水流量计的工作原理及励磁技术发展和趋势

摘要: 水流量计因其结构简单、压力损失小、可靠性高、精确度高等优点，广泛应用于工业、农业和民用等领域的流量测量方面，其中的励磁技术自始至终都是水流量计一个非常重要的研究方向。回顾水流量计励磁方式的发展过程，对励磁方式进行了重点分析，并预测其发展趋势。
1 水流量计的工作原理和发展历程
随着国民经济的持续发展，企业的生产过程不断优化，因此需要各种准确的流量计。水流量计是用于测量具有一定电导率的液体介质流量的仪表，因其没有阻碍被测液体流动的部件，所以不易造成管道堵塞，而且其还具有耐腐蚀等众多优点，所以水流量计在石油化工、造纸以及食品等行业有着重要的作用。
1. 1 工作原理
当被测液体流经工作磁场时，由于切割磁力线而在液体中产生感生电势 E 为:
e = KBDv
式中: K 为仪表常数，B 为磁感应强度，D 为管道内径，v 为管道内的平均流速。
水流量计主要由传感器和信号转换器两部分组成。传感器安装在液体流经的管道上，它将管道内液体流动速度转换成电压信号，通过传输线将此信号送到转换器。转换器则将传感器送来的流量信号进一步放大处理，转换成输出信号，可以就地显示、远传显示或用于控制。
1. 2 水流量计的发展历程
英国物理学家法拉*在 1832 年提出，可以利用地球磁场测量英国泰晤士河水的流量，但是由于相关理论和技术储备不足，*终未获成功。
随着对*化现象深入研究以及电子技术的进步， 在 20 世纪 50 年代初，水流量计实现了工业化应用。20 世纪 80 年代以来，随着材料技术的快速发展和微电子技术的不断进步，使得水流量计也不断趋于完善成熟。现代的水流量计采用功能日益强大的微处理器技术，使水流量计的各项性能指标不断提高。
2 励磁技术的发展
励磁系统是水流量计重要的核心部分，因为磁场的形式直接决定了液体所感生的流量信号特征。水流量计的抗干扰能力、测量精度都与磁场的形式有很大关联。励磁技术主要有以下几个发展方向。
2. 1 直流励磁
采用直流励磁时，被测液体流经的磁场恒定不变，其优点为构造简单可靠，受交流信号干扰小。但是，由于电*输出的流量信号和电**化电压混叠在一起，而且二者均为直流信号，使得该干扰很难从流量信号中剥离出来，同时*化干扰电压随着流体介质的流动状态和液体温度的改变而变化。另外，电*上感生电动势是直流性质，导致被测流体中正负电荷的定向移动，随着电*附近离子的不断聚集，*终使传感器自身内阻增大，影响其测量的准确性。
金属液体中不存在电解质液体的*化问题且电导率很高，对直流励磁非常有利。直流励磁适用于测量特殊的液态金属。
2. 2 工频正弦波励磁
采用工频正弦励磁时，直接使用 50 Hz( 或 60 Hz)的工频市电励磁，其优点是流量信号为交流性质，能够有效削弱*化的不良作用，降低电*间等效内阻对测量的不良影响。交流励磁电路非常简单，便于提高磁感应强度，提高测量准确度。 交流的工作磁场始终在变化，导致其产生严重的正交干扰和同相干扰，此外还存在电磁感应涡流效应、静电感应、杂散电流等干扰因素，叠加在流量信号中难以去除。
2. 3 高频正弦波励磁
非接触式的电容式水流量计为降低耦合电容的容抗，增加输出流量信号电压幅值，所以需要将励磁频率提高到几百赫兹甚至几千赫兹。被测液体感生电动势的频率和信号幅值都有所提高，有利于转换器提高信噪比。但是，正弦波励磁所固有的微分干扰和同相干扰，仍然对转换器零点稳定性有一定的影响。
2. 4 矩形波励磁
矩形波励磁同时具备直流励磁和交流励磁的优点，即直流励磁无正交干扰和同相干扰，而交流励磁的*化干扰小。由于产生正交干扰和同相干扰的根本原因是工作磁场变化过程，如果工作磁场转换过程足够快，而且工作磁场保持稳定的采样时间窗口足够长，从而避免正交干扰和同相干扰的不良影响，对流量信号进行提取分析，以显著提高转换器的零点稳定性。矩形波励磁又有两种不同的工作方式，即低频矩形波励磁和高频矩形波励磁。低频矩形波励磁虽然能够有效地降低各种干扰，但其励磁周期较长，*终降低了传感器的响应速度，该方法只适用于流速变化缓慢的液体。高频矩形波励磁的响应速度快，但随之而来的感应干扰问题，导致其精度没有低频矩形波励磁高。
2. 5 双频励磁
双频励磁方式是一种高、低频矩形波调制波的励磁方式，其中低频励磁是为帮助提高信号放大电路的零点稳定性，而高频励磁能降低电*在被测液体介质中所产生的*化电压，减小流量信号中的波动，同时还能提高测量的响应速度。但其输出流量信号包括两种频率特征，后续处理过于复杂，进而制约了它的发展和推广。
3 励磁技术的趋势
3. 1 励磁精度进一步提高
工作磁场的精度直接决定了水流量计的误差。当励磁电源波动或者励磁绕组由于温升而使其电阻变大时，导致磁场大小出现偏差，水流量计的误差变大。随着电力电子技术的快速发展，对励磁电流的精确控制已经很容易实现。同时，半导体开关器件的性能不断提升，新型励磁电路的效率越来越高，而体积重量则越来越小。
3. 2 降低励磁功率损耗
部分测量现场没有提供市电，必须采用电池供电，所以需要进一步降低励磁功率。当被测液体流速比较稳定时，采用定时励磁方法，也可以有效地降低励磁功率，延长电池使用寿命。
4 结语
水流量计在工农业生产过程中有着无可替代的地位，因此水流量计的励磁技术也将伴随着相关新材料、新工艺以及新的理论和方法的出现，不断克服各种技术瓶颈和障碍，进一步提高水流量计的测量精度，拓宽测量范围。