應用廣泛的交流勵磁磁場電磁流量計
2008/4/3 11:28:03
（提供： 華東理工大學 自動化系 ，作者：凌志浩教授，吳勤勤教授，張心泉，）
本文發表于國際造紙2006年第6期
華東理工大學 自動化系 凌志浩教授，吳勤勤教授，張心泉 編譯
ABB（中國）有限公司儀表產品部 供稿
1 簡介
如果要測量的是導電液體的體積流量，那么電磁流量計(EMF)就應該是最佳選擇。無需太多思考，所有應用中大約80%可以應用脈沖直流場勵磁（磁場線圈勵磁類型）技術，比如水的連續流量測量。然而，有一些應用中，由于它們的物理或者流體特性，需要采用具有交流磁場勵磁的電磁流量計。除其他應用以外，對具有高的固體含量或者具有非常低的電導率的流體的應用也包含在其中（見圖1-1）。
圖1-1 脫墨過程中的（DIP）交流磁場電磁流量計
在過去的十多年中，電磁流量計已經在工業上幾乎所有工段上得到證實和測試。由于電磁流量計具有光滑無阻力的導管、無附加壓降并且易于清洗，因此受到用戶的廣泛歡迎。測量技術需求的高、低依賴于所采用的工段。例如在造紙機中，為了實施精確操作以對出紙速度進行控制并達到需求的紙張質量，獲取紙漿流量的無阻尼、無噪聲信號是非常重要的。在水果酸奶生產的混合應用上，產生無峰輸出信號是必須的，否則的話將不可能完成水果和“白色結塊”酸奶的正確混合。
直流脈沖勵磁電磁流量計常常硬生生應用在這些有限制的應用中。其結果就是在過程中產生大噪聲或者多峰值的信號，而導致不精確或較差的重復性。
2 電磁流量計操作原理
電磁流量計的測量原理基于法拉第感應定律：導體經過磁場產生電壓。該原理適用于導電流體流經由一對磁場線圈產生的垂直于流動方向的磁場時的情況。流體所產生的電壓被管徑兩端相對電極測量。所測信號電壓與磁感強度、電極間距和流體速度成比例。由于磁感強度和電極間距固定，因此流動速度和信號電壓互成比例。又因為體積流量可以由平均流動速度和流動面積計算而得，因此體積流量和信號電壓成線形比例關系。感應電壓信號在轉換器中被轉換成定標的模擬和數字信號。
共有兩種磁感線圈勵磁類型：直流脈沖和交流型式。（如圖2-1所示）。在直流脈沖磁場勵磁電磁流量計中，磁場線圈的電流在預定時間間隔處變換極性。由于每個周期電流上升段的變化電流原因，測量窗口被限制在勵磁時間的25%，也就是說，流量信號只有在這段時間間隔內才是整定的。這種直流脈沖勵磁電磁流量計通常應用在頻率在6.25~25Hz之間的情況。
圖2-1滯留脈沖磁場勵磁和交流磁場勵磁的比較
3 更多需求應用
上面提到的脈沖直流磁場勵磁電磁流量計受到又限制應用，比如說在多相流體上的應用，如圖4-1所示。在圖中給出了該流體在電極上的噪聲頻譜。在脈沖直流場儀表（25Hz內）的操作范圍內，噪聲含量是最大的。另外，場勵磁頻率所產生的奇數諧波也必須得到處理。這些也造成了噪音的增加和電磁流量計輸出信號的不穩定性。
4 用交流場技術作為補救
交流場勵磁電磁流量計的磁感線圈是由交流電源供電的。因為它的勵磁頻率要比直流脈沖勵磁頻率要高出很多，所以前面所提到的直流勵磁脈沖的局限性就不復存在了，如圖2-1。其測量窗口幾乎接近100%，即流速整定在勵磁跨越零的時候就開始了，而且它還是連續的。而且除了這些優點以外，由于磁感線圈通常工作在線頻率下，所以它還具有了對線頻噪聲信號的增強靈敏性（如圖4-1）。交流系統和脈沖直流系統相比來說額外的缺陷就是在精確性上有一定降低。
圖4-1多象液體噪音頻譜
5 交流場勵磁恢復生機
交流場勵磁的近期新發展增強了它的性能，重點是消除了交流場勵磁系統的缺陷。其中將勵磁頻率增加到70Hz實現了部分發展(見圖4-1中的fNew)，而進一步的發展則是由于采用了帶有窄帶濾波器的現代數字信號處理技術。為了在精確性上得到顯著改善，不但要對轉換器進行重新設計，流量計的主體也要進行優化。可以通過再運用一個線圈來測量場強，通過液體溫度獨立渦流效應來進行補償。同時，流量計主體接線盒中的所有的校正，和降噪模塊都被取消了。
如圖5-1所示，交流場電磁流量計FSM4000就是這次優化的產物，抑制噪聲的能力得到了改進，精確性從2%改進到了0.5%，同時零點穩定性也得到了驚人的改進。
由于采用了獨立于線頻率磁感線圈供電電流，因此使得交流場儀表第一次可以由24V直流電壓供電。由于經過了各種各樣的更新，對向后兼容性作了很多考慮，所以這些新的轉換器甚至可以由20年前的儀表進行操作。這些儀表適用的型號范圍從DN1到DN1000（1/25”到40”）。流量計的套管可以選擇PFA/PTFE/硬或軟橡膠或者是特出的”碳化陶瓷”（用于高度研磨流體）材料。對不銹鋼儀表主體來說，適用于不同的通過3A認證和EHEDG核準的過程連接。另外，基準規格現在包括的液體最低導電率是20μS/cm或者0.5μS/cm。
圖5－1：交流場電磁流量計FSM4000
6 擴展應用系列
由于能夠對流量信號進行幾乎連續的整定，使得沖擊頻率高達400沖/分的脈動流（由活塞，震動膜和軟管泵產生）實際上都能毫無差錯的得到測量。為了在這些場合中應用，脈沖直流場儀器必須在較高的頻率下工作（例如25hz），即便這樣，脈動流的測量被限制在大約140沖/分以內。
用3.6%的紙漿和5%的空氣流體做實驗時，誤差小于1%。脈沖直流場儀表在這種場合（由于它們沒有集成所有信號的能力）應用時表現出兩個位數的誤差。具有極其低傳導性（例如：液糖）和/或具有極端內部噪聲（例如：蒸餾水）的流體的測量精度在0.5uS/cm以上。具有在紙漿中高達15%otro或者在泥漿中有高達22% TS的固體組分流體都可以被有效測量。
7 總結
盡管當前優化脈沖直流場系統和交流場電動勢系統在解決困難應用問題時已經有了重要的地位。具有脈沖直流場技術的系統（由于沒有集成所有信號的能力和較差的信噪比）仍然不能滿足整個系統應用系列范圍的需求，尤其是在較大直徑（> DN200）應用場合激勵頻率被磁場系統所限制（參考圖４-１）。
由于交流場技術上的革新，一些限制（不穩定的零點，比脈沖直流場儀表精度低，非24V直流供電）都被解決。因此FSM4000定義了新的交流場市場標準。
本文發表于國際造紙2006年第6期
華東理工大學 自動化系 凌志浩教授，吳勤勤教授，張心泉 編譯
ABB（中國）有限公司儀表產品部 供稿
1 簡介
如果要測量的是導電液體的體積流量，那么電磁流量計(EMF)就應該是最佳選擇。無需太多思考，所有應用中大約80%可以應用脈沖直流場勵磁（磁場線圈勵磁類型）技術，比如水的連續流量測量。然而，有一些應用中，由于它們的物理或者流體特性，需要采用具有交流磁場勵磁的電磁流量計。除其他應用以外，對具有高的固體含量或者具有非常低的電導率的流體的應用也包含在其中（見圖1-1）。
圖1-1 脫墨過程中的（DIP）交流磁場電磁流量計
在過去的十多年中，電磁流量計已經在工業上幾乎所有工段上得到證實和測試。由于電磁流量計具有光滑無阻力的導管、無附加壓降并且易于清洗，因此受到用戶的廣泛歡迎。測量技術需求的高、低依賴于所采用的工段。例如在造紙機中，為了實施精確操作以對出紙速度進行控制并達到需求的紙張質量，獲取紙漿流量的無阻尼、無噪聲信號是非常重要的。在水果酸奶生產的混合應用上，產生無峰輸出信號是必須的，否則的話將不可能完成水果和“白色結塊”酸奶的正確混合。
直流脈沖勵磁電磁流量計常常硬生生應用在這些有限制的應用中。其結果就是在過程中產生大噪聲或者多峰值的信號，而導致不精確或較差的重復性。
2 電磁流量計操作原理
電磁流量計的測量原理基于法拉第感應定律：導體經過磁場產生電壓。該原理適用于導電流體流經由一對磁場線圈產生的垂直于流動方向的磁場時的情況。流體所產生的電壓被管徑兩端相對電極測量。所測信號電壓與磁感強度、電極間距和流體速度成比例。由于磁感強度和電極間距固定，因此流動速度和信號電壓互成比例。又因為體積流量可以由平均流動速度和流動面積計算而得，因此體積流量和信號電壓成線形比例關系。感應電壓信號在轉換器中被轉換成定標的模擬和數字信號。
共有兩種磁感線圈勵磁類型：直流脈沖和交流型式。（如圖2-1所示）。在直流脈沖磁場勵磁電磁流量計中，磁場線圈的電流在預定時間間隔處變換極性。由于每個周期電流上升段的變化電流原因，測量窗口被限制在勵磁時間的25%，也就是說，流量信號只有在這段時間間隔內才是整定的。這種直流脈沖勵磁電磁流量計通常應用在頻率在6.25~25Hz之間的情況。
圖2-1滯留脈沖磁場勵磁和交流磁場勵磁的比較
3 更多需求應用
上面提到的脈沖直流磁場勵磁電磁流量計受到又限制應用，比如說在多相流體上的應用，如圖4-1所示。在圖中給出了該流體在電極上的噪聲頻譜。在脈沖直流場儀表（25Hz內）的操作范圍內，噪聲含量是最大的。另外，場勵磁頻率所產生的奇數諧波也必須得到處理。這些也造成了噪音的增加和電磁流量計輸出信號的不穩定性。
4 用交流場技術作為補救
交流場勵磁電磁流量計的磁感線圈是由交流電源供電的。因為它的勵磁頻率要比直流脈沖勵磁頻率要高出很多，所以前面所提到的直流勵磁脈沖的局限性就不復存在了，如圖2-1。其測量窗口幾乎接近100%，即流速整定在勵磁跨越零的時候就開始了，而且它還是連續的。而且除了這些優點以外，由于磁感線圈通常工作在線頻率下，所以它還具有了對線頻噪聲信號的增強靈敏性（如圖4-1）。交流系統和脈沖直流系統相比來說額外的缺陷就是在精確性上有一定降低。
圖4-1多象液體噪音頻譜
5 交流場勵磁恢復生機
交流場勵磁的近期新發展增強了它的性能，重點是消除了交流場勵磁系統的缺陷。其中將勵磁頻率增加到70Hz實現了部分發展(見圖4-1中的fNew)，而進一步的發展則是由于采用了帶有窄帶濾波器的現代數字信號處理技術。為了在精確性上得到顯著改善，不但要對轉換器進行重新設計，流量計的主體也要進行優化。可以通過再運用一個線圈來測量場強，通過液體溫度獨立渦流效應來進行補償。同時，流量計主體接線盒中的所有的校正，和降噪模塊都被取消了。
如圖5-1所示，交流場電磁流量計FSM4000就是這次優化的產物，抑制噪聲的能力得到了改進，精確性從2%改進到了0.5%，同時零點穩定性也得到了驚人的改進。
由于采用了獨立于線頻率磁感線圈供電電流，因此使得交流場儀表第一次可以由24V直流電壓供電。由于經過了各種各樣的更新，對向后兼容性作了很多考慮，所以這些新的轉換器甚至可以由20年前的儀表進行操作。這些儀表適用的型號范圍從DN1到DN1000（1/25”到40”）。流量計的套管可以選擇PFA/PTFE/硬或軟橡膠或者是特出的”碳化陶瓷”（用于高度研磨流體）材料。對不銹鋼儀表主體來說，適用于不同的通過3A認證和EHEDG核準的過程連接。另外，基準規格現在包括的液體最低導電率是20μS/cm或者0.5μS/cm。
圖5－1：交流場電磁流量計FSM4000
6 擴展應用系列
由于能夠對流量信號進行幾乎連續的整定，使得沖擊頻率高達400沖/分的脈動流（由活塞，震動膜和軟管泵產生）實際上都能毫無差錯的得到測量。為了在這些場合中應用，脈沖直流場儀器必須在較高的頻率下工作（例如25hz），即便這樣，脈動流的測量被限制在大約140沖/分以內。
用3.6%的紙漿和5%的空氣流體做實驗時，誤差小于1%。脈沖直流場儀表在這種場合（由于它們沒有集成所有信號的能力）應用時表現出兩個位數的誤差。具有極其低傳導性（例如：液糖）和/或具有極端內部噪聲（例如：蒸餾水）的流體的測量精度在0.5uS/cm以上。具有在紙漿中高達15%otro或者在泥漿中有高達22% TS的固體組分流體都可以被有效測量。
7 總結
盡管當前優化脈沖直流場系統和交流場電動勢系統在解決困難應用問題時已經有了重要的地位。具有脈沖直流場技術的系統（由于沒有集成所有信號的能力和較差的信噪比）仍然不能滿足整個系統應用系列范圍的需求，尤其是在較大直徑（> DN200）應用場合激勵頻率被磁場系統所限制（參考圖４-１）。
由于交流場技術上的革新，一些限制（不穩定的零點，比脈沖直流場儀表精度低，非24V直流供電）都被解決。因此FSM4000定義了新的交流場市場標準。