淮安金鼎仪表对电磁流量计的测量原理，发展及其特点进行了概述第1章
1．1引言
流量是工农业生产过程中需要控制的重要参数之一，流量计量在钢铁，冶金，给排水，石油，化工，食品，生物技术，航空航天，农业灌溉等各个行业发挥着重要的作用，有效地指导了生产操作、监视和控制过程，检测到的各种流动介质的流量为管理和控制生产提供了依据。由于流量检测条件的多样性和复杂性，流量检测的方法很多，全球流量检测的方法至少已有上百种，就检测量的不同可分为两种：体积流量和质量流量[1-3]。
1．2流量测量的内容及方法
流量是指流体在单位时间内流过管道或者明渠中某截面的体积或质量，前者称体积流量，后者称质量流量。
(1)体积流量
体积流量主要是通过直接法(也称容积法)和间接法(也称速度法)两种方法来完成流量计量的[1]。直接法测量仪表主要有：椭圆齿轮流量计，旋转活塞式流量计和刮板流量计，该方法是在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排除固定容积数来计算流量。间接法测量仪表主要有：节流式流量计，电磁流量计，转子流量计，涡街流量计，涡轮流量计，超声波流量计和速度式流量计等，该方法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截面积以求得体积流量。
(2)质量流量
质量流量计的测量对象是介质的质量流量，也可以是测量介质的密度及间接测量介质的温度，质量流量与体积流量的两种测量方法一样，也分为直接法和间接法。直接法最常用的是科里奥利力式、热导式以及双涡轮式和差压式质量流量计，检测元件的输出信号直接反映质量流量；间接法主要是用两个检测元件分别测出两个相应参量，通过运算间接获取质量流量，如应用超声流量计和密度计组合，对它们的输出再进行乘法运算以得出质量流量。
1．3电磁流量计的原理、发展和特点
1.3.1 电磁流量计的原理
电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律的工作原理来测量导电液体[4]体积流量的仪表[2,5]。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势的大小正比于与回路相交的磁通随时问的变化率，方向由楞次定律决定．回路中感应电动势E的大小和方向可以表示为：
(1.1) 如下图1.1所示，磁通的正方向和感应电动势的正方向符合右手定则。
电磁流量计是由电磁流量传感器和电磁流量转换器组成，电磁流量传感器安装在待测管道上，将导电液体的流速线性地变化成感应电动势信号。电磁流量转换嚣向传感器中的励磁线圈提供励磁电流，并且接收回路中的感应电动势信号，将信号进行放大、处理并且将信号统一转换成标准的电流信号、电压信号、频率信号等，以实现对流量的显示，记录和控制等。
对于电磁流量传感器，我们可以将导电流体流经的管道直径看成是导体的长度，此时，导电流体的流动方向，磁场的方向咀及管道的直径，三者处于互相垂直的位置。
当导电流体流过电磁流量传感器中的磁场时，切割磁力线，在与磁场方向，流体流动方向相垂直的方向，即在管道直径方向上，产生感应电动势，此感应电动势就是与流体的流速信号相对应成比例的电压信号E。
我们只需要考虑感应电动势的大小，于是，武(1 1)变为
(1．2) 式中删通量密度，T
A—磁通量的变化面积，m2
D一导体长度，m
dl一运动的距离，m ．
V一运动速度，m／s
P一感应电动势，V
电磁流量计测量的是体积流量，当导电流体流过一定截面的测量管时，流过该截面的体积流量就等于导电流体的流速与该横截面面积的乘积。对于横截面是圆形的测量管来说，流体的体积流量为
上述公式(1．4)中，D是测量管管径，即为导体的长度，B与励磁线圈相关的一个参数，当测量管的管径和磁感应强度曰一定时，流量Q只-9感应电动势E成正比。
1.3.2电磁流量计的发展
电磁感应定律是1831年由英国物理学家法拉第发现的。他的第一次电磁流量计的试验是1832年利用地磁场在泰晤士河岸做的实验，最后是以失败告终，但是他于1851年见证了Wollsaton等人在英吉利海峡利用电磁感应法测量潮汐试验的成功。1917年史密斯和斯皮雷安利用电磁感应原理制造了船舶测速仪，从此开辟了电磁测速仪在海洋学中的应用。1930年，威廉斯制成了一种简单的电磁流量计，将圆形测量管置于直流磁场之中，选用硫酸铜溶液作为导电流体，检测测量管内壁上两个电极之间与流速成正比的电压。1932年左右，生物学家Willams、A．柯林利用电磁流量计测量和记录瞬时的动脉血液流量获得了成功。而电磁流量计在工业上得到了应用还是在1950年，荷兰人利用电磁流量计在挖泥船上测量泥浆流量。随后在1955年前后前苏联，英国，德国，日本等也成功生产出电磁流量计。20世纪60年代初，电磁流量计逐渐完善发展，成为日渐成熟的流量仪表，在工业中得到了广泛的应用。20世纪60年代后期到70年代中期，低频矩形波励磁方式的发展，让电磁流量计的发展形成了一次高潮。20世纪80年代以来，微电子技术与计算机技术的发展，使得电磁流量计的发展更加趋于成熟和完善，扩大了电磁流量计的应用领域，添加了更多的附加功能，HART协议和现场总线技术运用到电磁流量计，为用户实现全新的现场总线生产控制与管理提供了条件[2,6]。
电磁流量计的工作磁场是由电磁流量转换器里面的励磁系统提供的，根据励磁方式的发展过程来看电磁流量计的发展，可以按时间的顺序，分为以下几种励磁方式：
(1)直流励磁
从法拉第时代开始，就呆用了直流励磁方式，该方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁，可以产生一个恒定的均匀磁场，采用该种励磁方式的最大优点是受交流电磁场干扰影响小，几乎可以忽略导电流体中自感现象的影响，但是使用直流励磁最大的缺点在于，由直流磁场感应产生的直流电压信号，容易使流经测量管的电解质液体极化，使得有用信号和极化电压相叠加，造成有用信号难以分离出来。同时，在直流励磁方式下，电解质的正离子向负电极移动，负离子向正电极移动，这种情况会严重影响仪表的正常工作，因此一般只适用于测量液态金属等非电解质液体。
(2)交流励磁
始于20世纪20年代左右，于20世纪50年代左右工业商品化，该种励磁方式是指采用50Hz正弦波的工频电源进行励磁，励磁系统产生一个正弦交变的励磁电流，该电流通入励磁线圈，产生交变磁场。该法的主要优点是，消除了电极表面的极化干扰，放大和转化低电平的交流信号也要比直流信号要容易。该法的最大缺点是，容易产生正交干扰和同相干扰等电磁干扰问题，影响仪表的线性度和零点的稳定性。
(3)矩形波励磁
该种励磁方式产生于1975年前后，一般采用低频矩形波励磁，这是主流产品采用的励磁方式，通常，其励磁频率为工频的1／4--,1／10，它发挥了直流励磁和交流励磁的优点，避免了交流励磁存在的正交干扰和同相干扰的电磁干扰问题，同时又能够克服由直流励磁带来的极化电压的问题，是一个两者兼顾的励磁方式。
在低频矩形波励磁发展的过程中，1978年左右，又出现了一种三值矩形波励磁，它与低频矩形波的不同之处在于，在低频矩形波的一个周期之中，有两个部分的时刻磁场时处于零状态，该状态存在于正态采样和负态采样之间，这样的一个零状态有利于对信号的零点进行检查和自校。我们可以看出低频矩形波励磁有很多的优点，有较好的零点稳定性，但是它牺牲了电磁流量计的响应速度。而且是当有浆液性液体通过电磁流量传感器的测量管时，会产生波动大的干扰。
（4）双频励磁
双频励磁是一种高低频矩形波调制的励磁方式。低频可以提高零点的稳定性，高频是降低介质对电极产生的极化电压。使用这种方式，可以通过在线圈中流过具有高低各两种频率成分的电流产生(激励)磁场。与普通用的单频率的励磁方式相比，低频励磁的稳定性和高频励磁的噪声抑制相结合，可以提供更高的精度和稳定性。但是双频励磁需要注意高频磁路的涡流损失和磁滞损失问题。
(5)可编程脉宽矩形波励磁
利用单片机编程，控制励磁矩形波脉冲宽度和励磁频率，从数据采集和软件上做尖状干扰处理，可以改善浆液测量和高速响应，但是与低频矩形波励磁相比，零点稳定的特性会变得差一些，因此，它只适用于一些特定场合的应用。
1.3.3电磁流量计的特点
电磁流量计具有以下几个显著的特点：
优点：
(1)不会阻塞，适合测量含固体颗粒的液固二相流体，包括纸浆、泥浆等
(2)由流量检测所造成的压力损失小，节能效果好
(3)对于实际可测的流体，测得体积流量时受流体的粘度、温度、压力、电
导率变化影响较小
(4)流量测量的量程比大
(5)可测腐蚀性流体
缺点：
(1)不能测量电导率很低的液体
(2)不能测气体、蒸汽和含较大气泡的液体
(3)不能用于高温测量
1．4非满管流体测量的简介
普通电磁流量计通常应用于封闭管道的液体满管流。对于流量变化很大，流体有时充满管道，有时充不满管道的情形，以及在市政排水、废水处理和农业灌溉等场合存在的众多流体未充满管道的情形，普通电磁流量计不能适用以上情形。非满管电磁流量传感器可以与安装管径一致，能够用于封闭管道满管流和非封闭管道或者敞开管道的自由表面流测量[2.7]。
对于非满管流体的测量，要考虑一下几点[8]：
(1)水力条件。
一般情况下，流体是在重力作用下的自由流面的流动，而某些场合下，流的过载可能会造成流体的回流，形成一个局部受压环境，许多系统会溢出，将过载的流体转移到原存储空间，或者更为开阔的场所；
(2)流动条件。
这里考虑的流体基本是低温的，但是流体的组分物质变化较大，从像泉水一样的干净水到包括大量污染物质的污水，污染物的形态不一，会含有漂浮悬浮物，容易沉淀的固体等，而且在城市下水管道中，可能会出现很多的固体形态的生活污染物，流体的特性不是一层不变的；
(3)自然条件。
测量管道一般情况下横截面是圆形的，但是也存在着矩形截面，椭圆形，甚至是三角形和马蹄形的管道截面，这些都是要考虑的，并且，管道的直径变化的范围较广，可能从lOOmm甚至更小的管径到2～3m甚至更大的城市下水管道，管道的材质并非是我们普通实验用的材质，因为城市下水道有可能是用诸如砖块、混凝土、铸铁、钢铁等等；
(4)环境方面。
下水管道通常是比较危险的区域，因为下水管道里面包含的气体中可能里面
可能会有一些腐蚀性和爆炸性的气体，这也就意味着相应的仪表的材料建设上要
与之相匹配，相关工作人员的健康安全可能会依据仪表设备的操作方法和工作环
境制定相应的规章制度等。
因此，非满管流体的测量对于仪器的设计者和制造者来说，是一个挑战，有一些技术报告提出了一些商业性可实施的或者市场可以选择的测量非满管流体的技术方法，包括测定体积法[9]，示踪和稀释法[10]，超声多普勒[11]和转换时间法，利用电磁的方法，倾斜区域法以及一些非接触的方法，如雷达法一些光学的方法等等。这些方法中，应用超声多普勒法和电磁的方法较为普遍一些，主要还是这两方面的技术近年来发展较快。
1．5非满管电磁流量计的发展及其特点
非满管电磁流量计属于上述利用电磁的方法进行非满管流量测量的一种手
段。它与普通型的电磁流量计的不同之处在于，普通电磁流量计是以传感器截面
面积恒定，测量平均流速得到流量，而非满管电磁流量计的流体截面面积是变化
的，并非完全充满管道。流量测量不仅要测量流过传感器的平均流速，而且还要
测量流过传感器的流体截面积。也就是说，非满管电磁流量计的流量测量需要的
至少是流速y和液位值日两个变量。液位值日与流体的横截面积S的关系如下[12]：
公式(1.5)给出了液位值日与流体的横截面积s之间的关系，只要获得了液位值日，就可以通过公式(1.5)计算出流体的横截面积S，从而得到流量Q。
现有的非满管电磁流量计也均是依据获得流速V和液位值日两个参数来计算非满管流量的。
下面就现有的一些非满管电磁流量计测量方法进行介绍。
1.5.1 ABB公司FXP4000
如下图1．2所示的ABB的这款非满管电磁流量计【13，14】的最底部是一对信号注入电极，最底部上面的三对是测量电极，顶部的一个电极是满管电极。在满管的条件下，该仪表的功能与普通型的电磁流量计是一样的，通过法拉第电磁感应定律拾取流速信号。由于流体的截面面积是不变的，所以计算流量值比较容易。在非满管状态下。该流量计的特点得到了发挥，随着流体液位的下降，满管电极检测到管道非满状态，启动算法修正剥量值，这个数学修正算法改变了流速和流体横截面的测量方法，可以测量到管径10％的液位高度，信号注入电极注入用以确定充满高低的正弦信号，用以测量液位值。在非满管状态下的流量计算需要首先修正测量到的感应电动势，修正系数是一个与液位值相关的面数，修正系数是仪表在工业校准中由实际经验值决定的，由于每对电极在工作前都已经将设置的数据存储在转换嚣中，因此不需要在线校准．在不同位置的三对测量电极，根据液位值的不同选择最合适的测量电扳测量感应电动势．流体液位值的测量是通过电学的方法计算得到的，底部的信号注入电极输入幅值固定的高频正弦波澈励信号，由另外三对测量电极读取此时的感应信号，三对电极测得的感应信号通过该激励信号幅值的变化可以精确测量出液位高度，将该感应信号和激励信号的比值进行归一亿处理，画出来的曲线圈能够确定液位值及流速计算的修正系数。
可毗看出，测量液住值和测量流速时都是用到了三对测量电极，需要对液位值测量功能和流速测量功能进行转换，因此，流速测量时，线圈的励磁方式采用的是频率为7 5Hz妁矩形波，进行液位值测量的正弦波通过电容耦台到底部信号注入电极，该信号工作在线圈的直流脉冲之问，这样可以使测量到的低电平的流体的流速信号从包含液位值信息的高频信号中分离开，因此微处理器可以捕捉到原始信号。
1.5．2德国科整公司TIDALFLUX
德国科隆公司的这教TIDALFLUXl[15]满管电磁流量计这款测量的特点在于，测量流体液位值的系统使用电容性液位测量系统，结合圈1．3和图1．4看该款电盛流量计的测量特点．电磁流量计管道内部两边的弧形电极紧贴衬里外壁，被剥流体不与电极接触，通过测量电极和被测漉体之间的电容耦合值，获得流体的液位值信号，因为不同液位值下流动的流体其与电极之间的电容耦合值是不同的，通过该液位值，可以计算得出流体的横截面积。
图1.4可以看到在测量管道底部有一对电极，该电扳用于测量流体流过测量管时切割磁力线得到的感应电动势，可以获得此时流体的流速，由于该对电极位于管径10％的位置，也就确定了该流量计的测量范围是管径的100／一100％。
1.5.3上海大学研制的非满管电磁流量计
从下图1.5，该电磁流量计的结构原理框图，来分析非满管电磁流量计的测量原理[16，17]。在测量管底部有一对发讯电极，通过一个发讯控制器控制发讯电极的输入托两个测讯电极间形成一个电势信号，测量此时两个长弧形测讯电极上的电势信号E，由测讯电极测得的电势信号E与发讯电极的输入X的比值，可以试验确定该比值与流体液位值日的函数，确定得到流体的液位值日，图1.5中测量管上下分布着励磁线圈，输出励磁电流到励磁线圈，产生不同的磁场B，当流体以流速矿流过的测量管的时候，两个测讯电极得到该流速y下的电势信号，计算得到流速儿由液位值日和流速V计算得到流体的流量。长弧形测讯电极的长度，决定了可测量非满管流量的最低液位。
阻抗法是通过测量流体阻抗的方式[18，19]，确定流体的液位高度，该方法的结构图与图1．5相似，只是去掉了测量管底部的发讯电极，测讯电极仍然是分布在测量管两侧的长弧形电极，在励磁单元产生磁场B时，当流体流过测量管，切割磁力线时，长弧形电极测量得到与流体流速y相关的感应电动势E，计算得到流体的流速以在励磁单元不产生磁场B的情况下，向该对长弧形电极输入电流，，测量长弧形电极对应的电压U，由电压U除以输入电流，得到非满管液位值日下的流体阻抗z，由阻抗z和非满管液位值日的对应关系，计算得到液位
值日，再由液位值日可以得到此时刻流体的横截面积S；以及长弧形电极测量得到的感应电动势E与流速间的关系，确定流速以由横截面积s和流速y计算得到非满管流体的流量。
另外，还有像东芝公司采用的功能型磁场分布技术[20]测量非满管流体的流量，以及采用插入式液位计和降低电极对的位置相结合的方式[21]进行非满管流量的测量。
1.6本论文的研究意义和主要内容
1.6．1研究意义
目前，上述非满管电磁流量计在测量上存在着以下的可能：随着被测流体的改变，流体的电导率发生变化，上述的测量方法有可能会带来流体液位值测量的不准确，又如科隆公司的非满管电磁流量计，仅使用位于管径10％位置的电极对进行流速的测量，由于非满管流体的流速分布不可能和理想状态下一样对称分布，因此，在任何液位下均采用这一对电极可能会带来较大误差，影响实际的流量测量。并且，现今的市场上，非满管电磁流量计价格昂贵，且都是国外产品，尚未有国内自主研制的产品上市。因此，自主研制一款高性价比的非满管电磁流量计显得意义重大。
1.6.2主要内容
本论文的主要研究内容如下：
第1章对电磁流量计的测量原理，发展及其特点进行了概述。在传统电磁流量计的基础之上，给出了测量非满管流体的需求以及测量原理，介绍了现有的非满管电磁流量计进行非满管流体测量的方法。最后，阐述了本文的研究内容。