電磁流量計由于具有眾多的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工業(yè)各種場合，近年來已經(jīng)逐步向民用領(lǐng)域擴展。傳統(tǒng)的電磁流量計僅能用于滿管的流量測量，對于非滿管流體或者流體在滿管與非滿管之間變化的流動時的流量測量研究較少。非滿管流體流動時,由于管內(nèi)的流體截面積是變化的,或者流體流動一直處于非滿管狀態(tài)，非滿管流量的測量需要測量流體平均流速和液位這兩個參數(shù)。非滿管狀態(tài)下,測量管內(nèi)流體流速分布不對稱,導(dǎo)致權(quán)重函數(shù)的分布和液位有關(guān)，同時電極上的感應(yīng)信號是兩電極橫斷面內(nèi)所有質(zhì)點電位的集合,即電勢一定要處于電極可測量范圍之內(nèi),所以進行非滿管的流量測量電極必須浸入流體內(nèi),否則電極得不到感應(yīng)信號[17-19] 。
1 非滿管電磁流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1 非滿管電磁流量計的測量原理
　　管道式電磁流量計在工作的過程中，可能會出現(xiàn)管道中流體未充滿或者在流體流動過程中，流體流動處于滿管向非滿管道的轉(zhuǎn)換狀態(tài)中。使管中流體流動有兩種流動狀態(tài)。對流體未充滿管道式 1，如圖 3-1 所示，此時如果仍按傳統(tǒng)流量計的測量原理，則：
實際值=測量值-上部空氣部分

　　由權(quán)重函數(shù)的理論可知，感應(yīng)信號電壓是兩電極橫斷面內(nèi)所有質(zhì)點電位的集合，不論流體在管道中橫截面如何變化，流動流體的質(zhì)點都會有感應(yīng)電勢，但是這些電勢一定要處于電極的集合范圍內(nèi)，如果電極暴露在空氣中，電極得不到信號[19]，流體未充滿管道式 2 就是這種情況。當(dāng)流體未充滿管道時，管中流體的實際流量值Q實=A實?`V，而管中流體的截面積為:

　　式中 h 為液面高度， D 為測量管內(nèi)徑。而不再是由此可知，非滿管電磁流量計的流量測量必須同時測量平均流速和液位高度這兩個物理量。
1.2 非滿管電磁流量傳感器流速測量機構(gòu)
　　根據(jù)電磁流量計的基本原理，當(dāng)流體充滿管道時，管中流體的平均流速和兩電極之間的感應(yīng)電勢之間的關(guān)系如式（2-1）所示。當(dāng)管中流體未充滿時，如前面所述，測得的信號不準(zhǔn)確或者根本得不到感應(yīng)電勢信號。在傳統(tǒng)電磁流量計的基礎(chǔ)上，將流速檢測電極在高度方向上設(shè)計在距測量管底端 10%D處，其中 D 為測量管直徑。這樣能保證管中流體液位高于 10%D 時，根據(jù)傳統(tǒng)電磁流量計基本原理，傳感器能準(zhǔn)確測得流體的平均流速。其結(jié)構(gòu)如圖 3-3 所示。

此時，兩極間的感應(yīng)電動勢 E 與兩電極間的距離 d 之間的關(guān)系為：

E =k Bd`V 　　　　　�。�3-2）
1.3 非滿管電磁流量傳感器液位測量機構(gòu)
　　基于電容式傳感器的基本原理，就是將液位的變化轉(zhuǎn)換成電容值的變化。在測量的過程中測量電壓、頻率、脈寬等容易測量的物理量，從而實現(xiàn)電容值的測量。結(jié)合電容式傳感器和電磁流量計的基本原理，流體在管中流動的過程中，利用流量計襯里和管內(nèi)流體作為介質(zhì)，同時在流量計襯里與管壁之間采用兩片圓弧形電極片，電極片與襯里和管中流體形成一電容器，根據(jù)電容式傳感器的基本原理，液體作為一種介質(zhì)，是電容器的一個組成部分，液體液位的高低，直接影響電容器的電容值，即電容器的電容量是液位高度的單值函數(shù)。其相應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖 3-4 所示。
　　為了降低信號之間的干擾和便于控制，非滿管電磁流量計采用流速機構(gòu)和液位機構(gòu)分體，但是同時同步測量，再將兩信號進行整合，得出流量信號。

2 非滿管電磁流量計原理
2.1 非滿管電磁流量計測量原理
　　流體在管道內(nèi)沿與磁感應(yīng)線垂直的方向流動時，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過感應(yīng)電動勢值即可得到流體的平均流速。在兩電極片間有激勵電壓的作用下，兩電極片、襯里和流體一起構(gòu)成電容器，根據(jù)電容式傳感器基本原理，此傳感器的等效電路如圖 3-5 所示，電極片、襯里和流體一起構(gòu)成了一變介電常數(shù)型電容器，兩極片間電容為上下兩部分電容并聯(lián)而成，其中 C1和 C3、C2和 C4之間為串聯(lián)，其總電容的計算如式（3-3）。

　　如圖 3-6 所示，管中液體將測量管分為上下兩部分，其中空氣的介電常數(shù)為0ε，流體的介電常數(shù)為1ε，襯里的介電常數(shù)為2ε，根據(jù)電容式傳感器模擬計算方法可計算其電容值[20],1C 和2C 由于極板間間距沒有改變，而且兩極板之間是單一介質(zhì)，其電容值可近似作為平行板電容器來計算[21]，如下所示：

式中，
a 為襯里內(nèi)半徑， m ；　
h 為液位高度，?? m ；　
b 為電極內(nèi)徑，?? m ；　
l 為電極片軸向長度， m ；
2.2 非滿管電磁流量計工作原理
　　非滿管電磁流量計采用勵磁激勵和電壓激勵雙激勵機制，在勵磁激勵的作用下，通過勵磁電路產(chǎn)生相應(yīng)的磁感應(yīng)強度，從而在電極上得到與流速對應(yīng)的電勢信號，經(jīng)過計算得到流體的平均流速值。在激勵電極的作用下，向激勵電極通入高頻電壓，使兩圓弧形電極片與其之間的介質(zhì)形成電容式傳感器，通過電容量的測量，經(jīng)過控制系統(tǒng)處理后得到與電容對應(yīng)的液位高度信號。兩個過程互不干涉，然后經(jīng)過控制系統(tǒng)分析處理后得到管中流體流量值。整個系統(tǒng)框圖如圖 3-7 所示。

3 信號轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)成
　　傳統(tǒng)的電磁流量計的信號轉(zhuǎn)換電路包含勵磁電路和信號處理電路兩部分組成。非滿管電磁流量計除了這兩部分以外還有激勵電壓電路。
3.1 勵磁電路參數(shù)確定
　　勵磁系統(tǒng)是電磁流量計的一個關(guān)鍵部分，其好壞直接影響到測量結(jié)果的精確程度高低。勵磁系統(tǒng)的參數(shù)主要是勵磁方式和勵磁頻率。常用的勵磁方式有以下幾種[8]。
1.直流勵磁
　　直流勵磁方式是用直流電或永久磁鐵產(chǎn)生一個恒定的均勻磁場。直流勵磁可以忽略流體中的自感現(xiàn)象，同時受交流影響很小，但是由于管中流體電解質(zhì)的電離，直流勵磁易產(chǎn)生極化現(xiàn)象。極化電壓和流量信號混雜在一起，不容易區(qū)分。所以，一般在測量非電解質(zhì)流體的情況下才采用這種方式。

2. 交流勵磁
　　交流勵磁方式是上世紀(jì) 50 年代工業(yè)電磁流量計主要采用的勵磁方式，它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生一個交變磁場：

　　交變磁場能消除極化干擾,同時產(chǎn)生的交變信號，經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換要比直流信號容易。但是交變磁場易產(chǎn)生正交（微分）干擾：

和同相干擾：

　　這些干擾降低電磁流量計的信噪比，這些干擾信號與流量信號e=emsinωt 混雜在一起，難以區(qū)分。

3.低頻矩形波勵磁
　　上世紀(jì)70-80 年代出現(xiàn)了低頻矩形波勵磁，這種勵磁方式兼有直流勵磁和交流勵磁的優(yōu)點，同時很好的避免了它們的缺點。如圖 3-10 所示。在半個周期內(nèi)，磁場是直流磁場，低頻矩形波勵磁有直流勵磁的特點，但從整個過程來看磁場又是處于周期性變化的過程中，低頻矩形波又是一個交變信號，便于放大和處理。所以低頻方波勵磁現(xiàn)階段應(yīng)用非常廣泛的勵磁方式。

綜合上面所述，非滿管電磁流量計選擇低頻矩形波作為勵磁方式。
　　電磁流量計采用較高的勵磁頻率可以有效降低信號源內(nèi)阻，當(dāng)頻率提高到100Hz 時，信號源內(nèi)阻約為幾百兆。繼續(xù)提高勵磁頻率，可以進一步降低信號源內(nèi)阻和流動噪聲。但是隨著勵磁頻率的提高，由式（3-7）和式（3-8）可知，正交干擾和同相干擾會變得更嚴(yán)重，電極上的渦電流也隨之增大。根據(jù)日本專家 Nakatani 的研究成果，流動噪聲和微分干擾強度隨勵磁頻率變化規(guī)律如圖3-11所示，從中可以看出，使流動噪聲和正交干擾到達最小的最佳勵磁頻率應(yīng)該在 100-400Hz 范圍內(nèi) [22]。

3.2 信號處理電路
　　信號處理電路的主要作用是將傳感器得到是帶有很多干擾而且信號非常微弱的電壓信號轉(zhuǎn)換成AD 采樣器可以接受的直流信號，從傳感器得到的信號如下式所示[23]：

　　ec 是共模干擾電壓、ed 是串模干擾電壓、ez 是直流極化電壓。其中正交干擾和同相干擾是由于磁場的突變引起的主要干擾源，共模和串模干擾是由于電磁干擾和靜電干擾產(chǎn)生的次要干擾源，可以通過靜電屏蔽和接地加以抑止，極化電壓是直流極化現(xiàn)象產(chǎn)生的，可通過提高勵磁頻率消除[24]。電磁流量計采用低頻矩形波勵磁能很好消除直流極化現(xiàn)象，在低頻矩形波的上升沿和下降沿，當(dāng)勵磁電流進入穩(wěn)態(tài)的時候再進行信號采樣，能消除部分正交干擾電壓? [25] ，但是信號處理的時間較長。
　　由于傳感器得到的信號非常微弱并且?guī)в泻芏喔蓴_，所以信號處理電路必須有放大以及抑制噪聲和干擾的功能，圖 3-15 表示信號處理電路的組成部分。

電磁流量傳感器的內(nèi)阻很大，傳感器和轉(zhuǎn)換器的等效電路如圖 3-13 所示，

　　圖中 e 是傳感器產(chǎn)生的流量電勢信號，r 是傳感器內(nèi)阻，RL是轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，eX是轉(zhuǎn)換器得到的流量電勢信號，根據(jù)歐姆定律可知：

　　從上式可以得知RL》r ，所以要使信號足夠精確，轉(zhuǎn)換器必須有很高的輸入阻抗[2]。
　　從傳感器出來是非常微弱且?guī)в懈蓴_的信號，信號預(yù)處理是首先去除信號中的高頻信號，然后再用放大器將信號放大，同時放大器能很好地抑制共模干擾，經(jīng)過前面的處理之后，信號中還會有部分干擾噪聲，無法直接檢測得到，濾波器的主要作用是去除剩余部分的干擾和噪聲，得到模數(shù)轉(zhuǎn)換能直接識別的信號，然后傳輸給單片機控制。
3.3 激勵電壓電路
　　非滿管電磁流量計以電容式傳感器為基本原理，向激勵電極通入高頻電壓以形成電容式傳感器，激勵電壓電路框圖如圖 3-14 所示。

　　由于激勵電極安裝在測量管和襯里之間，激勵電壓電路在工作的過程中需要一定大小的高頻電壓用以擊穿襯里材料，所以采用變壓器以得到不同大小的擊穿電壓值，工控板用來控制整個激勵電路。
4小結(jié)
　　　非滿管電磁流量計重點介紹了一種新的非滿管電磁流量計的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是以電容式傳感器為基本原理，利用電容和液位的高度關(guān)系來進行測量。同時分析了非滿管電磁流量計基本的工作原理、簡要介紹了流量信號的處理方法，為后面實驗方案及裝置的設(shè)計打下了基礎(chǔ)。

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