近來年，隨著現(xiàn)代信息和數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及人類在電子制造技術(shù)方面的升級(jí)，各類電子儀器儀表的產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性以及功能性都得到了非常大的提升，本文所述的管道式電磁流量計(jì)產(chǎn)品的升級(jí)換代也同樣見證著這樣一個(gè)過程。管道式電磁流量計(jì)是一種被廣泛應(yīng)用在各類石化企業(yè)及城市供水、污水處理等工程中，具有結(jié)構(gòu)簡單、寬量程、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。管道式電磁流量計(jì)的精度是體現(xiàn)管道式電磁流量計(jì)產(chǎn)品品質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)，與測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性密切相關(guān)。本文從管道式電磁流量計(jì)的發(fā)展歷史出發(fā)，對(duì)其四個(gè)發(fā)展方向作了一個(gè)較為深入的分析，這四個(gè)方向表現(xiàn)在：管道式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、管道式電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方式、管道式電磁流量計(jì)的信號(hào)處理方式、管道式電磁流量計(jì)的智能化技術(shù)。這四個(gè)方面當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展方向如何，管道式電磁流量計(jì)的未來的發(fā)趨勢(shì)怎樣，本文都有涉及。在智能化技術(shù)不斷發(fā)展和完善的**，未來管道式電磁流量計(jì)仍以勵(lì)磁優(yōu)化、信號(hào)處理技術(shù)為主，同時(shí)又不斷改變管道式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)越來越復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境和滿足測(cè)量要求個(gè)性化的趨勢(shì)。
一、引言
流量計(jì)是利用物理原理實(shí)現(xiàn)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)流體流量測(cè)量的儀器。管道式電磁流量計(jì)具有寬量程、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)川，是當(dāng)前*受歡迎的流量計(jì)品種之一。管道式電磁流量計(jì)的理論產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代[[21O當(dāng)代管道式電磁流量計(jì)大多以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，其功能隨著計(jì)算機(jī)的信息處理能力、存儲(chǔ)能力、運(yùn)算能力和計(jì)算機(jī)的控制功能的增強(qiáng)而增強(qiáng)。管道式電磁流量計(jì)技術(shù)革新的四個(gè)方向值得關(guān)注:管道式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、管道式電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方式、管道式電磁流量計(jì)的信號(hào)處理技術(shù)以及管道式電磁流量計(jì)的智能化等。本文以此為線索，總結(jié)管道式電磁流量計(jì)的發(fā)展歷程并分析其發(fā)展趨勢(shì)。
二、管道式電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)
管道式電磁流量計(jì)是利用電極與流體構(gòu)成一個(gè)回路來測(cè)量回路中產(chǎn)生的電參數(shù)。傳統(tǒng)管道式電磁流量計(jì)測(cè)量原理如圖1所示。電磁線圈在直徑為d、橫截面積為A的管道中產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)。當(dāng)有流體經(jīng)過時(shí)會(huì)切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U，測(cè)量電極接收電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。由公式Q=(1/k)*(UA/Bd)可計(jì)算其流量。式中:Q為流量;k為修正系數(shù)。

由于傳統(tǒng)的管道式電磁流量計(jì)無法測(cè)量低電導(dǎo)率的流體，且對(duì)摩擦、粘附效應(yīng)敏感，只能測(cè)量流體滿管情況等，因此需要改變其結(jié)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境。改變管道式電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)的主要方法是改變電極的數(shù)量和位置，從而形成電容管道式電磁流量計(jì)、非滿管管道式電磁流量計(jì)等。
1.1、電容管道式電磁流量計(jì)
電容式管道式電磁流量計(jì)從根本上解決了電極表面附著、腐蝕、摩擦等問題，其電極與被測(cè)流體間有絕緣襯里隔離，或者直接采用絕緣測(cè)量管。電極置于測(cè)量管外面或鑲嵌于測(cè)量管內(nèi)部。嵌人式管道式電磁流量計(jì)和外貼式管道式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電極與被測(cè)流體通過絕緣管形成檢測(cè)電容，通過此電容來藕合流量信號(hào)。其主要的結(jié)構(gòu)形式按照電極的安裝位置可以分為兩種:電極嵌人測(cè)量管的絕緣襯里內(nèi)部(嵌人式)、電極貼在測(cè)量管外部(外貼式)。嵌入式結(jié)構(gòu)與普通管道式電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)相似，而外貼式大多是通過陶瓷表面金屬化技術(shù)將電極貼在測(cè)量管外。
1.2非滿管管道式電磁流量計(jì)
普通的管道式電磁流量計(jì)只能測(cè)量滿管流的流量，而很多情況下由于流量流速很快，有時(shí)充不滿管道，普通的管道式電磁流量計(jì)不能適用，因此希望管道式電磁流量計(jì)能夠進(jìn)行非滿管流量的測(cè)量。目前市面上常見的非滿管管道式電磁流量計(jì)有下面幾種。
①多電極式非滿管管道式電磁流量計(jì)。其底部是一對(duì)信號(hào)注人電極，中間有多對(duì)測(cè)量電極，頂端有一個(gè)滿管電極。在滿管情況下，該流量計(jì)與普通的管道式電磁流量計(jì)的功能相同，滿管情況下流體的橫截面積是固定的，此時(shí)計(jì)算流量值只需要測(cè)量流體的流速即可。當(dāng)流體非滿管時(shí)，滿管電極檢測(cè)到管道非滿狀態(tài)，利用算法修正測(cè)量值，此時(shí)流量計(jì)的測(cè)量方式改成測(cè)量流體流速和液面高度。信號(hào)注人電極與在不同位置的三對(duì)測(cè)量電極共同工作，用于測(cè)量液位面的高度和流體的速度。多電極式非滿管管道式電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

②電容式非滿管管道式電磁流量計(jì)。電容式非滿管管道式電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

電容式非滿管管道式電磁流量計(jì)就是利用液位的變化使得電容的極距發(fā)生變化，通過測(cè)量發(fā)送電極和檢測(cè)電極之間的電容藕合值即可測(cè)量流量值。
③利用阻抗或信號(hào)衰減研制的非滿管管道式電磁流量計(jì)。這種結(jié)構(gòu)的非滿管管道式電磁流量計(jì)是當(dāng)前國內(nèi)研究的方向之一。其結(jié)構(gòu)是流量管底部貼一對(duì)信號(hào)發(fā)射電極，在流量管中間貼信號(hào)接收電極。由于信號(hào)在流體中傳播會(huì)產(chǎn)生衰減，且傳播時(shí)間越長，衰減越多，因此通過信號(hào)接收電極接收到的信號(hào)衰減量即可得知液面高度;同時(shí)該電極還能測(cè)量流體切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，以此達(dá)到測(cè)量非滿管流量的目的。阻抗式或信號(hào)衰減非滿管管道式電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

④智能化非滿管管道式電磁流量計(jì)。這種流量計(jì)是管道式電磁流量計(jì)智能化發(fā)展的方向之一。使用兩種接法不同的勵(lì)磁線圈，應(yīng)用權(quán)重函數(shù)與幾何位置有關(guān)的原理，建立液位的函數(shù)關(guān)系，*后通過在線計(jì)算求取液位。姜玉林、丁文斌改進(jìn)了權(quán)重函數(shù)與感應(yīng)電勢(shì)的計(jì)算方法。對(duì)于非滿管流量計(jì)來說，由于其流體分布與普通的管道式電磁流量計(jì)不同，因此其權(quán)重函數(shù)也不同，衛(wèi)開夏、李斌在非滿管的情況下對(duì)其權(quán)重函數(shù)進(jìn)行有限元數(shù)值分析，得到不同液面下的權(quán)重函數(shù)。
除此之外還有其他功能的管道式電磁流量計(jì)，例如改變信息傳輸通道將信號(hào)線與電源線串在一起的二進(jìn)制電
磁流量計(jì)、用于測(cè)量渠道的潛水管道式電磁流量計(jì)、為了降低功耗并提高勵(lì)磁效率和靈敏度而設(shè)計(jì)的異徑管道式電磁流量計(jì)、用于油水兩相流流量測(cè)量的分流式管道式電磁流量計(jì)以及其他管道式電磁流量計(jì)。
三、勵(lì)磁方式的優(yōu)化
勵(lì)磁方式的選擇影響了整個(gè)流量計(jì)系統(tǒng)的精度、能耗等參數(shù)。因此在管道式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)確定之后，勵(lì)磁方式的選擇尤為重要。勵(lì)磁方式可以分為兩種基本形式，即采用交變磁場(chǎng)的形式(包括正弦波勵(lì)磁、矩形波勵(lì)磁、三值波勵(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁)和采用恒定磁場(chǎng)的形式(包括直流電源勵(lì)磁和永磁體勵(lì)磁。
2.1 交變磁場(chǎng)勵(lì)磁
工頻正弦波是*早應(yīng)用于管道式電磁流量計(jì)中的勵(lì)磁方式，其測(cè)量速度快，受電化學(xué)反應(yīng)影響小，但是由于頻率高，容易因?yàn)闇u流產(chǎn)生同相噪聲且微分噪聲補(bǔ)償困難，零點(diǎn)容易漂移。低頻矩形波勵(lì)磁具有實(shí)現(xiàn)簡單、零點(diǎn)穩(wěn)定、抗工頻干擾等優(yōu)點(diǎn)而成為流量計(jì)廠商主要采用的勵(lì)磁方式。
隨著實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中對(duì)流體測(cè)量速度和對(duì)漿液測(cè)量精度要求的提高，低頻勵(lì)磁已不能滿足要求，于是國外提出高頻方波勵(lì)磁和雙頻矩形波勵(lì)磁。高頻方波勵(lì)磁或雙頻矩形波勵(lì)磁雖能有效克服漿液噪聲、流動(dòng)噪聲等干擾并提高測(cè)量速度，但是有關(guān)高頻勵(lì)磁部分的核心技術(shù)并未披露。國內(nèi)還沒有廠家能夠提供擁有自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，相關(guān)的文獻(xiàn)也很少。雖然雙頻矩形波勵(lì)磁兼具高頻測(cè)量速度快和低頻穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)流動(dòng)噪聲不敏感，但是由于需要執(zhí)行復(fù)雜算法，會(huì)增加功耗。劉鐵軍、宮通勝在雙頻勵(lì)磁研究的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并提出一種時(shí)分雙頻勵(lì)磁的方法。該方法在兼顧了低頻高頻優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又能夠在很寬的測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)流量的高精度測(cè)量。
2.2恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁
相對(duì)于交變磁場(chǎng)勵(lì)磁方式來說，恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁的方式實(shí)現(xiàn)起來更加簡單，受工頻干擾影響小，而且使用恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁可以簡化傳感器結(jié)構(gòu)。
恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁*關(guān)鍵的問題就是電化學(xué)及其他因素會(huì)在管道式電磁流量計(jì)測(cè)量電極上產(chǎn)生嚴(yán)重的極化現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量電極兩端產(chǎn)生極化電壓。極化電壓過大，則會(huì)淹沒測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。而交變磁場(chǎng)勵(lì)磁可以通過不斷變換勵(lì)磁的方向來消除電極表面極化現(xiàn)象，因此，目前國內(nèi)外管道式電磁流量計(jì)大多采用交變磁場(chǎng)勵(lì)磁。恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁方式應(yīng)用于導(dǎo)電率極高、流體內(nèi)阻極小、而又不產(chǎn)生極化效應(yīng)的液態(tài)金屬的流量測(cè)量中。
為了克服電極表面極化現(xiàn)象，目前采用的方法可分為以下兩種。①從極化電壓的原理出發(fā)，分析兩個(gè)電極上極化電壓的相關(guān)性，從根本上消除極化電壓的影響，如差分對(duì)比消除極化電壓法。但是由于極化電壓影響因素多，且其隨機(jī)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反映流量信號(hào)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，所以其消除極化的效果并不理想。②另一種是避開極化電壓的原理，設(shè)法在不影響流體感應(yīng)信號(hào)測(cè)量的情況下，將極化電壓控制在一個(gè)穩(wěn)定的值，如繼電器電容反饋抑制極化法。浙江大學(xué)提出了一種新的方法，該方法是利用在電極上施加快速變化的交變電場(chǎng)來抑制極化電壓，且此交變電場(chǎng)只在非采樣時(shí)間段內(nèi)激發(fā)。上海大學(xué)提出了另外一種反饋的方法，即對(duì)測(cè)量電極進(jìn)行等電量動(dòng)態(tài)跟蹤反饋的方法來消除磁鋼勵(lì)磁管道式電磁流量計(jì)的電極極化問題。目前，這種方法是當(dāng)前恒磁磁場(chǎng)勵(lì)磁方法研究的焦點(diǎn)。
四、信號(hào)處理方法的改良
管道式電磁流量計(jì)通過采集一段時(shí)間內(nèi)的電信號(hào)來達(dá)到測(cè)量流量的目的，這樣在測(cè)量過程中不可避免地會(huì)摻雜各種干擾信號(hào)，因此對(duì)信號(hào)的檢測(cè)處理方式的改良就顯得尤為重要。
3.1普通管道式電磁流量計(jì)信號(hào)處理
信號(hào)的檢測(cè)處理實(shí)際上就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、采集與干擾抑制。信號(hào)方面的研究主要集中在干擾的抑制上。管道式電磁流量計(jì)的干擾主要包括極化電壓的干擾、工頻干擾、電化學(xué)干擾、流體碰撞干擾、微分干擾、零點(diǎn)漂移等。除此以外，部分研究發(fā)現(xiàn)流體的不對(duì)稱流動(dòng)。電極和勵(lì)磁線圈的不對(duì)稱也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量誤差。國內(nèi)許多機(jī)構(gòu)在這些方面作了很多的研究，如上海大學(xué)提出的一種反饋式信號(hào)放大處理方法，采用矩形波勵(lì)磁來克服極化電壓、工頻帶來的干擾，利用增加勵(lì)磁頻率或改變勵(lì)磁方式，克服電化學(xué)干擾和流體碰撞管道時(shí)產(chǎn)生的干擾。周真、王強(qiáng)等人通過對(duì)流量計(jì)極間信號(hào)進(jìn)行建模來分離干擾信號(hào)和流量信號(hào)，采取提前確定IA值來進(jìn)行偏置調(diào)整抑制低頻漂移產(chǎn)生的干擾，利用數(shù)?；旌?優(yōu)濾波法消除微分干擾。對(duì)于恒磁勵(lì)磁方式來說，干擾主要來源于極化電壓干擾以及零點(diǎn)漂移干擾，消除零點(diǎn)漂移干擾的方法有電容隔離法、反饋式信號(hào)處理方法一和三次采樣消除零點(diǎn)漂移法等。石冰鑫、李景云公布，了一項(xiàng)利用光電傳輸信號(hào)的管道式電磁流量計(jì)，可以有效降低傳輸過程中的干擾。
3.2電容式管道式電磁流量計(jì)信號(hào)處理
普通管道式電磁流量計(jì)的電極部分是以金屬導(dǎo)體與被測(cè)液體接觸，而流體流動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電極產(chǎn)生碰撞噪聲。后來研發(fā)的電容式管道式電磁流量計(jì)使電極部分不與被測(cè)流體直接接觸，而是透過管壁與流體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)，從根本上解決了雜散噪聲的問題。但是由于耦合電容的容抗是電容式管道式電磁流量計(jì)的主要信號(hào)內(nèi)阻，其藕合電容值很小，而內(nèi)阻很大，測(cè)量得到的信號(hào)信噪比會(huì)很小。為了獲取較高的信噪比，必須使用高輸人阻抗的前置放大器和高共模抑制比的差動(dòng)放大器，進(jìn)行信號(hào)的阻抗轉(zhuǎn)換和放大。
目前，信號(hào)檢出方法有兩種:直接檢測(cè)感應(yīng)電壓與通過“虛地”來檢測(cè)電流法。電壓檢測(cè)法技術(shù)成熟，但是受流體因素影響大。檢測(cè)電流法通過“虛地”與合適的電阻值來獲得高電勢(shì)，通過口= CE來計(jì)算電容，*后通過微分得出電流值。此方法可從根本上消除電容泄漏電流的影響，但是這種方法受耦合電容值變化的影響較大，而且電路復(fù)雜，一般較少采用。
盧國峰、王保良等人引人了互相關(guān)檢測(cè)方法。互相關(guān)檢測(cè)方法是墓于互相關(guān)函數(shù)同頻相關(guān)，不同頻不相關(guān)的性質(zhì)，通過互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到濾出噪聲的效果。已知發(fā)送信號(hào)的頻率，就可在接收端發(fā)出相同頻率的參考信號(hào)，與混亂信號(hào)進(jìn)行相關(guān)即可提取出微弱的測(cè)量信號(hào)。在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理當(dāng)中，他們使用了基于相關(guān)檢測(cè)原理的旋轉(zhuǎn)電容濾波器。這種電路抗干擾能力很強(qiáng)，有很高的信噪比。
由于智能管道式電磁流量計(jì)的出現(xiàn)，越來越多的信號(hào)處理技術(shù)不再是單純的電路式濾波，而更多地使用軟件濾波，比如可以利用Matlab對(duì)信號(hào)進(jìn)行在線處理，以有效地降低干擾，或利用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理以抑制干擾等。
五、流量計(jì)的智能化
隨著微處理器的發(fā)展，管道式電磁流量計(jì)也在朝著智能化方向發(fā)展。其智能化方向可分為信號(hào)處理智能化和控制智能化，兩者共同作用構(gòu)成了智能管道式電磁流量計(jì)。其主要技術(shù)包括軟件技術(shù)、自診斷功能、程控放大器技術(shù)、微處理器抗干擾技術(shù)等。
軟件技術(shù)是信號(hào)處理智能化的標(biāo)志，即通過軟件來控制管道式電磁流量計(jì)的整個(gè)工作過程。數(shù)字濾波、非線性擬合、零點(diǎn)自校正是較常見的技術(shù)。數(shù)字濾波能夠完成模擬濾波不能完成的濾波功能，例如:脈沖干擾剔除、數(shù)字電路毛刺干擾消除、A/D轉(zhuǎn)換器的抗工頻以及確保輸人微處理器數(shù)字的可靠性。另外，數(shù)據(jù)在線分析與數(shù)據(jù)重構(gòu)也是其研究方向之一，如利用小波變換分離漿液流體當(dāng)中的流量信號(hào)、漿液信號(hào)和利用陷波濾波器組的信號(hào)處理方法等。
管道式電磁流量計(jì)是無阻擾測(cè)量，其測(cè)量電極與流體接觸后容易發(fā)生磨損、腐蝕、結(jié)垢等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)極大地影響管道式電磁流量計(jì)的測(cè)量精度。為了便于拆卸維護(hù)，管道式電磁流量計(jì)增加了自診斷功能。其功能越來越多，相繼添加了信號(hào)線性度、勵(lì)磁電路的完整性和準(zhǔn)確性(包括勵(lì)磁線圈電阻和勵(lì)磁電流)、監(jiān)控和診斷流程和環(huán)境條件的變化(如液體電導(dǎo)率是否變化，流體中氣泡和固體顆粒含量等。隨后出現(xiàn)一種無需改變管道式電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)就能進(jìn)行勵(lì)磁電流異常的自診斷技術(shù)。
程控放大器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)管道式電磁流量計(jì)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用增益控制方法能有效削弱微分干擾峰值使放大器過載的問題，便于流量信號(hào)電勢(shì)處理，提高抗微分干擾的能力。
以往的抗干擾技術(shù)解決了輸入與輸出之間的各種干擾問題，但是當(dāng)管道式電磁流量計(jì)引入智能系統(tǒng)后，來自微處理器的各種干擾同樣會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精度，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)跑飛或崩潰。目前，國內(nèi)外常常使用軟硬件結(jié)合的方式來提高微處理器的抗干擾能力。常用的軟件抗干擾方法有:軟件指令冗余措施、軟件陷阱抗干擾方法、軟件“看門狗”技術(shù)等。純粹的軟件抗干擾會(huì)浪費(fèi)大量的CPU功率，所以先使用硬件來消除大部分干擾。常用的硬件抗干擾有:光電隔離器、接地技術(shù)、掉電保護(hù)技術(shù)等。
六、結(jié)束語
近年來，管道式電磁流量計(jì)隨著需求的增加不斷發(fā)展。在諸多的管道式電磁流量計(jì)技術(shù)發(fā)展當(dāng)中，作者認(rèn)為未來的管道式電磁流量計(jì)發(fā)展仍然以勵(lì)磁優(yōu)化、信號(hào)處理技術(shù)為主，同時(shí)管道式電磁流量計(jì)將不斷添加各種智能化的功能以應(yīng)對(duì)更多、更復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境。

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