本研究通过优化激励波形、采用多级滤波以及基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的整流方法，提高了电磁流量计的测量精度。提出了一种基于波形的新型空管检测方法，增强了系统可靠性。实验结果表明，在0.1–15 m/s范围内测量精度达到0.1%，验证了其在工业应用中的适用性。
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本文内容
摘要
摘要
传统的电磁流量计在测量过程中 inherently 容易受到外部干扰和流速分布不均的影响，严重限制了其测量精度。本研究提出了一种改进方法，通过优化激励驱动波形，对电极输入信号进行多次滤波和放大，并采用复杂可编程逻辑器件实现正负感应信号的快速切换，从而实现平滑整流。结合软件滤波技术，该方法达到了高精度的测量性能。此外，通过识别激励波形与输入波形的模式，实现了空管检测。
实验验证表明，所设计的电磁流量计在0.1-15 m/s的流速范围内测量精度达到0.1%，系统重复性误差小于1%。结果证明了所提出方法在高精度流量测量中的有效性。该研究表明，仅需极低的附加成本即可实现高精度检测，这对工业应用具有重要意义。
引言
电磁流量计是一种基于法拉第电磁感应定律工作的流量测量仪器。与传统的机械式流量计相比，电磁流量计对各种介质具有更强的适应性，且对直管段的要求较低1。当流体流经管道时，电磁流量计产生磁场，并测量流体中产生的感应电压差，从而计算出流速2。电磁流量计特别适用于化工和石油工业等复杂环境3,4,5。然而，由于其工作环境恶劣，电磁流量计的测量精度容易受到外部干扰的影响6，因此需要改进检测技术以提高测量精度7。
可通过多种方式提高测量精度。优化电极形状已被证明能有效提升精确度8，而优化激励线圈的磁场可在保持磁场均匀性的同时显著提高流量测量的准确性9。此外，驱动波形的改进，例如采用双频驱动，也能有效提升精度10。然而，这些方法在应对复杂环境中动态变化时，仍存在适应性不足和灵活性有限的问题。
为提高电磁流量计在复杂环境中的性能....
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方案
1. 电极诱导电压的处理
- 将传感器两侧的感应电动势作为输入信号（图1A）。
注意：原始电压信号极其微弱，且受到严重噪声污染，信噪比（SNR）较低。 - 使用10倍差分放大器对信号进行放大（图1B）。
- 将放大后的信号送入一个由级联的高通和低通滤波器组成的有源二阶带通滤波器。首先通过高通滤波器去除低频成分，然后通过耦合电容将滤波后的输出送入后续的低通滤波器阶段。在此阶段抑制残余的高频噪声，最终输出波形如图1C所示。
- 使用反相放大器对去噪后的信号进行放大，如图1D所示。
- 通过反相放大器设置-1倍增益，将负极性信号转换为正极性信号，同时保持其幅度不变。
- 将正半周期和负半周期信号（图1E）分别送入模拟开关的两个通道，并同时将这两个信号输入比较器。
- 使用CPLD处理比较器产生的两个输出信号，以检测管道空闲状态并判断流体流动方向。
- 利用CPLD控制模拟开关的通道，通过过零检测精确调节开关时序，从而引入极小的延迟（图1F
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结果
为确保实验条件的标准化和结果的可靠性，本实验采用图4所示的液压泵产生稳定的标准水流作为实验环境。由于该液压泵具有稳定的动力输出特性，其产生的水流可近似视为匀速流，从而满足实验对均匀流体输送的要求。所使用的标准仪器为ABB-DN50。原型装置如图5所示。
重复性测试结果详见表1。针对每个流速测量点，均进行了三次重复实验，以评估测量系统的重复性。结果表明系统具有高度稳定性，尤其在低至中等流速范围（<0.3 m/s）内，系统在多次试验中均表现出优异的测量准确性和重复性。对重复测量结果的标准差和变异系数（CV）进行了分析，进一步验证了系统的一致性。此外，该系统表现出卓越的内在线性，确保在整个测量范围内具有准确的线性响应。这些结果凸显了该仪器在实际应用中的测量精确性、重复性与可靠性。
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讨论
电磁流量计中存在多种激励波形的实现方式，其中方波激励和阶跃波激励是两种常用类型。由于实现简单，方波激励被广泛采用15。然而，该方法在激励切换的瞬态过程中容易引发涡流效应，从而对测量信号的稳定性产生不利影响16。此外，方波激励中的零点漂移问题更为显著，特别是在低流速情况下，会导致测量误差增大17。
相比之下，阶跃波激励通过分阶段调节磁场强度，限制了线圈电流变化速率，从而缓解了上述问题。因此，它能够减少高次谐波，降低涡流损耗，并减轻电磁干扰和能量耗散。此外，其较低的谐波含量进一步抑制了由涡流引起的测量误差。与正弦波激励不同，后者会引发持续的涡流和连续的能量损耗，阶跃波激励能够打断涡流的形成，从而提高信噪比（SNR），同时避免了方波激励的高频干扰。
鉴于这些优势，由于阶跃波激励在涡流抑制和谐波优化方面表现更优，因此更适用于电磁流量计应用。通过显著提高信号稳定性和增强信噪比，阶跃波激励可提供更.......
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披露
作者声明无利益冲突。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 电磁流量计 | ABB | ABB-DN50 | 作为标准仪器，用于与本文所述仪器进行对比。 |
| 电磁流量计传感器 | ABB | ABB-DN50 | 用于采集感应电动势。 |
参考文献
- Comparing performance of ultrasonic type and magnetic type flowmeters for desalination applications. Elgali, A. 2024 IEEE 4th International Maghreb Meeting of the Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (MI-STA), , 156-163 (2024).
- Kollár, L. E., Lucas, G. P., Zhang, Z. Proposed method for reconstructing velocity profiles using a multi-electrode electromagnetic flow meter. Meas Sci Technol.....
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