一、电磁流量计的发展概况及现状

电磁流量计是20世纪50年代末出现的一种新型流量测量仪器。20世纪60年代初，美国科学家J.M.F.C和J.R.E.R两位科学家发明了电磁流量计，并在未来十年得到了广泛的应用。由于电磁流量计具有体积小、重量轻、测量精度高、安装维护方便等优点，近年来在生产中得到了实际应用。电磁流量计是一种将磁通变化转化为电信号或光信号输出电信号的装置。其基本原理是法拉第的电磁感应定律。电磁阀的工作原理与电磁流量计相同，也是法拉第电磁感应定律的体现。

自20世纪60年代以来，国外一直在研发和使用磁通流量传感器，主要包括压电流量计、压电电磁流量计和热电流量计。其中，压电磁感应流量计以其独特的优点引起了人们的极大关注。由于工业生产中产生的大量腐蚀性介质对测量仪器具有很强的腐蚀性，因此在一些高腐蚀工业中必须进行防腐处理。

为了提高仪器性能，降低材料腐蚀要求，提高仪器耐腐蚀性，使其具有使用寿命长的优点，国内外开发了金属-非金属复合材料、有机聚合物复合材料、导电橡胶复合材料等一系列新型非选择性材料。

目前，我国已成功开发出耐腐蚀的非金属电磁传感器，广泛应用于生产过程中，主要是橡胶塑料复合材料和导电聚合物复合导电膜传感器；由于其可靠性高、使用寿命长，广泛应用于化工、电力、冶金等行业；此外，基于热敏元件和热敏元件结合原理的非选择性材料电磁传感器已应用于我国工业生产。

二、梯形波励磁原理及其优缺点

在电磁流量计的工作过程中，流体和转子之间的相互作用会产生涡流、摩擦和电磁干扰。当转子处于磁场作用时，它感应电动势（If）等于感应磁场强度（Ic）与电磁流量计的磁阻（Mu）积累。磁阻是电磁流量计测量电流与磁场之间的关系，其单位为：M/A。磁阻大小与流量和流量直接相关。在实际流体中，如果流量和流量较小，则磁阻较大。例如，一滴水可以绕过几个磁铁形成一个完整的电流，一滴水也可以形成一个完整的磁滞电流，防止磁滞流现象；当流量较大时，流量也会迅速增加，这就是所谓的脉动现象。

在这种情况下，通过测量交流电的极性和电流大小，可以获得相关的电流强度、电压大小和电磁流量计量范围。

梯形波励磁技术是电磁流量计发展的一个新方向。自1976年首次由外国著名专家教授提出以来，它得到了迅速的推广和应用。世界上许多学者研究了梯形波励磁技术，并取得了一些成果。

三、梯形波磁阻抗测量原理

磁阻是电磁流量计的基本参数之一。磁信号和电信号有相同的数学形式，但它们的物理意义完全不同。前者是磁通量，后者是电流-磁通量。磁场中有一种特殊的磁性物质叫做磁体。当磁场中的匀速圆周运动时，由于自身重力和磁力的作用，它保持了平衡。当电磁流量计处于电磁感应作用时，转子内部的线圈会产生电流——这种电流具有特殊的形状——梯形波电流，其波形为矩形。

为了实现电磁流量计测量装置各部件之间的摩擦接触，电磁流量计在测量管径范围内有一个恒定的磁场——恒定的磁场。当外部磁场通过测量线圈作用于磁路时，产生电磁感应电势，感应电势与线圈中的电流成正比。为了使磁感应强度在单位时间内变得越来越大（因为电磁流量计的内部磁场会随着流体的运动而变化），磁路需要不断变化。当电磁流量计测量管内流动的液体体积时，如果没有涡流和摩擦的影响，可以利用励磁原理实现磁阻与导电之间的关系解决。

四、梯形波励磁在测量过程中存在的问题和限制

(1)梯形波励磁磁阻特性分析

梯形波磁场中的磁阻主要受以下因素影响：（1）工频交流电的频率一般为几十到几百赫兹。（2）电流主要由线圈产生。（3）线圈材料。（4）工频交流电的电压、频率和匝数。

由于不同的因素，梯形波磁场中影响磁阻变化的因素很多。我们可以通过模拟分析来判断梯形波励磁线圈在实际应用过程中会受到哪些因素的影响。首先，工频交流电在测量电磁流量计的使用中起着非常重要的作用。如果工频交流电能直接激励电磁流量计，测量精度会大大提高。其次，在不同介质条件下，电磁流量计会有不同程度的电阻变化和磁阻变化。在这种变化中，我们会看到一个电阻等于电容值和大小相同的结果(即电容-电阻=容抗)。因此，我们可以通过分析磁路对电容和电感的影响来判断磁阻的大小和高度。

当线圈进入一定频率的交流电时，线圈中形成一定长度和宽度的电路是典型、复杂和非常重要的物理现象之一。主要原因是受磁场方向、电压等因素的影响，导致电磁流量计工作点的磁阻变化和电容与电感之间的关系变化。

（2）测量管道的几何尺寸和电磁线圈的尺寸

在测量过程中，管道的几何尺寸会影响电磁流量计测量的流量。在满足测量条件的情况下，几何尺寸越小，所需的流量就越小；相反，流量就越大。因此，应选择较小或较大的几何尺寸来满足测量条件。在测量过程中，由于磁场方向随流体流动方向而变化，不同流态下产生的磁场方向也不同。因此会对线圈长度产生影响：如果液体较薄时产生弱磁分量，则在液体较厚时产生强磁分量。此外，它还会影响线圈中阻抗的大小和分布，从而影响磁路中磁阻与导电的关系：如果阻抗过小，磁感应强度会增加；当阻抗过大时，磁力线会通过线圈受阻。为减少上述问题对测量结果的误差，首先考虑允许范围内的管道截面积；其次，线圈直径不小于流体流量直径；最后，在满足管道安装条件的情况下，尽量减少磁路中的电流损耗。对于矩形线圈，如果磁场为正弦分布，磁化场方向为圆形，线圈中的磁导和磁滞就会减小。对于圆管，磁感应强度主要与管径、管长有关。

圆柱形线圈和矩形波线圈可以串联起来，以提高测量精度，减少干扰因素对测量结果的影响。

五、实际应用中的几个问题及解决方案

为了准确测量流量，需要对梯形波励磁系统进行精确建模，并结合运行过程中的主要问题进行相关研究。

（1）结构复杂。对梯形波励磁系统各模块之间的连接进行了深入研究，包括励磁线圈、换能器、信号放大器和驱动电路。

（2）电磁流量传感器存在漂移问题。在实际应用中，流量传感器往往存在漂移现象，主要是由于电磁流量计中的励磁线圈在某些情况下误差较大造成的。

（3）梯形波激励信号的畸变。根据电磁场理论，梯形波测量过程中存在一定的畸变，主要是由于梯形波激励信号本身具有一定的非线性，干扰被测介质。

针对上述问题，提出了基于自适应滤波算法的电磁流量计电源干扰抑制方案。梯形波励磁系统设计为可调模块化拓扑结构。当信号发生变化时，通过调整内部功率级实现自适应滤波和电源干扰抑制；当流量信号发生变化时，通过调整外部功率级实现自适应滤波和电源干扰抑制，可有效减少信号干扰，提高流量测量精度。