應(yīng)用廣泛的交流勵(lì)磁磁場(chǎng)電磁流量計(jì)
2008/4/3 11:28:03
（提供： 華東理工大學(xué) 自動(dòng)化系 ，作者：凌志浩教授，吳勤勤教授，張心泉，）
本文發(fā)表于國(guó)際造紙2006年第6期
華東理工大學(xué) 自動(dòng)化系 凌志浩教授，吳勤勤教授，張心泉 編譯
ABB（中國(guó)）有限公司儀表產(chǎn)品部 供稿
1 簡(jiǎn)介
如果要測(cè)量的是導(dǎo)電液體的體積流量，那么電磁流量計(jì)(EMF)就應(yīng)該是最佳選擇。無(wú)需太多思考，所有應(yīng)用中大約80%可以應(yīng)用脈沖直流場(chǎng)勵(lì)磁（磁場(chǎng)線圈勵(lì)磁類型）技術(shù)，比如水的連續(xù)流量測(cè)量。然而，有一些應(yīng)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(chǎng)勵(lì)磁的電磁流量計(jì)。除其他應(yīng)用以外，對(duì)具有高的固體含量或者具有非常低的電導(dǎo)率的流體的應(yīng)用也包含在其中（見(jiàn)圖1-1）。
圖1-1 脫墨過(guò)程中的（DIP）交流磁場(chǎng)電磁流量計(jì)
在過(guò)去的十多年中，電磁流量計(jì)已經(jīng)在工業(yè)上幾乎所有工段上得到證實(shí)和測(cè)試。由于電磁流量計(jì)具有光滑無(wú)阻力的導(dǎo)管、無(wú)附加壓降并且易于清洗，因此受到用戶的廣泛歡迎。測(cè)量技術(shù)需求的高、低依賴于所采用的工段。例如在造紙機(jī)中，為了實(shí)施精確操作以對(duì)出紙速度進(jìn)行控制并達(dá)到需求的紙張質(zhì)量，獲取紙漿流量的無(wú)阻尼、無(wú)噪聲信號(hào)是非常重要的。在水果酸奶生產(chǎn)的混合應(yīng)用上，產(chǎn)生無(wú)峰輸出信號(hào)是必須的，否則的話將不可能完成水果和“白色結(jié)塊”酸奶的正確混合。
直流脈沖勵(lì)磁電磁流量計(jì)常常硬生生應(yīng)用在這些有限制的應(yīng)用中。其結(jié)果就是在過(guò)程中產(chǎn)生大噪聲或者多峰值的信號(hào)，而導(dǎo)致不精確或較差的重復(fù)性。
2 電磁流量計(jì)操作原理
電磁流量計(jì)的測(cè)量原理基于法拉第感應(yīng)定律：導(dǎo)體經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生電壓。該原理適用于導(dǎo)電流體流經(jīng)由一對(duì)磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的垂直于流動(dòng)方向的磁場(chǎng)時(shí)的情況。流體所產(chǎn)生的電壓被管徑兩端相對(duì)電極測(cè)量。所測(cè)信號(hào)電壓與磁感強(qiáng)度、電極間距和流體速度成比例。由于磁感強(qiáng)度和電極間距固定，因此流動(dòng)速度和信號(hào)電壓互成比例。又因?yàn)轶w積流量可以由平均流動(dòng)速度和流動(dòng)面積計(jì)算而得，因此體積流量和信號(hào)電壓成線形比例關(guān)系。感應(yīng)電壓信號(hào)在轉(zhuǎn)換器中被轉(zhuǎn)換成定標(biāo)的模擬和數(shù)字信號(hào)。
共有兩種磁感線圈勵(lì)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(chǎng)勵(lì)磁電磁流量計(jì)中，磁場(chǎng)線圈的電流在預(yù)定時(shí)間間隔處變換極性。由于每個(gè)周期電流上升段的變化電流原因，測(cè)量窗口被限制在勵(lì)磁時(shí)間的25%，也就是說(shuō)，流量信號(hào)只有在這段時(shí)間間隔內(nèi)才是整定的。這種直流脈沖勵(lì)磁電磁流量計(jì)通常應(yīng)用在頻率在6.25~25Hz之間的情況。
圖2-1滯留脈沖磁場(chǎng)勵(lì)磁和交流磁場(chǎng)勵(lì)磁的比較
3 更多需求應(yīng)用
上面提到的脈沖直流磁場(chǎng)勵(lì)磁電磁流量計(jì)受到又限制應(yīng)用，比如說(shuō)在多相流體上的應(yīng)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(chǎng)儀表（25Hz內(nèi)）的操作范圍內(nèi)，噪聲含量是最大的。另外，場(chǎng)勵(lì)磁頻率所產(chǎn)生的奇數(shù)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(jì)輸出信號(hào)的不穩(wěn)定性。
4 用交流場(chǎng)技術(shù)作為補(bǔ)救
交流場(chǎng)勵(lì)磁電磁流量計(jì)的磁感線圈是由交流電源供電的。因?yàn)樗膭?lì)磁頻率要比直流脈沖勵(lì)磁頻率要高出很多，所以前面所提到的直流勵(lì)磁脈沖的局限性就不復(fù)存在了，如圖2-1。其測(cè)量窗口幾乎接近100%，即流速整定在勵(lì)磁跨越零的時(shí)候就開(kāi)始了，而且它還是連續(xù)的。而且除了這些優(yōu)點(diǎn)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(duì)線頻噪聲信號(hào)的增強(qiáng)靈敏性（如圖4-1）。交流系統(tǒng)和脈沖直流系統(tǒng)相比來(lái)說(shuō)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(chǎng)勵(lì)磁恢復(fù)生機(jī)
交流場(chǎng)勵(lì)磁的近期新發(fā)展增強(qiáng)了它的性能，重點(diǎn)是消除了交流場(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)的缺陷。其中將勵(lì)磁頻率增加到70Hz實(shí)現(xiàn)了部分發(fā)展(見(jiàn)圖4-1中的fNew)，而進(jìn)一步的發(fā)展則是由于采用了帶有窄帶濾波器的現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。為了在精確性上得到顯著改善，不但要對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，流量計(jì)的主體也要進(jìn)行優(yōu)化。可以通過(guò)再運(yùn)用一個(gè)線圈來(lái)測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)，通過(guò)液體溫度獨(dú)立渦流效應(yīng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，流量計(jì)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(chǎng)電磁流量計(jì)FSM4000就是這次優(yōu)化的產(chǎn)物，抑制噪聲的能力得到了改進(jìn)，精確性從2%改進(jìn)到了0.5%，同時(shí)零點(diǎn)穩(wěn)定性也得到了驚人的改進(jìn)。
由于采用了獨(dú)立于線頻率磁感線圈供電電流，因此使得交流場(chǎng)儀表第一次可以由24V直流電壓供電。由于經(jīng)過(guò)了各種各樣的更新，對(duì)向后兼容性作了很多考慮，所以這些新的轉(zhuǎn)換器甚至可以由20年前的儀表進(jìn)行操作。這些儀表適用的型號(hào)范圍從DN1到DN1000（1/25”到40”）。流量計(jì)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(duì)不銹鋼儀表主體來(lái)說(shuō)，適用于不同的通過(guò)3A認(rèn)證和EHEDG核準(zhǔn)的過(guò)程連接。另外，基準(zhǔn)規(guī)格現(xiàn)在包括的液體最低導(dǎo)電率是20μS/cm或者0.5μS/cm。
圖5－1：交流場(chǎng)電磁流量計(jì)FSM4000
6 擴(kuò)展應(yīng)用系列
由于能夠?qū)α髁啃盘?hào)進(jìn)行幾乎連續(xù)的整定，使得沖擊頻率高達(dá)400沖/分的脈動(dòng)流（由活塞，震動(dòng)膜和軟管泵產(chǎn)生）實(shí)際上都能毫無(wú)差錯(cuò)的得到測(cè)量。為了在這些場(chǎng)合中應(yīng)用，脈沖直流場(chǎng)儀器必須在較高的頻率下工作（例如25hz），即便這樣，脈動(dòng)流的測(cè)量被限制在大約140沖/分以內(nèi)。
用3.6%的紙漿和5%的空氣流體做實(shí)驗(yàn)時(shí)，誤差小于1%。脈沖直流場(chǎng)儀表在這種場(chǎng)合（由于它們沒(méi)有集成所有信號(hào)的能力）應(yīng)用時(shí)表現(xiàn)出兩個(gè)位數(shù)的誤差。具有極其低傳導(dǎo)性（例如：液糖）和/或具有極端內(nèi)部噪聲（例如：蒸餾水）的流體的測(cè)量精度在0.5uS/cm以上。具有在紙漿中高達(dá)15%otro或者在泥漿中有高達(dá)22% TS的固體組分流體都可以被有效測(cè)量。
7 總結(jié)
盡管當(dāng)前優(yōu)化脈沖直流場(chǎng)系統(tǒng)和交流場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)系統(tǒng)在解決困難應(yīng)用問(wèn)題時(shí)已經(jīng)有了重要的地位。具有脈沖直流場(chǎng)技術(shù)的系統(tǒng)（由于沒(méi)有集成所有信號(hào)的能力和較差的信噪比）仍然不能滿足整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用系列范圍的需求，尤其是在較大直徑（> DN200）應(yīng)用場(chǎng)合激勵(lì)頻率被磁場(chǎng)系統(tǒng)所限制（參考圖４-１）。
由于交流場(chǎng)技術(shù)上的革新，一些限制（不穩(wěn)定的零點(diǎn)，比脈沖直流場(chǎng)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(chǎng)市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
本文發(fā)表于國(guó)際造紙2006年第6期
華東理工大學(xué) 自動(dòng)化系 凌志浩教授，吳勤勤教授，張心泉 編譯
ABB（中國(guó)）有限公司儀表產(chǎn)品部 供稿
1 簡(jiǎn)介
如果要測(cè)量的是導(dǎo)電液體的體積流量，那么電磁流量計(jì)(EMF)就應(yīng)該是最佳選擇。無(wú)需太多思考，所有應(yīng)用中大約80%可以應(yīng)用脈沖直流場(chǎng)勵(lì)磁（磁場(chǎng)線圈勵(lì)磁類型）技術(shù)，比如水的連續(xù)流量測(cè)量。然而，有一些應(yīng)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(chǎng)勵(lì)磁的電磁流量計(jì)。除其他應(yīng)用以外，對(duì)具有高的固體含量或者具有非常低的電導(dǎo)率的流體的應(yīng)用也包含在其中（見(jiàn)圖1-1）。
圖1-1 脫墨過(guò)程中的（DIP）交流磁場(chǎng)電磁流量計(jì)
在過(guò)去的十多年中，電磁流量計(jì)已經(jīng)在工業(yè)上幾乎所有工段上得到證實(shí)和測(cè)試。由于電磁流量計(jì)具有光滑無(wú)阻力的導(dǎo)管、無(wú)附加壓降并且易于清洗，因此受到用戶的廣泛歡迎。測(cè)量技術(shù)需求的高、低依賴于所采用的工段。例如在造紙機(jī)中，為了實(shí)施精確操作以對(duì)出紙速度進(jìn)行控制并達(dá)到需求的紙張質(zhì)量，獲取紙漿流量的無(wú)阻尼、無(wú)噪聲信號(hào)是非常重要的。在水果酸奶生產(chǎn)的混合應(yīng)用上，產(chǎn)生無(wú)峰輸出信號(hào)是必須的，否則的話將不可能完成水果和“白色結(jié)塊”酸奶的正確混合。
直流脈沖勵(lì)磁電磁流量計(jì)常常硬生生應(yīng)用在這些有限制的應(yīng)用中。其結(jié)果就是在過(guò)程中產(chǎn)生大噪聲或者多峰值的信號(hào)，而導(dǎo)致不精確或較差的重復(fù)性。
2 電磁流量計(jì)操作原理
電磁流量計(jì)的測(cè)量原理基于法拉第感應(yīng)定律：導(dǎo)體經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生電壓。該原理適用于導(dǎo)電流體流經(jīng)由一對(duì)磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的垂直于流動(dòng)方向的磁場(chǎng)時(shí)的情況。流體所產(chǎn)生的電壓被管徑兩端相對(duì)電極測(cè)量。所測(cè)信號(hào)電壓與磁感強(qiáng)度、電極間距和流體速度成比例。由于磁感強(qiáng)度和電極間距固定，因此流動(dòng)速度和信號(hào)電壓互成比例。又因?yàn)轶w積流量可以由平均流動(dòng)速度和流動(dòng)面積計(jì)算而得，因此體積流量和信號(hào)電壓成線形比例關(guān)系。感應(yīng)電壓信號(hào)在轉(zhuǎn)換器中被轉(zhuǎn)換成定標(biāo)的模擬和數(shù)字信號(hào)。
共有兩種磁感線圈勵(lì)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(chǎng)勵(lì)磁電磁流量計(jì)中，磁場(chǎng)線圈的電流在預(yù)定時(shí)間間隔處變換極性。由于每個(gè)周期電流上升段的變化電流原因，測(cè)量窗口被限制在勵(lì)磁時(shí)間的25%，也就是說(shuō)，流量信號(hào)只有在這段時(shí)間間隔內(nèi)才是整定的。這種直流脈沖勵(lì)磁電磁流量計(jì)通常應(yīng)用在頻率在6.25~25Hz之間的情況。
圖2-1滯留脈沖磁場(chǎng)勵(lì)磁和交流磁場(chǎng)勵(lì)磁的比較
3 更多需求應(yīng)用
上面提到的脈沖直流磁場(chǎng)勵(lì)磁電磁流量計(jì)受到又限制應(yīng)用，比如說(shuō)在多相流體上的應(yīng)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(chǎng)儀表（25Hz內(nèi)）的操作范圍內(nèi)，噪聲含量是最大的。另外，場(chǎng)勵(lì)磁頻率所產(chǎn)生的奇數(shù)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(jì)輸出信號(hào)的不穩(wěn)定性。
4 用交流場(chǎng)技術(shù)作為補(bǔ)救
交流場(chǎng)勵(lì)磁電磁流量計(jì)的磁感線圈是由交流電源供電的。因?yàn)樗膭?lì)磁頻率要比直流脈沖勵(lì)磁頻率要高出很多，所以前面所提到的直流勵(lì)磁脈沖的局限性就不復(fù)存在了，如圖2-1。其測(cè)量窗口幾乎接近100%，即流速整定在勵(lì)磁跨越零的時(shí)候就開(kāi)始了，而且它還是連續(xù)的。而且除了這些優(yōu)點(diǎn)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(duì)線頻噪聲信號(hào)的增強(qiáng)靈敏性（如圖4-1）。交流系統(tǒng)和脈沖直流系統(tǒng)相比來(lái)說(shuō)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(chǎng)勵(lì)磁恢復(fù)生機(jī)
交流場(chǎng)勵(lì)磁的近期新發(fā)展增強(qiáng)了它的性能，重點(diǎn)是消除了交流場(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)的缺陷。其中將勵(lì)磁頻率增加到70Hz實(shí)現(xiàn)了部分發(fā)展(見(jiàn)圖4-1中的fNew)，而進(jìn)一步的發(fā)展則是由于采用了帶有窄帶濾波器的現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。為了在精確性上得到顯著改善，不但要對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，流量計(jì)的主體也要進(jìn)行優(yōu)化。可以通過(guò)再運(yùn)用一個(gè)線圈來(lái)測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)，通過(guò)液體溫度獨(dú)立渦流效應(yīng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，流量計(jì)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(chǎng)電磁流量計(jì)FSM4000就是這次優(yōu)化的產(chǎn)物，抑制噪聲的能力得到了改進(jìn)，精確性從2%改進(jìn)到了0.5%，同時(shí)零點(diǎn)穩(wěn)定性也得到了驚人的改進(jìn)。
由于采用了獨(dú)立于線頻率磁感線圈供電電流，因此使得交流場(chǎng)儀表第一次可以由24V直流電壓供電。由于經(jīng)過(guò)了各種各樣的更新，對(duì)向后兼容性作了很多考慮，所以這些新的轉(zhuǎn)換器甚至可以由20年前的儀表進(jìn)行操作。這些儀表適用的型號(hào)范圍從DN1到DN1000（1/25”到40”）。流量計(jì)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(duì)不銹鋼儀表主體來(lái)說(shuō)，適用于不同的通過(guò)3A認(rèn)證和EHEDG核準(zhǔn)的過(guò)程連接。另外，基準(zhǔn)規(guī)格現(xiàn)在包括的液體最低導(dǎo)電率是20μS/cm或者0.5μS/cm。
圖5－1：交流場(chǎng)電磁流量計(jì)FSM4000
6 擴(kuò)展應(yīng)用系列
由于能夠?qū)α髁啃盘?hào)進(jìn)行幾乎連續(xù)的整定，使得沖擊頻率高達(dá)400沖/分的脈動(dòng)流（由活塞，震動(dòng)膜和軟管泵產(chǎn)生）實(shí)際上都能毫無(wú)差錯(cuò)的得到測(cè)量。為了在這些場(chǎng)合中應(yīng)用，脈沖直流場(chǎng)儀器必須在較高的頻率下工作（例如25hz），即便這樣，脈動(dòng)流的測(cè)量被限制在大約140沖/分以內(nèi)。
用3.6%的紙漿和5%的空氣流體做實(shí)驗(yàn)時(shí)，誤差小于1%。脈沖直流場(chǎng)儀表在這種場(chǎng)合（由于它們沒(méi)有集成所有信號(hào)的能力）應(yīng)用時(shí)表現(xiàn)出兩個(gè)位數(shù)的誤差。具有極其低傳導(dǎo)性（例如：液糖）和/或具有極端內(nèi)部噪聲（例如：蒸餾水）的流體的測(cè)量精度在0.5uS/cm以上。具有在紙漿中高達(dá)15%otro或者在泥漿中有高達(dá)22% TS的固體組分流體都可以被有效測(cè)量。
7 總結(jié)
盡管當(dāng)前優(yōu)化脈沖直流場(chǎng)系統(tǒng)和交流場(chǎng)電動(dòng)勢(shì)系統(tǒng)在解決困難應(yīng)用問(wèn)題時(shí)已經(jīng)有了重要的地位。具有脈沖直流場(chǎng)技術(shù)的系統(tǒng)（由于沒(méi)有集成所有信號(hào)的能力和較差的信噪比）仍然不能滿足整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用系列范圍的需求，尤其是在較大直徑（> DN200）應(yīng)用場(chǎng)合激勵(lì)頻率被磁場(chǎng)系統(tǒng)所限制（參考圖４-１）。
由于交流場(chǎng)技術(shù)上的革新，一些限制（不穩(wěn)定的零點(diǎn)，比脈沖直流場(chǎng)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(chǎng)市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。