關于電磁水表采集頻率在實際應用中的差異研究

馬宏澤，傅俊杰，杜 亮，楊 森，劉 芳

（天津市迅爾儀表科技有限公司，天津300000）

電磁水表作為一款專用于漏損控制、大用戶貿易結算的計量類產品，目前廣泛應用于各大自來水公司遠程抄表系統。 電磁水表解決了傳統機械式水表始動流速高、量程窄、易磨損、難維護等諸多問題，但在解決問題的同時，又帶來了一項新的問題：因其高功耗的特性，很難滿足在電池供電的前提下長久工作。 各大主流廠家均采用了通過降低采集信號頻率從而實現降低功耗的辦法，以延長電磁水表的使用壽命。

本文通過對各類信號采集頻率的電磁水表進行橫向準確度對比，以討論出一個合理的采集頻率間隔，用于提升國產電磁水表的產品品質。

1 電磁水表工作原理

電磁水表是依據法拉第電磁感應定律的工作原理來測量導電液體體積流量的計量器具，是流體力學與電磁學結合的產物。 即導體在磁場中切割磁力線運動時在其電極兩端產生感應電動勢，流體流速與產生的感應電動勢大小成正比，通過對感應電動勢的測量，推理出流體的瞬時流速，瞬時流速與管道橫截面積的乘積則為當下時間點的瞬時流量，通過對測量時間進行積分，從而得出一段時間內通過電磁水表電極橫截面的累積水流量[1]。 電磁水表原理如圖1 所示。

圖1 電磁水表原理圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic water meter

電磁水表由流量傳感器和轉換器兩大部分組成，測量管上下裝有勵磁線圈，通勵磁電流后產生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸，引出感應電動勢，送到轉換器。 如圖2 所示。

圖2 電磁水表圖片Fig.2 Photo of electromagnetic water meter

感應電動勢：

式中：E 為感應電動勢；B 為磁感應強度；V 為導電液體平均流速；K 為與磁場分布及軸向長度有關的系數。

2 電磁水表不同勵磁方式簡介

2.1 世界主流生產廠家勵磁方式

電磁水表工作原理與電磁流量計近似，其最大區別在于供電方式， 電磁流量計采用220 V AC 或24 V DC 等長供電方式， 可使轉換器時時刻刻對勵磁線圈進行供電， 產生的磁場也是連續不斷的，我們稱之為傳統勵磁方式。 電磁水表因其使用地點一般無法給與外部供電，因此電磁水表只能依靠自身的電池進行供電，因此，如何降低功耗、減少電池電量損失，則是電磁水表研發的主要難題。

1990年，日本愛知時計株式會社生產出了全球第一臺電磁水表，該產品采用剩磁技術，通過在勵磁線圈中增加半硬磁磁性材料的鐵芯結構，從而實現了磁場保留，轉換器對勵磁線圈間斷性供電，即可滿足磁場永存，從而實現其測量要求，該技術使電磁水表整機功耗不足1 W，電池使用壽命可達10年之久。

1998年，ABB 公司另辟蹊徑，通過轉換器算法，對傳統勵磁方式進行了優化，每15 s 對勵磁線圈進行1 次供電，在產生磁場的時刻進行瞬時流量計量，通過對多時刻數據點進行采樣，計算出流量平均值，從而達到累積計算的目的[2]。該方式同樣解決了勵磁線圈需要實時供電的難題， 大幅度增加了電磁水表使用壽命。 目前，國內主要生產廠家均采用了ABB 公司的降耗方式進行產品生產。產品參數如表1 所示。

表1 電磁水表主要制造商產品參數Tab.1 Parameters of main manufacturers of electromagnetic water meters

2.2 剩磁勵磁方式與傳統勵磁方式對比

傳統勵磁方式連續消耗著勵磁電流，為了增加電池的續航時間，電磁水表只能間歇性工作，大部分時間在休眠中。 剩磁技術的勵磁方式通過脈沖電流激勵勵磁，由于電感的作用，電流波形呈尖峰狀，電流流過線圈后，向半硬磁磁性材料做成的磁芯充磁，形成所需要的工作磁場。 殘留磁場勵磁方式的工作磁場并不因脈沖電流的撤銷而撤銷，一直到下一個脈沖電流反向通過線圈勵磁前，始終穩定保持同一方向的磁場。 殘留磁場勵磁方式中，如果將勵磁脈沖電流產生的時間設計成勵磁周期的1/100，若產生同樣磁場強度，與傳統勵磁方式相比，殘留磁場勵磁方式的能量消耗僅為傳統間歇勵磁方式的1/50，為傳統常供電勵磁方式的1/5000[3]。

殘留磁場勵磁方式的電池節能，是依靠微弱的電能和半硬磁材料的磁能進行能量轉換獲得的，而不是持續消耗電池的電流獲得的。 信號采樣與殘留磁場勵磁同頻率方波磁場所感應的流量信號，既能保持連續流量測量的高分辨率和高精度，也能達到良好的節能效果，是電磁水表最理想的勵磁方法[4]。

采用傳統勵磁方式時，為了減少電池的消耗通常采用長時間休眠， 減少流量信號的采樣次數，多數公司使用15 s 測量一次。 這樣，當現場實際流量頻繁變化時，可能檢測不到15 s 期間流量變化而造成的測量誤差。 如圖3、圖4 所示。

圖3 傳統勵磁方式電流與磁通密度的關系Fig.3 Relation between current and flux density in the traditional excitation mode

圖4 剩磁技術勵磁方式電流與磁通密度的關系Fig.4 Relation between current and flux density in the residual magnetizing mode

電磁水表采用不同勵磁方式的采樣時間比較，如圖5 所示，圖中給出了殘留磁場勵磁方式和長期休眠的傳統勵磁方式測量過程的采樣分辨率和平均流量。 我們通過以下實驗對2 種不同勵磁方式的電磁水表進行可靠性研究。

圖5 電磁水表采用不同勵磁方式的采樣時間比較Fig.5 Sampling time of the electromagnetic water meter with different excitation mode is compared

實驗表具：容積式水流量校驗裝置1 套；被校表A：傳統勵磁方式電磁水表1 臺；被校表B：剩磁技術勵磁方式電磁水表1 臺。

實驗方式：（1） 把被校表A 與被校表B 在同一標定裝置同一管道上串聯起來，進行起停法標定，確保2 臺被校表精度一致；（2）標定完成后，在量程范圍內的選擇2 個流量點，進行流量持續性隨機變化，觀測一段時間內2 臺被校表累積量變化值[5]。

3 結語

很明顯，采用殘留磁場勵磁方式的電磁水表能夠分辨15 s 內流量的變化，其測量平均值比長休眠傳統勵磁方式電磁水表的平均值更接近實際。 因為長休眠傳統勵磁方式電磁水表對15 s 以內的流量變化分辨不出來，因此，傳統勵磁方式電磁水表將產生較大的測量誤差。