應用廣泛的交流勵磁磁場電磁流量計

（提供： 華東理工大學 自動化係 
，作者：淩誌浩教授，吳勤勤教授，張心泉，） 
　　本文發表於國際造紙2006年第6期
　　華東理工大學 自動化係 淩誌浩教授

，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
，那麼電磁流量計(EMF)就應該是最佳選擇。無需太多思考，所有應用中大約80%可以應用脈衝直流場勵磁（磁場線圈勵磁類型）技(ji)術(shu)，比(bi)如(ru)水(shui)的(de)連(lian)續(xu)流(liu)量(liang)測(ce)量(liang)。然(ran)而(er)，有(you)一(yi)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)
，由(you)於(yu)它(ta)們(men)的(de)物(wu)理(li)或(huo)者(zhe)流(liu)體(ti)特(te)性(xing)，需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)具(ju)有(you)交(jiao)流(liu)磁(ci)場(chang)勵(li)磁(ci)的(de)電(dian)磁(ci)流(liu)量(liang)計(ji)。除(chu)其(qi)他(ta)應(ying)用(yong)以(yi)外(wai)，對(dui)具(ju)有(you)高(gao)的(de)固(gu)體(ti)含(han)量(liang)或(huo)者(zhe)具(ju)有(you)非(fei)常(chang)低(di)的(de)電(dian)導(dao)率(lv)的(de)流(liu)體(ti)的(de)應(ying)用(yong)也(ye)包(bao)含(han)在(zai)其(qi)中(zhong)（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。由於電磁流量計具有光滑無阻力的導管、無附加壓降並且易於清洗
，因此受到用戶的廣泛歡迎。測量技術需求的高、低依賴於所采用的工段。例如在造紙機中，為了實施精確操作以對出紙速度進行控製並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zhi流liu脈mai衝chong勵li磁ci電dian磁ci流liu量liang計ji常chang常chang硬ying生sheng生sheng應ying用yong在zai這zhe些xie有you限xian製zhi的de應ying用yong中zhong。其qi結jie果guo就jiu是shi在zai過guo程cheng中zhong產chan生sheng大da噪zao聲sheng或huo者zhe多duo峰feng值zhi的de信xin號hao，而er導dao致zhi不bu精jing確que或huo較jiao差cha的de重zhong複fu性xing。
　　
　　2 電磁流量計操作原理
　　電磁流量計的測量原理基於法拉第感應定律：daotijingguocichangchanshengdianya。gaiyuanlishiyongyudaodianliutiliujingyouyiduicichangxianquanchanshengdechuizhiyuliudongfangxiangdecichangshideqingkuang。liutisuochanshengdedianyabeiguanjingliangduanxiangduidianjiceliang。suocexinhaodianyayuciganqiangdu、dianjijianjuheliutisuduchengbili。youyuciganqiangduhedianjijianjuguding，yinciliudongsuduhexinhaodianyahuchengbili。youyinweitijiliuliangkeyiyoupingjunliudongsuduheliudongmianjijisuanerde，yincitijiliulianghexinhaodianyachengxianxingbiliguanxi。ganyingdianyaxinhaozaizhuanhuanqizhongbeizhuanhuanchengdingbiaodemoniheshuzixinhao。
　　
　　共有兩種磁感線圈勵磁類型：直流脈衝和交流型式。（如圖2-1所示）。在(zai)直(zhi)流(liu)脈(mai)衝(chong)磁(ci)場(chang)勵(li)磁(ci)電(dian)磁(ci)流(liu)量(liang)計(ji)中(zhong)，磁(ci)場(chang)線(xian)圈(quan)的(de)電(dian)流(liu)在(zai)預(yu)定(ding)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)處(chu)變(bian)換(huan)極(ji)性(xing)。由(you)於(yu)每(mei)個(ge)周(zhou)期(qi)電(dian)流(liu)上(shang)升(sheng)段(duan)的(de)變(bian)化(hua)電(dian)流(liu)原(yuan)因(yin)，測(ce)量(liang)窗(chuang)口(kou)被(bei)限(xian)製(zhi)在(zai)勵(li)磁(ci)時(shi)間(jian)的(de)25%，也就是說，流量信號隻有在這段時間間隔內才是整定的。這種直流脈衝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滯留脈衝磁場勵磁和交流磁場勵磁的比較 

　　3 更多需求應用
　　上麵提到的脈衝直流磁場勵磁電磁流量計受到又限製應用
，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。在脈衝直流場儀表（25Hz內）decaozuofanweinei
，zaoshenghanliangshizuidade。lingwai
，changlicipinlvsuochanshengdeqishuxieboyebixudedaochuli。zhexieyezaochenglezaoyindezengjiahedianciliuliangjishuchuxinhaodebuwendingxing。
　　
　　4 用交流場技術作為補救
　　交jiao流liu場chang勵li磁ci電dian磁ci流liu量liang計ji的de磁ci感gan線xian圈quan是shi由you交jiao流liu電dian源yuan供gong電dian的de。因yin為wei它ta的de勵li磁ci頻pin率lv要yao比bi直zhi流liu脈mai衝chong勵li磁ci頻pin率lv要yao高gao出chu很hen多duo
，所suo以yi前qian麵mian所suo提ti到dao的de直zhi流liu勵li磁ci脈mai衝chong的de局ju限xian性xing就jiu不bu複fu存cun在zai了le
，如ru圖tu2-1。其測量窗口幾乎接近100%
，即(ji)流(liu)速(su)整(zheng)定(ding)在(zai)勵(li)磁(ci)跨(kua)越(yue)零(ling)的(de)時(shi)候(hou)就(jiu)開(kai)始(shi)了(le)，而(er)且(qie)它(ta)還(hai)是(shi)連(lian)續(xu)的(de)。而(er)且(qie)除(chu)了(le)這(zhe)些(xie)優(you)點(dian)以(yi)外(wai)，由(you)於(yu)磁(ci)感(gan)線(xian)圈(quan)通(tong)常(chang)工(gong)作(zuo)在(zai)線(xian)頻(pin)率(lv)下(xia)，所(suo)以(yi)它(ta)還(hai)具(ju)有(you)了(le)對(dui)線(xian)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)信(xin)號(hao)的(de)增(zeng)強(qiang)靈(ling)敏(min)性(xing)（如圖4-1）。交流係統和脈衝直流係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 交流場勵磁恢複生機
　　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係統的缺陷。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(er)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)發(fa)展(zhan)則(ze)是(shi)由(you)於(yu)采(cai)用(yong)了(le)帶(dai)有(you)窄(zhai)帶(dai)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)現(xian)代(dai)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)技(ji)術(shu)。為(wei)了(le)在(zai)精(jing)確(que)性(xing)上(shang)得(de)到(dao)顯(xian)著(zhu)改(gai)善(shan)
，不(bu)但(dan)要(yao)對(dui)轉(zhuan)換(huan)器(qi)進(jin)行(xing)重(zhong)新(xin)設(she)計(ji)，流(liu)量(liang)計(ji)的(de)主(zhu)體(ti)也(ye)要(yao)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)。可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)再(zai)運(yun)用(yong)一(yi)個(ge)線(xian)圈(quan)來(lai)測(ce)量(liang)場(chang)強(qiang)，通(tong)過(guo)液(ye)體(ti)溫(wen)度(du)獨(du)立(li)渦(wo)流(liu)效(xiao)應(ying)來(lai)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)。同(tong)時(shi)

，流(liu)量(liang)計(ji)主(zhu)體(ti)接(jie)線(xian)盒(he)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)的(de)校(xiao)正(zheng)，和(he)降(jiang)噪(zao)模(mo)塊(kuai)都(dou)被(bei)取(qu)消(xiao)了(le)。
　　如圖5-1所示，交流場電磁流量計FSM4000就是這次優化的產物，抑製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。
　　由於采用了獨立於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。由於經過了各種各樣的更新，對向後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範圍從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”（用於高度研磨流體）材料。對不鏽鋼儀表主體來說
，適用於不同的通過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 擴展應用係列
　　由於能夠對流量信號進行幾乎連續的整定，使得衝擊頻率高達400衝/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，脈衝直流場儀器必須在較高的頻率下工作（例如25hz），即便這樣，脈動流的測量被限製在大約140衝/分以內。
　　用3.6%的紙漿和5%的空氣流體做實驗時
，誤差小於1%。脈衝直流場儀表在這種場合（由於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
　　盡管當前優化脈衝直流場係統和交流場電動勢係統在解決困難應用問題時已經有了重要的地位。具有脈衝直流場技術的係統（由於沒有集成所有信號的能力和較差的信噪比）仍然不能滿足整個係統應用係列範圍的需求，尤其是在較大直徑（> DN200）應用場合激勵頻率被磁場係統所限製（參考圖４-１）。
　　由於交流場技術上的革新，一些限製（不穩定的零點
，比脈衝直流場儀表精度低
，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。