(yōu)點，可以大大提高流體測量的分辨率。分相法的結(jié)合可以提高測量精度，成功地使電磁流量計適用于原始相分布不均勻的氣液兩相流。電磁流量計與電阻層析成像雙模態(tài)系統(tǒng)可利用多維數(shù)據(jù)融合的方法測量油水兩相流的分相體積流量與流速。隨著互相關(guān)算法與多傳感器信息融合技術(shù)的發(fā)展，電磁流量計與其他測量方法組合進行流體計量成為未來發(fā)展的重要研究方向。