電磁流量計 ( EM F)是利用法拉弟電磁感應定律制成的測量導電液體體積流量的儀表。生活、工業用水和各種酸堿鹽溶液均能測量;特別對固液兩相流的測量 ,與現有各種流量儀表相比 ,性能好 ,適用范圍廣。EMF測量流速范圍在流量儀表中也屬最寬的一種 ,滿量程流量時流速通常為 0. 5～ 10m /s,國外有些產品滿量程最小流速可低到 0. 3m /s。國內仕樂克儀表已生產EMF最大通徑為2600mm。

 

1　 應用概況

1. 1　 國外概況

應用狀況可從當前銷售量和歷年裝用保有量兩方面來考察。1990年日本、西歐、美國 3地區 EMF的銷售量估計在 7萬～ 9. 5萬臺 ,約占流量儀表總銷售臺數 (不包括家用水表和家用煤氣表 )的 4. 5% ～ 6%。1985年前后有人調查英國 72家企業流量儀表裝用情況 ,在1. 7萬余臺裝用儀表中 , EM F占 4. 1% 近年世界范圍 EM F裝用保有量估計在 65萬～ 95萬臺之間。

 

1. 2　 國內概況

我國 1992年 EMF銷售量估計 5 000～7 000臺 ,約占流量儀表總銷售量 (不包括家用水表、家用煤氣表和玻璃管浮子流量計 )的3. 8%～ 4. 6% 。表 1所示某儀表廠近幾年銷售近5000臺EMF的行業分析 ,間接用戶系工程成套和商

業系統 ,無法得悉最終用戶行業流向;直接用戶前 4個行業為冶金、給排水、輕工食品和化工。前幾年冶金工業中有較多 EMF用于高爐風口保護冷卻水泄漏監測和連續鑄造冷卻水流量控制。在給水工程中通徑 1m以上的儀表用于計量原水和出荷清水 ,近年裝用了200余臺。上海為改善居民用水的長江引入工程中原水計量和蘇州河污水治理工程中污水排放 ,裝用了 10余臺通徑 2m的 EMF。在食品工業中有一定數量的 EM F用于啤酒生產過程中的流量控制和計量。

 

2　 技術發展動向

2. 1　 精確度進一步提高

70年代以前 EMF的基本誤差普遍以滿量程 ( FS)的 百 分 率 表 示 ,在 (± 1. 5% ～± 2. 5% ) FS之間; 現在則大部分以測量值(R)的百分率表示 ,在 (± 0. 5%～ ± 1. 0% ) R之間 ,國外有些產品有高達± 0. 2% R 者。然而 ,要達到規定的精確度 ,必須在嚴格的參比條件 (如: 測試液體為水 ,規定較窄范圍的電導率、介質溫度、環境溫度和電源電壓、安裝要求 )下測試。若實際使用條件偏離參比條件 ,誤差有可能超過。對于基本誤差為±0. 2% R者 ,還要求在流量傳感器前后各裝一段直管 ,作為整體一起實流校驗 ,否則不能保證精確度。

 

若是測量固液兩相漿液 ,由于固形物與載體液之間有滑差 ,與用水校驗的流量值會有差別。國外有報告稱 ,固形物含量 14%時誤差為 3% ;我國的研究報告認為 ,測量高含沙量的水流量 ,沙的粒徑為 0. 035mm,含量體積分數在 17% ～ 40%范圍內 ,“含沙量多少對實際過流沒有引起明顯規律性地變化 ,在泥沙模型及管道輸沙試驗中可以按清水率定曲線來計算渾水流量”其流量誤差不會超過3% 。所試驗儀表的基本誤差為± 2. 5% FS。

 

2. 2　 激磁方式多樣化

70年代中期發展起來的低頻矩形波激磁方式具有零點穩定、功率消耗小等優點。到 80年代基本替代早期市電交流激磁方式。然而應用實踐發現低頻矩形波激磁抗流動噪聲和抗漿液噪聲的能力并不理想 ,針對這一缺點 ,出現以下幾種改進的激磁方式。

 

①雙頻率激磁

激磁電流由低頻矩形波和高頻矩形波疊加或串行組成 ,采用兩種頻率采樣 ,得到高頻和低頻兩種流量信號。獲得響應快、抗低頻噪聲能力強和零點穩定的 EMF。

 

②頻率可調整矩形波激磁

德國 Turbo Messtechnik公司 1987年前后推出名為 PKS電磁流量計 ,具有可編程序控制邏輯的激磁控制回路 ,用戶按使用條件在 3～ 125Hz之間設定適合的脈沖頻率。低頻用于大口徑儀表 ,高頻用于小口徑儀表、小容量分裝系統以及測量漿液。該儀表還有鍵控蓄能單元 ,蓄能過程不發生熱損耗 ,功率損耗大大降低。

 

③脈沖交流激磁

1989年前后 Turbo Messtechnik公司又推出 名為 Transmag 的脈 沖交 流激磁 的EMF。流量信號幅值為通常矩形波激磁儀表的 10倍 ,具有較高的信噪比。用戶可根據使用條件在 5. 5～ 16. 6Hz之間預置頻率 ,適用于紙漿、礦漿、甚至含有磁性顆粒的漿液。

 

2. 3　 實現本質安全防爆和采用干電池供電

若進一步提高測量靈敏度和降低激磁功率 ,就有可能實現本質安全防爆和干電池供電。EM F的靈敏度以單位流速產生感應電勢值來表示 ,數值愈低靈敏度愈高。早期交流激磁方式靈敏度設計在 1～ 1. 5mV /( m s- 1) ,低 頻 矩 形 波 激 磁 方 式 則 為 0. 2～ 0. 4mV /m s- 1,現在有些儀表進一步 提高到0. 02～ 0. 04mV /m s - 1 ,所需功率分別從數百瓦特和 10～ 20mW降低到幾拾毫瓦特 ,從而有可能實現本質安全防爆和采用電池供電 ,以及實現二線制。

 

①本質安全防爆型

以前由于激磁功率大 ,只能采用隔爆型 ,即電磁流量傳感器外殼設計得使其內部產生火花或發生爆炸不會傳到外部 ,傳感器結構笨重。現在激磁功率減小了 3～ 4個數量級 ,實現本質安全型 ,即在故障狀態下傳感器內部產生的溫度和火花不會引起外部爆炸性混合物爆炸 ,使傳感器外殼結構設計輕巧。

 

②采用電池供電

國外已有多家制造廠提供電池供電的EMF。例如 ,英國 ABB Kent-Tayler公司的VBC型和 Aguamag的儀表 ,后者采取瞬間供電運行 ,即每隔 15分鐘給激磁線圈通電 6s,電池壽命超過 1a,也可由太陽能電池供電;日本愛知時計電機公司稱 ,其 SW型 EMF內藏電池可連續使用 10a。

 

③二線制儀表

通常 EMF由流量傳感器和轉換器兩部分組成 ,其間以激磁電纜和信號電纜連接 ,即四線制。由于所需激磁功率和測量電路功耗的降低 ,有可能用含源 4～ 20mA DC輸出信號 ,即由 24V DC電源在零信號輸出電流 (即4mA)時提供儀表全部功率。儀表只有兩根輸出信號線對外 ,故稱二線制。

 

        隨著微處理器的發展，電磁流量計也在朝著智能化方向發展。其智能化方向可分為信號處理智能化和控制智能化，兩者共同作用構成了智能電磁流量計。其主要技術包括軟件技術、自診斷功能、程控放大器技術、微處理器抗干擾技術等。

        軟件技術是信號處理智能化的標志，即通過軟件來控制電磁流量計的整個工作過程。數字濾波、非線性擬合、零點自校正是較常見的技術。數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、數字電路毛刺干擾消除、A/D轉換器的抗工頻以及確保輸人微處理器數字的可靠性。另外，數據在線分析與數據重構也是其研究方向之一，如利用小波變換分離漿液流體當中的流量信號、漿液信號和利用陷波濾波器組的信號處理方法等。

       電磁流量計是無阻擾測量，其測量電極與流體接觸后容易發生磨損、腐蝕、結垢等現象，這些現象會極大地影響電磁流量計的測量精度。為了便于拆卸維護，電磁流量計增加了自診斷功能。其功能越來越多，相繼添加了信號線性度、勵磁電路的完整性和準確性(包括勵磁線圈電阻和勵磁電流)、監控和診斷流程和環境條件的變化(如液體電導率是否變化，流體中氣泡和固體顆粒含量等。隨后出現一種無需改變電磁流量計結構就能進行勵磁電流異常的自診斷技術。

         程控放大器技術能夠實現電磁流量計量程的自動轉換，同時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，便于流量信號電勢處理，提高抗微分干擾的能力。

        以往的抗干擾技術解決了輸入與輸出之間的各種干擾問題，但是當電磁流量計引入智能系統后，來自微處理器的各種干擾同樣會影響測量結果的精度，甚至會導致整個流量測量系統跑飛或崩潰。目前，國內外常常使用軟硬件結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”技術等。純粹的軟件抗干擾會浪費大量的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、掉電保護技術等。

 

結束語

        近年來，電磁流量計隨著需求的增加不斷發展。在諸多的電磁流量計技術發展當中，作者認為未來的電磁流量計發展仍然以勵磁優化、信號處理技術為主，同時電磁流量計將不斷添加各種智能化的功能以應對更多、更復雜的測量環境。