浆液型电磁流量计是一种基于法拉第电磁感应定律的流量计[1]，其测量管是内衬绝缘材料的非导磁合金管道。它的两个电极沿管径方向穿通管壁固定的在测量管上，电极头与衬里内表面基本齐平。励磁线圈被方波脉冲电流激励时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一个磁通量密度为B的工作磁场。如果具有一定电导率的流体流经测量管，则根据法拉第电磁感应定律，导电流量切割磁力线感应出电动势E。电动势E正比于磁通量密度B、测量管内径d与平均流速V的乘积。电动势E（流量信号）由电极检出并通过电缆送至转换器。转换器将流量信号放大处理后，可显示流量、总量，并能输出脉冲、模拟电流等信号，用于流量的控制或调节。

 

电磁流量计具有以下特点[2]：(1)测量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响；(2)测量管内无阻碍流动部件，无压损，直管段要求较低；(3)传感器衬里和电极材料有多种选择，适合多种液体和浆液测量；(4)转换器可采用多种励磁方式，功耗低、零点稳定、精确度高。转换器可与传感器组成一体型或分离型；(5)转换器采用高性能微处理器，参数设定方便，编程可靠；(6)电磁流量计进行双向测量，可显示正、反流量，具有多种输出：电流、脉冲、数字通讯、HART。

 

由于具有高精度、无压损的特点电磁流量计深受市场的欢迎。在使用上，为了保证电磁流量计测量精度必需满足以下条件[3-6]：(1)被测流体必须具有导电性；流体电导率不低于5 μ s/cm；(2)被测流体介质必须充满管道；(3)被测流体介质必须均匀；(4)电磁流量计测量系统必须良好接地；(5)流量计入口直管段至少5倍的测量管内径长，出口直管段至少2倍；(6)在流量计附近，应避免强电磁场干扰。

 

实现浆液测量的原理

 

使用电磁流量计测量固液两相流时，由于固体颗粒（或液体中气泡）随机摩擦电极表面，导致电化学电势发生突变，产生浆液噪声叠加在流量信号上，使得流量计输出信号的大幅波动。根据浆液噪声的1/f特性及国内外的研究结论[7-11]，在设计上可以采用高频励磁或双频励磁来有效降低浆液噪声的影响，继而从信号处理上进一步削弱浆液噪声，提高测量精度。因此，电磁流量计的励磁控制方法和信号处理方法至关重要。

 

下面分别从励磁控制、信号处理和变送器研制三个方面进行介绍。

 

(1)励磁控制方案

 

针对恒流控制的快速性、励磁电流检测的准确性及励磁频率控制的精确性的目的，合肥工业大学基于线性电源设计了恒流控制电路，并采用高压源激励，使其具有快速响应性能，基于H桥设计实现方波励磁驱动电路，在H桥低端与地之间接入检流电路,并通过控制H桥工作方式实现准确检流,基于DSP结合外围器件设计励磁时序产生电路实现单频或双频精确励磁。

 

该电磁流量计励磁控制系统主要包括恒流源电路、励磁线圈驱动电路、励磁时序产生电路及检流电路，其框图如图2所示。

 

浆液型电磁流量计励磁控制系统框图

 

系统由恒流源电路向励磁线圈驱动电路供电，励磁线圈驱动电路根据励磁时序产生电路发出的励磁时序控制信号CT1和CT2，对励磁线圈进行方波励磁。检流电路置于励磁线圈驱动电路中，将流过励磁线圈的电流转换为电压信号输出。

 

(2)信号处理方法

 

在信号处理方面，合肥工业大学提出了一种基于电磁流量计浆液信号模型的统计重构的信号处理方法。由于受浆液干扰影响的流量解调结果服从近似高斯分布，所以可以先对一段时间内浆液信号的幅值解调结果进行统计筛选，去除其中发生大跳变的幅值数据。经过筛选，得出一条受浆液干扰影响较小的“幅值基准”。再根据“幅值基准”，重新构造“无浆液干扰”的流量计输出信号。然后，对“构造信号”进行梳状带通滤波、幅值解调和滑动平均滤波，最后输出流量计算结果，如图3 所示。

 

 

 

(3)基于 DSP 的变送器研制

 

(a)硬件方案

 

系统硬件主要包括励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模块、人机接口模块、通讯模块及电源管理模块，其硬件框图如图 4 所示。由 F2812 产生特定时序的励磁控制信号控制励磁驱动模块工作。励磁驱动模块向电磁流量计励磁线圈提供特定时序的励磁电流，建立特定形式的交变磁场。励磁电流同时由检流电路检测并由A/D转换电路转换以送给信号处理控制模块。电磁流量计感应输出信号（SIG）由信号调理采集模块调理并进行A/D转换。A/D转换结果再送给信号处理控制模块，由DSP进行信号处理以获取流量信号。人机接口模块用于人机交互操作。通讯模块用于上位机远程监控。

 

(b)软件实现

 

软件设计采用模块化设计方案，将完成特定功能或类似功能的子程序组合成功能模块，主要功能模块有：初始化模块、驱动模块、数据处理模块、通讯模块、人机接口模块、看门狗模块等，由主程序统一调用和协调各模块正常有序工作。

 

主监控程序是整个软件系统的总调度程序，控制着程序的有序运行。系统上电或复位后，主程序先调用各模块初始化子程序，进而启动励磁控制，继而同步 ADC 工作，然后进入数据处理循环操作。主监控程序流程图如图5所示。