应用广泛的交流励磁磁场电磁流量计
2008/4/3 11:28:03
（提供： 华东理工大学 自动化系 ，作者：凌志浩教授，吴勤勤教授，张心泉，）
本文发表于国际造纸2006年第6期
华东理工大学 自动化系 凌志浩教授，吴勤勤教授，张心泉 编译
ABB（中国）有限公司仪表产品部 供稿
1 简介
如果要测量的是导电液体的体积流量，那么电磁流量计(EMF)就应该是最佳选择。无需太多思考，所有应用中大约80%可以应用脉冲直流场励磁（磁场线圈励磁类型）技术，比如水的连续流量测量。然而，有一些应用中，由于它们的物理或者流体特性，需要采用具有交流磁场励磁的电磁流量计。除其他应用以外，对具有高的固体含量或者具有非常低的电导率的流体的应用也包含在其中（见图1-1）。
图1-1 脱墨过程中的（DIP）交流磁场电磁流量计
在过去的十多年中，电磁流量计已经在工业上几乎所有工段上得到证实和测试。由于电磁流量计具有光滑无阻力的导管、无附加压降并且易于清洗，因此受到用户的广泛欢迎。测量技术需求的高、低依赖于所采用的工段。例如在造纸机中，为了实施精确操作以对出纸速度进行控制并达到需求的纸张质量，获取纸浆流量的无阻尼、无噪声信号是非常重要的。在水果酸奶生产的混合应用上，产生无峰输出信号是必须的，否则的话将不可能完成水果和“白色结块”酸奶的正确混合。
直流脉冲励磁电磁流量计常常硬生生应用在这些有限制的应用中。其结果就是在过程中产生大噪声或者多峰值的信号，而导致不精确或较差的重复性。
2 电磁流量计操作原理
电磁流量计的测量原理基于法拉第感应定律：导体经过磁场产生电压。该原理适用于导电流体流经由一对磁场线圈产生的垂直于流动方向的磁场时的情况。流体所产生的电压被管径两端相对电极测量。所测信号电压与磁感强度、电极间距和流体速度成比例。由于磁感强度和电极间距固定，因此流动速度和信号电压互成比例。又因为体积流量可以由平均流动速度和流动面积计算而得，因此体积流量和信号电压成线形比例关系。感应电压信号在转换器中被转换成定标的模拟和数字信号。
共有两种磁感线圈励磁类型：直流脉冲和交流型式。（如图2-1所示）。在直流脉冲磁场励磁电磁流量计中，磁场线圈的电流在预定时间间隔处变换极性。由于每个周期电流上升段的变化电流原因，测量窗口被限制在励磁时间的25%，也就是说，流量信号只有在这段时间间隔内才是整定的。这种直流脉冲励磁电磁流量计通常应用在频率在6.25~25Hz之间的情况。
图2-1滞留脉冲磁场励磁和交流磁场励磁的比较
3 更多需求应用
上面提到的脉冲直流磁场励磁电磁流量计受到又限制应用，比如说在多相流体上的应用，如图4-1所示。在图中给出了该流体在电极上的噪声频谱。在脉冲直流场仪表（25Hz内）的操作范围内，噪声含量是最大的。另外，场励磁频率所产生的奇数谐波也必须得到处理。这些也造成了噪音的增加和电磁流量计输出信号的不稳定性。
4 用交流场技术作为补救
交流场励磁电磁流量计的磁感线圈是由交流电源供电的。因为它的励磁频率要比直流脉冲励磁频率要高出很多，所以前面所提到的直流励磁脉冲的局限性就不复存在了，如图2-1。其测量窗口几乎接近100%，即流速整定在励磁跨越零的时候就开始了，而且它还是连续的。而且除了这些优点以外，由于磁感线圈通常工作在线频率下，所以它还具有了对线频噪声信号的增强灵敏性（如图4-1）。交流系统和脉冲直流系统相比来说额外的缺陷就是在精确性上有一定降低。
图4-1多象液体噪音频谱
5 交流场励磁恢复生机
交流场励磁的近期新发展增强了它的性能，重点是消除了交流场励磁系统的缺陷。其中将励磁频率增加到70Hz实现了部分发展(见图4-1中的fNew)，而进一步的发展则是由于采用了带有窄带滤波器的现代数字信号处理技术。为了在精确性上得到显著改善，不但要对转换器进行重新设计，流量计的主体也要进行优化。可以通过再运用一个线圈来测量场强，通过液体温度独立涡流效应来进行补偿。同时，流量计主体接线盒中的所有的校正，和降噪模块都被取消了。
如图5-1所示，交流场电磁流量计FSM4000就是这次优化的产物，抑制噪声的能力得到了改进，精确性从2%改进到了0.5%，同时零点稳定性也得到了惊人的改进。
由于采用了独立于线频率磁感线圈供电电流，因此使得交流场仪表第一次可以由24V直流电压供电。由于经过了各种各样的更新，对向后兼容性作了很多考虑，所以这些新的转换器甚至可以由20年前的仪表进行操作。这些仪表适用的型号范围从DN1到DN1000（1/25”到40”）。流量计的套管可以选择PFA/PTFE/硬或软橡胶或者是特出的”碳化陶瓷”（用于高度研磨流体）材料。对不锈钢仪表主体来说，适用于不同的通过3A认证和EHEDG核准的过程连接。另外，基准规格现在包括的液体最低导电率是20μS/cm或者0.5μS/cm。
图5－1：交流场电磁流量计FSM4000
6 扩展应用系列
由于能够对流量信号进行几乎连续的整定，使得冲击频率高达400冲/分的脉动流（由活塞，震动膜和软管泵产生）实际上都能毫无差错的得到测量。为了在这些场合中应用，脉冲直流场仪器必须在较高的频率下工作（例如25hz），即便这样，脉动流的测量被限制在大约140冲/分以内。
用3.6%的纸浆和5%的空气流体做实验时，误差小于1%。脉冲直流场仪表在这种场合（由于它们没有集成所有信号的能力）应用时表现出两个位数的误差。具有极其低传导性（例如：液糖）和/或具有极端内部噪声（例如：蒸馏水）的流体的测量精度在0.5uS/cm以上。具有在纸浆中高达15%otro或者在泥浆中有高达22% TS的固体组分流体都可以被有效测量。
7 总结
尽管当前优化脉冲直流场系统和交流场电动势系统在解决困难应用问题时已经有了重要的地位。具有脉冲直流场技术的系统（由于没有集成所有信号的能力和较差的信噪比）仍然不能满足整个系统应用系列范围的需求，尤其是在较大直径（> DN200）应用场合激励频率被磁场系统所限制（参考图４-１）。
由于交流场技术上的革新，一些限制（不稳定的零点，比脉冲直流场仪表精度低，非24V直流供电）都被解决。因此FSM4000定义了新的交流场市场标准。
本文发表于国际造纸2006年第6期
华东理工大学 自动化系 凌志浩教授，吴勤勤教授，张心泉 编译
ABB（中国）有限公司仪表产品部 供稿
1 简介
如果要测量的是导电液体的体积流量，那么电磁流量计(EMF)就应该是最佳选择。无需太多思考，所有应用中大约80%可以应用脉冲直流场励磁（磁场线圈励磁类型）技术，比如水的连续流量测量。然而，有一些应用中，由于它们的物理或者流体特性，需要采用具有交流磁场励磁的电磁流量计。除其他应用以外，对具有高的固体含量或者具有非常低的电导率的流体的应用也包含在其中（见图1-1）。
图1-1 脱墨过程中的（DIP）交流磁场电磁流量计
在过去的十多年中，电磁流量计已经在工业上几乎所有工段上得到证实和测试。由于电磁流量计具有光滑无阻力的导管、无附加压降并且易于清洗，因此受到用户的广泛欢迎。测量技术需求的高、低依赖于所采用的工段。例如在造纸机中，为了实施精确操作以对出纸速度进行控制并达到需求的纸张质量，获取纸浆流量的无阻尼、无噪声信号是非常重要的。在水果酸奶生产的混合应用上，产生无峰输出信号是必须的，否则的话将不可能完成水果和“白色结块”酸奶的正确混合。
直流脉冲励磁电磁流量计常常硬生生应用在这些有限制的应用中。其结果就是在过程中产生大噪声或者多峰值的信号，而导致不精确或较差的重复性。
2 电磁流量计操作原理
电磁流量计的测量原理基于法拉第感应定律：导体经过磁场产生电压。该原理适用于导电流体流经由一对磁场线圈产生的垂直于流动方向的磁场时的情况。流体所产生的电压被管径两端相对电极测量。所测信号电压与磁感强度、电极间距和流体速度成比例。由于磁感强度和电极间距固定，因此流动速度和信号电压互成比例。又因为体积流量可以由平均流动速度和流动面积计算而得，因此体积流量和信号电压成线形比例关系。感应电压信号在转换器中被转换成定标的模拟和数字信号。
共有两种磁感线圈励磁类型：直流脉冲和交流型式。（如图2-1所示）。在直流脉冲磁场励磁电磁流量计中，磁场线圈的电流在预定时间间隔处变换极性。由于每个周期电流上升段的变化电流原因，测量窗口被限制在励磁时间的25%，也就是说，流量信号只有在这段时间间隔内才是整定的。这种直流脉冲励磁电磁流量计通常应用在频率在6.25~25Hz之间的情况。
图2-1滞留脉冲磁场励磁和交流磁场励磁的比较
3 更多需求应用
上面提到的脉冲直流磁场励磁电磁流量计受到又限制应用，比如说在多相流体上的应用，如图4-1所示。在图中给出了该流体在电极上的噪声频谱。在脉冲直流场仪表（25Hz内）的操作范围内，噪声含量是最大的。另外，场励磁频率所产生的奇数谐波也必须得到处理。这些也造成了噪音的增加和电磁流量计输出信号的不稳定性。
4 用交流场技术作为补救
交流场励磁电磁流量计的磁感线圈是由交流电源供电的。因为它的励磁频率要比直流脉冲励磁频率要高出很多，所以前面所提到的直流励磁脉冲的局限性就不复存在了，如图2-1。其测量窗口几乎接近100%，即流速整定在励磁跨越零的时候就开始了，而且它还是连续的。而且除了这些优点以外，由于磁感线圈通常工作在线频率下，所以它还具有了对线频噪声信号的增强灵敏性（如图4-1）。交流系统和脉冲直流系统相比来说额外的缺陷就是在精确性上有一定降低。
图4-1多象液体噪音频谱
5 交流场励磁恢复生机
交流场励磁的近期新发展增强了它的性能，重点是消除了交流场励磁系统的缺陷。其中将励磁频率增加到70Hz实现了部分发展(见图4-1中的fNew)，而进一步的发展则是由于采用了带有窄带滤波器的现代数字信号处理技术。为了在精确性上得到显著改善，不但要对转换器进行重新设计，流量计的主体也要进行优化。可以通过再运用一个线圈来测量场强，通过液体温度独立涡流效应来进行补偿。同时，流量计主体接线盒中的所有的校正，和降噪模块都被取消了。
如图5-1所示，交流场电磁流量计FSM4000就是这次优化的产物，抑制噪声的能力得到了改进，精确性从2%改进到了0.5%，同时零点稳定性也得到了惊人的改进。
由于采用了独立于线频率磁感线圈供电电流，因此使得交流场仪表第一次可以由24V直流电压供电。由于经过了各种各样的更新，对向后兼容性作了很多考虑，所以这些新的转换器甚至可以由20年前的仪表进行操作。这些仪表适用的型号范围从DN1到DN1000（1/25”到40”）。流量计的套管可以选择PFA/PTFE/硬或软橡胶或者是特出的”碳化陶瓷”（用于高度研磨流体）材料。对不锈钢仪表主体来说，适用于不同的通过3A认证和EHEDG核准的过程连接。另外，基准规格现在包括的液体最低导电率是20μS/cm或者0.5μS/cm。
图5－1：交流场电磁流量计FSM4000
6 扩展应用系列
由于能够对流量信号进行几乎连续的整定，使得冲击频率高达400冲/分的脉动流（由活塞，震动膜和软管泵产生）实际上都能毫无差错的得到测量。为了在这些场合中应用，脉冲直流场仪器必须在较高的频率下工作（例如25hz），即便这样，脉动流的测量被限制在大约140冲/分以内。
用3.6%的纸浆和5%的空气流体做实验时，误差小于1%。脉冲直流场仪表在这种场合（由于它们没有集成所有信号的能力）应用时表现出两个位数的误差。具有极其低传导性（例如：液糖）和/或具有极端内部噪声（例如：蒸馏水）的流体的测量精度在0.5uS/cm以上。具有在纸浆中高达15%otro或者在泥浆中有高达22% TS的固体组分流体都可以被有效测量。
7 总结
尽管当前优化脉冲直流场系统和交流场电动势系统在解决困难应用问题时已经有了重要的地位。具有脉冲直流场技术的系统（由于没有集成所有信号的能力和较差的信噪比）仍然不能满足整个系统应用系列范围的需求，尤其是在较大直径（> DN200）应用场合激励频率被磁场系统所限制（参考图４-１）。
由于交流场技术上的革新，一些限制（不稳定的零点，比脉冲直流场仪表精度低，非24V直流供电）都被解决。因此FSM4000定义了新的交流场市场标准。