（寧波水表股份有限公司，姚 靈）
摘要 文章描述了采用恒磁勵(lì)磁傳感技術(shù)的水流量測(cè)量傳感器在電子水表或流量計(jì)應(yīng)用中存在的極化干擾電勢(shì)影響等問(wèn)題，分析了產(chǎn)生干擾的原因和機(jī)理，提出了解決極化干擾電勢(shì)的幾種主要方法和技術(shù)。文章的結(jié)論是恒磁勵(lì)磁傳感技術(shù)在水流量計(jì)量?jī)x表方面的應(yīng)用會(huì)隨著技術(shù)進(jìn)步而逐步擴(kuò)大，其性能會(huì)逐步改善。
關(guān)鍵詞 恒磁勵(lì)磁 流量傳感器 極化電勢(shì) 電磁流量計(jì) 射流流量計(jì) 渦街流量計(jì)
中圖分類號(hào): TH814 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
一．概述
恒磁勵(lì)磁流量傳感技術(shù)由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、勵(lì)磁不用電源、磁感應(yīng)強(qiáng)度高、對(duì)管道振動(dòng)不敏感等特點(diǎn)，因此可廣泛應(yīng)用于渦街流量計(jì)、射流流量計(jì)等以頻率量為被測(cè)量的流量測(cè)量?jī)x器，也可用于以電壓量為被測(cè)量的電磁流量計(jì)等產(chǎn)品。其基本工作原理是：當(dāng)導(dǎo)電液體介質(zhì)（如飲用水）流過(guò)非導(dǎo)磁體測(cè)量管或計(jì)量腔切割由恒定磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律導(dǎo)電液體介質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)放置在與磁力線和測(cè)量管相互垂直的一對(duì)電極可將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引出；由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與恒定磁場(chǎng)B的強(qiáng)度、介質(zhì)的平均流速v成正比，因此可從感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的強(qiáng)弱來(lái)測(cè)定被測(cè)介質(zhì)的流速，見下式
E = k B D v （1）
式中：E — 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V; k — 調(diào)整系數(shù)；
B — 磁感應(yīng)強(qiáng)度，T; D — 測(cè)量管內(nèi)徑，m;
v — 測(cè)量管內(nèi)導(dǎo)電液體介質(zhì)平均流速，m/s。
而流量傳感器輸出的體積流量則為，
qv = ( π D/4 k )·(E /B) （2）
其工作原理見下圖，
圖1
基于恒磁勵(lì)磁的渦街流量檢測(cè)方法是根據(jù)被測(cè)流體在測(cè)量管內(nèi)受到阻流體作用后形成周期性旋渦切割磁力線而產(chǎn)生有一定頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)這一原理工作的。由于被測(cè)流速與旋渦頻率成比例，因此可以通過(guò)一組電極檢測(cè)出有一定幅值E的頻率量f作為被測(cè)量；射流流量電磁檢測(cè)法與渦街流量檢測(cè)法在原理上是基本相同的，即被測(cè)流體在射流（計(jì)量）腔中由于附壁效應(yīng)產(chǎn)生反饋振蕩而切割磁力線，在其電極上輸出一定幅值的頻率量。兩種傳感方式都可以做成單端信號(hào)輸出形式或差動(dòng)信號(hào)輸出形式。
由于恒磁勵(lì)磁傳感器無(wú)需電源勵(lì)磁，因此非常適合用于電池供電的微功耗流量計(jì)和電子水表。而阻礙恒磁勵(lì)磁傳感技術(shù)推廣應(yīng)用的極化干擾電勢(shì)以及其它不利影響，目前已可采用某些新的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)對(duì)其作出處理，削弱其影響，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用之目的。
當(dāng)今供排水行業(yè)已有采用恒磁勵(lì)磁傳感技術(shù)的渦街、射流流量計(jì)產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)例，采用恒磁勵(lì)磁的電磁流量計(jì)也在研制和改善中。本文將對(duì)該傳感技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)電液體介質(zhì)的流量（或總量）測(cè)量時(shí)由于傳感原理而造成的各種干擾和誤差作出簡(jiǎn)要分析和探討。
二．由傳感原理產(chǎn)生的噪聲及干擾
1.極化電勢(shì)引入的干擾
水是一種由有極分子組成的導(dǎo)電液體電介質(zhì)，在電場(chǎng)力的作用下（假設(shè)由恒磁勵(lì)磁傳感器的兩電極產(chǎn)生），介質(zhì)分子中的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，在其邊界與外電場(chǎng)垂直的兩表面上就會(huì)出現(xiàn)極化電荷，形成極化電勢(shì)。極化電勢(shì)的大小與外電場(chǎng)的大小成比例，但極化電勢(shì)反過(guò)來(lái)又會(huì)影響外電場(chǎng)。由于極化電勢(shì)是流量和溫度等變量的函數(shù)，因此在電極上就會(huì)形成變化規(guī)律很復(fù)雜的極化干擾電勢(shì)，同時(shí)也較難從被測(cè)流量信號(hào)中分離出去。同時(shí)，直流電動(dòng)勢(shì)的存在會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)中的正負(fù)離子向不同極性的電極移動(dòng)，使電極間的內(nèi)阻增大，也會(huì)影響傳感器的正常工作。
2.原電池效應(yīng)引入的干擾
在導(dǎo)電液體中的兩電極，當(dāng)其電極材料成分有微小變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生原電池效應(yīng)，即在電極回路上會(huì)產(chǎn)生微弱電流，并通過(guò)信號(hào)處理的輸入回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于導(dǎo)電液體流動(dòng)狀態(tài)的不確定性，因此在電極上也會(huì)形成某種隨機(jī)干擾。
3.流動(dòng)噪聲引入的干擾
當(dāng)被測(cè)流體在測(cè)量管（或計(jì)量腔）內(nèi)流動(dòng)時(shí)，使極化電荷隨之移動(dòng)，流量傳感器電極上就會(huì)感應(yīng)出所謂的“流動(dòng)噪聲”。它的量值和變化狀態(tài)不但與被測(cè)流體的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、運(yùn)動(dòng)粘度、以及流體流動(dòng)速度等有關(guān)，還與勵(lì)磁方式有關(guān)。在相同條件下，恒磁勵(lì)磁時(shí)的流動(dòng)噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是比較嚴(yán)重的。
4.直流放大器漂移引入的干擾
恒磁勵(lì)磁傳感方式使某些被測(cè)流量信號(hào)是以直流電勢(shì)的大小來(lái)衡量流量信號(hào)的強(qiáng)弱（如恒磁勵(lì)磁的電磁流量計(jì)），因此前級(jí)信號(hào)處理必須使用直流放大器。但直流放大器的零漂和噪聲等誤差會(huì)直接疊加到流量信號(hào)上，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性；特別是在微小流量測(cè)量時(shí)，其影響程度就更為嚴(yán)重。
5.電極材料差異引入的干擾
當(dāng)電極材料的材質(zhì)或成分有差異，即金屬電極的材料標(biāo)準(zhǔn)電位不一致時(shí)，兩電極間就會(huì)形成一固定的電位差。該電位差的存在（可以達(dá)到數(shù)百毫伏），一方面會(huì)加劇極化干擾影響的程度，同時(shí)也會(huì)使前級(jí)放大器產(chǎn)生堵塞，影響測(cè)量線性度。
由于上述極化電勢(shì)等干擾的存在，使得在低電導(dǎo)率流體測(cè)量時(shí)被測(cè)小流量信號(hào)會(huì)被干擾電勢(shì)所覆蓋，這也使恒磁勵(lì)磁傳感技術(shù)在流量?jī)x表中的應(yīng)用受到了普遍的質(zhì)疑和排斥。為此必須尋找適合的方法及途徑來(lái)解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)新的突破。
三．消除噪聲和干擾的主要途徑及方法
1.極化與干擾電勢(shì)的抵償
方法一：在非采樣期內(nèi)，用中頻交變方波電場(chǎng)接通恒磁勵(lì)磁傳感器的兩電極，以消除勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生的極化電勢(shì)的干擾；而在采樣期內(nèi)，由微處理器將兩電極自動(dòng)切換到測(cè)量前置放大器的輸入端，對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，見圖2。
圖2
方法二：用開關(guān)電路周期性地使傳感器兩電極接地或采集測(cè)量信號(hào)，以定期地抵消形成在測(cè)量電極上的摩擦電荷與其他雜散電荷。
方法三：所謂的“動(dòng)態(tài)反饋控制法”。其方法是：對(duì)兩個(gè)電極進(jìn)行周期性地測(cè)量時(shí)段和控制時(shí)段的交替工作方式，并使每個(gè)控制時(shí)段的電極電勢(shì)等于負(fù)的測(cè)量時(shí)段的電極電勢(shì)測(cè)量值，以消除電極電勢(shì)信號(hào)中的極化，從而直接從兩電極信號(hào)的差值求得流體流速值。其工作原理見圖3。
圖3
2.電極電解拋光
通過(guò)對(duì)傳感器兩電極的電解拋光處理（施加正的直流電壓或交流電壓），使其表面形成極其光滑并且有光澤的界面，并在5納米內(nèi)的深度里具有鉻元素密度高于鐵元素密度的特性，見圖4。拋光處理后的電極在被測(cè)流體中浸泡一段時(shí)間，就能較大幅度降低“流動(dòng)噪聲”對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響。
圖4
3.流場(chǎng)調(diào)整
采用流場(chǎng)調(diào)整裝置對(duì)被測(cè)流體流動(dòng)分布狀態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)整，提高流體雷諾數(shù)，使射流水表或渦街水表測(cè)量限下移，測(cè)量穩(wěn)定性提高。因此間接提高了傳感器的信噪比，降低了噪聲對(duì)有用信號(hào)的干擾。如射流水表在采用了流場(chǎng)調(diào)整裝置后，被測(cè)流量的雷諾數(shù)下限可以降低到102數(shù)量級(jí)，大大提高了測(cè)量小流量的計(jì)量特性。
4.信號(hào)差動(dòng)檢測(cè)
流量傳感器采用差動(dòng)電極技術(shù)和差動(dòng)放大器檢測(cè)方法，可以使有用信號(hào)幅度增加一倍，明顯提高了流量?jī)x表的信噪比；同時(shí)也可以抵消由外界溫度、振動(dòng)等因數(shù)引起的各種干擾，提高儀表綜合性能，特別是小流量測(cè)量靈敏度。
5.電極材料的選配與加工
選擇材料成分一致性好、標(biāo)準(zhǔn)電位相同、耐腐蝕的電極材料制作傳感器電極，同時(shí)采用拋光等方法提高電極加工后的表面粗糙度（要求Ra≤0.05µm），使電極在使用中具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能。
6.對(duì)直流被測(cè)信號(hào)進(jìn)行特殊處理
采用“調(diào)制”技術(shù)對(duì)被測(cè)直流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使直流信號(hào)“交流化”，這樣可以使用高性能的交流放大器進(jìn)行信號(hào)放大處理，再經(jīng)解調(diào)處理后還原成原有信號(hào)；同時(shí)還可使用模擬或數(shù)字濾波技術(shù)，以及采用相關(guān)或頻譜分析技術(shù)對(duì)被測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)進(jìn)行分離，達(dá)到最大限度地提高信噪比之目的。
四．結(jié)語(yǔ)
隨著信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，恒磁勵(lì)磁流量傳感技術(shù)所固有的極化干擾電勢(shì)等影響正在逐步削弱和消除，而其所擁有的各種優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)也在同步顯現(xiàn)中。因此我們有充分理由相信，應(yīng)用恒磁勵(lì)磁傳感技術(shù)的水流量測(cè)量?jī)x表一定會(huì)有其更廣闊的應(yīng)用范圍，其各項(xiàng)性能指標(biāo)也將得到進(jìn)一步的完善和提高。
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The Polarization Disturbance Analysis For Water Flow Measurement On Permanent Magnetic Field Encourage Transducer Technology
yaoling
(Ningbo Water Meter Co.,Ltd , ZhejiangNingbo , 315032)
abstract This paper describes the polarization disturbance voltage influence problem for water flow measurement transducer at electronic water meter or flowmeter on permanent magnetic field encourage transducer technology ,analysing the season of producing disturbance, advancing the several method and technique for eliminating polarization disturbance voltage influence.
keywords Permanent magnetic field encourage Flow-rate transducer Polarization voltage Electromagnetic flowmeter Fluidic flowmeter Vortex-shedding flowmeter
注：本文曾發(fā)表于2009年第8期《儀表技術(shù)》雜志
作者簡(jiǎn)介：寧波水表股份有限公司技術(shù)總監(jiān)，教授級(jí)高級(jí)工程師，寧波大學(xué)兼職教授
主要研究方向：幾何量精密測(cè)量及水流量測(cè)量技術(shù)
通信方式：寧波市 江北區(qū) 北海路 268弄 99號(hào)， 寧波水表股份有限公司 姚 靈
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