电磁流量计各种励磁技术的工作原理及特点
电磁流量计各种励磁技术的工作原理及特点
电磁流量计的励磁技术决定了电磁流量传感器工作磁场的特征。由于电磁流量传感器磁路是不饱和的，即是线性化磁路，因而励磁电流波形与磁通波形基本一致，所以电磁流量计励磁技术决定了电磁流量计信号处理技术，下面就几种励磁技术的工作原理及特点做一下分析比较。
一、直流励磁
直流励磁技术是利用直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供电或者永磁体以形成恒定的励磁磁场，它的励磁波形如图2．2所示。图2．2直流励磁这种直流励磁技术具有励磁方法简单、可靠，受工频交流电磁场干扰影响很小，流体中的自感现象可忽略不计等优点。然而，直流励磁技术存在的问题是直流感应电势在两电极表面形成固定的正负极性，从而引起被测流体介质电解，导致电极表面出现极化现象。这种现象的存在将使由流量信号感应的电势减弱，电极间等效电阻增大，同时出现电极极化和电势漂移，以至严重影响信号转换放大部分的工作。其次，直流励磁在电极间所产生的不均衡的电化学干扰电势叠加在直流流量信号中，不仅无法消除，而且还随着时间、流体介质特性以及流体流动状态等变化而变化。再次，直流放大器的零点漂移、噪声和稳定性等问题难以获得很好解决。基于以上原因，目前直流励磁技术仅局限在原子能工业中，应用于导电率*、流体内阻特小且几乎不产生极化效应的液态金属(例如汞等)流量测量中，且测量电极都是采用贵重的铂电极。但是，即使电极采用极化电压很小的铂、金等贵金属及其合金材料，也常常存在微弱的极化电压，而且采用贵重金属将使得仪表的制造成本较高【231。所以，直流励磁对一般流体的测量困难，极化电压大，目前仅仅适用于测量非电解质液体(如液态金属等)的流量测量。
二、工频正弦波励磁
工频正弦波励磁技术是利用工频50Hz正弦波电源给电磁流量传感器励磁绕组供电，使之形成正弦波励磁磁场，其励磁波形如图2．3所示。其主要特点是能够基本消除电极表面的极化现象，降低电极电化学电势影响和传感器内阻。另外，采用工频正弦波励磁技术，其传感器输出流量信号仍然是工频正弦波信号，易于信号放大处理，而且能够避免直流放大器存在的实际困难，励磁电源简单、方便。图2．3工频正弦波励磁
但是，工频正弦波励磁技术的采用会带来一系列电磁感应干扰和噪声。首先，电磁感应产生的正交干扰(又称为变压器效应)，其干扰幅值与频率成正比， 相位比流量信号滞后90度，而且实际中一般又远远大于流量信号，因此如何克服正交干扰电势的影响是正弦波励磁技术的主要难题。其次，工频正弦波供电电源存在电源电压幅值和频率波动的影响，产生供电电源性干扰。第三，存在电磁感应的涡流效应、静电感应的分布电容、杂散电流产生同相干扰，且此干扰电势的频率和工频*一致，并叠加在流量信号之中难以消除，以致电磁流量计零点不稳定。虽然采用相敏整流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、电源补偿、自动正交抑制系统等技术措施以消除与流量信号频率一致的工频干扰电压，但由于正交电势的幅值比流量信号电势幅值大几个数量级，正交抑制系统等抗干扰技术措施的任何不完善，都可能引起一部分正交电势转化为同相干扰电势， 导致电磁流量计零点不稳定，精度难以提高。
三、低频矩形波励磁
低频矩形波励磁技术是一种介于直流励磁和工频交流励磁之间的励磁技术，其励磁波形如图2．4所示。(a)单极性低频矩形波(b)双极性低频矩形波图2．4低频矩形波励磁低频矩形波励磁矩形波励磁技术既具有直流励磁技术不产生涡流效应、变压器效应(正交干扰)和同相干扰等优点，又具有工频正弦波励磁基本不产生极化效应，便于信号放大处理，并能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的优点，具有较好的抗干扰性能。正是基于以上优点，低频矩形波励磁技术得以在电磁流量计中获得广泛应用。但是，由于励磁线圈并非理想电阻， 励磁电流在上升和下降阶段存在的微分干扰使矩形波前后沿变平坦，而且在测量浆液等液固两相导电性流体时电极表面还会产生尖峰电势干扰。这些缺点限制了该励磁技术的广泛应用。
四、三值低频矩形波励磁
三值低频矩形波励磁技术【19】采用工频频率的八分之一为周期，采用正．零． 负．零．正的规律变化的激磁波形，其励磁波形如图2．5所示。图2．5三值低频矩形波励磁
三值低频矩形波励磁技术的特点是能够通过零值励磁时进行动态零点校正，进一步提高了零点稳定性。当励磁电流发生变化时，电磁感应出现的微分干扰同样利用励磁电流稳定时段采样加以消除，此时微分干扰按照指数规律衰减至零。其次同样采用宽脉冲采样，借以消除混在流量信号电压中的工频干扰电压。第三，通过一个周期内的四次采样值，近似认为极化电势恒定，利用微处理器的逻辑判断功能和数值运算功能消除极化电势的影响。因此，三值低频矩形波励磁技术能够进一步提高零点的稳定性，抗工频力增强，测量精度进一步提高。同时，传感器单位流速的流量信号电压比工频励磁时减少了很多，降低了励磁功耗，进一步实现了电磁流量计小型轻量一体化。另一方面微处理器技术的引入，增强电磁流量计功能，开辟了电磁流量计智能化的时代。正是基于以上的优点，三值低频矩形波励磁技术成为当代电磁流量计中应用广泛的一种励磁技术。
五、双频矩形波励磁
双频励磁方式是日本横河电机公司研究开发的一种高、低频矩形波调制波的励磁方式，其励磁波形如图2-6所示。图2．6双频矩形波励磁双频矩形波励磁的主要目的是使电磁流量计对流量的变化响应快、零点稳定，同时对流动噪声影响不敏感。其基本原理是综合利用低频励磁来提高零点稳定性和高频励磁的快速动态响应特点，使两者性能互补。因此，双频励磁的电磁流量计既有零点稳定性和测量精度高的优点，又具有响应速度快和抗力强的优点，是低频和高频矩形波励磁的结合。
综合上面对各种励磁方式的分析，不难发现，无论是哪种励磁方式都有各自的优缺点。低频励磁可以降低微分干扰和同相干扰，而且零点的稳定性高； 高频励磁可以减小极化现象，浆液噪声降低，而且响应速度快。此外，良好的接地与静电屏蔽，远离干扰源可以降低共模干扰和串模干扰。励磁方式的选择应该根据流体介质的差异以及对测量要求的不同等因素综合考虑选择出合适的励磁方式。扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、V锥流量计、V型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入涡街流量计、智能涡街流量计，更多信息请访问开封中仪网站：
