摘要：近年來，國(guó)家對(duì)節(jié)能減損提出了更高的要求，各省市地區(qū)自來水公司將降低漏損率作為了公司的首要任務(wù)，提高產(chǎn)銷差率無疑是對(duì)節(jié)能、增效的有利保障。 電磁供電電磁流量計(jì)作為一款新型計(jì)量產(chǎn)品恰好滿足了水計(jì)量市場(chǎng)的需求。 電磁供電電磁流量計(jì)因其獨(dú)特的電池供電模式，滿足了其安裝地點(diǎn)無市電供電的要求，各生產(chǎn)廠家為了提升電磁供電電磁流量計(jì)的使用年限，主要通過降低信號(hào)采集頻率的方式進(jìn)行降低功耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省電能的效果。 該文主要通過具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，討論各種采集頻率間隔的電磁供電電磁流量計(jì)在實(shí)際計(jì)量中所造成的準(zhǔn)確度影響。

電磁供電電磁流量計(jì)作為一款專用于漏損控制、大用戶貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量類產(chǎn)品，目前廣泛應(yīng)用于各大自來水公司遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。 電磁供電電磁流量計(jì)解決了傳統(tǒng)機(jī)械式水表始動(dòng)流速高、量程窄、易磨損、難維護(hù)等諸多問題，但在解決問題的同時(shí)，又帶來了一項(xiàng)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(zhǎng)久工作。 各大主流廠家均采用了通過降低采集信號(hào)頻率從而實(shí)現(xiàn)降低功耗的辦法，以延長(zhǎng)電磁供電電磁流量計(jì)的使用壽命。

本文通過對(duì)各類信號(hào)采集頻率的電磁供電電磁流量計(jì)進(jìn)行橫向準(zhǔn)確度對(duì)比，以討論出一個(gè)合理的采集頻率間隔，用于提升國(guó)產(chǎn)電磁供電電磁流量計(jì)的產(chǎn)品品質(zhì)。

1 電磁供電電磁流量計(jì)工作原理

電磁供電電磁流量計(jì)是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的工作原理來測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的計(jì)量器具，是流體力學(xué)與電磁學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。 即導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在其電極兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，流體流速與產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小成正比，通過對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量，推理出流體的瞬時(shí)流速，瞬時(shí)流速與管道橫截面積的乘積則為當(dāng)下時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)流量，通過對(duì)測(cè)量時(shí)間進(jìn)行積分，從而得出一段時(shí)間內(nèi)通過電磁供電電磁流量計(jì)電極橫截面的累積水流量 [1] 。 電磁供電電磁流量計(jì)原理如圖 1 所示。

電磁供電電磁流量計(jì)由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部分組成，測(cè)量管上下裝有勵(lì)磁線圈，通勵(lì)磁電流后產(chǎn)生磁場(chǎng)穿過測(cè)量管，一對(duì)電極裝在測(cè)量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，送到轉(zhuǎn)換器。 如圖 2 所示。

式中： E 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度； V 為導(dǎo)電液體平均流速； K 為與磁場(chǎng)分布及軸向長(zhǎng)度有關(guān)的系數(shù)。

2 電磁供電電磁流量計(jì)不同勵(lì)磁方式簡(jiǎn)介

2.1 世界主流生產(chǎn)廠家勵(lì)磁方式

電磁供電電磁流量計(jì)工作原理與電磁流量計(jì)近似，其較大區(qū)別在于供電方式， 電磁流量計(jì)采用 220 V AC 或24 V DC 等長(zhǎng)供電方式， 可使轉(zhuǎn)換器時(shí)時(shí)刻刻對(duì)勵(lì)磁線圈進(jìn)行供電， 產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是連續(xù)不斷的，我們稱之為傳統(tǒng)勵(lì)磁方式。 電磁供電電磁流量計(jì)因其使用地點(diǎn)一般無法給與外部供電，因此電磁供電電磁流量計(jì)只能依靠自身的電池進(jìn)行供電，因此，如何降低功耗、減少電池電量損失，則是電磁供電電磁流量計(jì)研發(fā)的主要難題。1990 年，日本愛知時(shí)計(jì)株式會(huì)社生產(chǎn)出了全球第一臺(tái)電磁供電電磁流量計(jì)，該產(chǎn)品采用剩磁技術(shù)，通過在勵(lì)磁線圈中增加半硬磁磁性材料的鐵芯結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)保留，轉(zhuǎn)換器對(duì)勵(lì)磁線圈間斷性供電，即可滿足磁場(chǎng)永存，從而實(shí)現(xiàn)其測(cè)量要求，該技術(shù)使電磁供電電磁流量計(jì)整機(jī)功耗不足 1W ，電池使用壽命可達(dá) 10 年之久。1998 年， ABB 公司另辟蹊徑，通過轉(zhuǎn)換器算法，對(duì)傳統(tǒng)勵(lì)磁方式進(jìn)行了優(yōu)化，每 15s 對(duì)勵(lì)磁線圈進(jìn)行1 次供電，在產(chǎn)生磁場(chǎng)的時(shí)刻進(jìn)行瞬時(shí)流量計(jì)量，通過對(duì)多時(shí)刻數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行采樣，計(jì)算出流量平均值，從而達(dá)到累積計(jì)算的目的 [2] 。該方式同樣解決了勵(lì)磁線圈需要實(shí)時(shí)供電的難題， 大幅度增加了電磁供電電磁流量計(jì)使用壽命。 目前，國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家均采用了 ABB 公司的降耗方式進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。產(chǎn)品參數(shù)如表 1 所示。

2.2 剩磁勵(lì)磁方式與傳統(tǒng)勵(lì)磁方式對(duì)比

傳統(tǒng)勵(lì)磁方式連續(xù)消耗著勵(lì)磁電流，為了增加電池的續(xù)航時(shí)間，電磁供電電磁流量計(jì)只能間歇性工作，大部分時(shí)間在休眠中。 剩磁技術(shù)的勵(lì)磁方式通過脈沖電流激勵(lì)勵(lì)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(chǎng)。 殘留磁場(chǎng)勵(lì)磁方式的工作磁場(chǎng)并不因脈沖電流的撤銷而撤銷，一直到下一個(gè)脈沖電流反向通過線圈勵(lì)磁前，始終穩(wěn)定保持同一方向的磁場(chǎng)。 殘留磁場(chǎng)勵(lì)磁方式中，如果將勵(lì)磁脈沖電流產(chǎn)生的時(shí)間設(shè)計(jì)成勵(lì)磁周期的 1/100 ，若產(chǎn)生同樣磁場(chǎng)強(qiáng)度，與傳統(tǒng)勵(lì)磁方式相比，殘留磁場(chǎng)勵(lì)磁方式的能量消耗僅為傳統(tǒng)間歇?jiǎng)?lì)磁方式的 1/50 ，為傳統(tǒng)常供電勵(lì)磁方式的 1/5000 [3] 。殘留磁場(chǎng)勵(lì)磁方式的電池節(jié)能，是依靠微弱的電能和半硬磁材料的磁能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換獲得的，而不是持續(xù)消耗電池的電流獲得的。 信號(hào)采樣與殘留磁場(chǎng)勵(lì)磁同頻率方波磁場(chǎng)所感應(yīng)的流量信號(hào)，既能保持連續(xù)流量測(cè)量的高分辨率和高精度，也能達(dá)到良好的節(jié)能效果，是電磁供電電磁流量計(jì)較理想的勵(lì)磁方法 [4] 。采用傳統(tǒng)勵(lì)磁方式時(shí)，為了減少電池的消耗通常采用長(zhǎng)時(shí)間休眠， 減少流量信號(hào)的采樣次數(shù)，多數(shù)公司使用 15 s 測(cè)量一次。 這樣，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流量頻繁變化時(shí)，可能檢測(cè)不到 15 s 期間流量變化而造成的測(cè)量誤差。 如圖 3 、圖 4 所示。

電磁供電電磁流量計(jì)采用不同勵(lì)磁方式的采樣時(shí)間比較，如圖 5 所示，圖中給出了殘留磁場(chǎng)勵(lì)磁方式和長(zhǎng)期休眠的傳統(tǒng)勵(lì)磁方式測(cè)量過程的采樣分辨率和平均流量。 我們通過以下實(shí)驗(yàn)對(duì) 2 種不同勵(lì)磁方式的電磁供電電磁流量計(jì)進(jìn)行可靠性研究。

實(shí)驗(yàn)表具：容積式水流量校驗(yàn)裝置 1 套；被校表 A ：傳統(tǒng)勵(lì)磁方式電磁供電電磁流量計(jì) 1 臺(tái)；被校表 B ：剩磁技術(shù)勵(lì)磁方式電磁供電電磁流量計(jì) 1 臺(tái)。實(shí)驗(yàn)方式：（ 1 ） 把被校表 A 與被校表 B 在同一標(biāo)定裝置同一管道上串聯(lián)起來，進(jìn)行起停法標(biāo)定，確保 2 臺(tái)被校表精度一致；（ 2 ）標(biāo)定完成后，在量程范圍內(nèi)的選擇 2 個(gè)流量點(diǎn)，進(jìn)行流量持續(xù)性隨機(jī)變化，觀測(cè)一段時(shí)間內(nèi) 2 臺(tái)被校表累積量變化值 [5] 。

3 結(jié)語

很明顯，采用殘留磁場(chǎng)勵(lì)磁方式的電磁供電電磁流量計(jì)能夠分辨 15 s 內(nèi)流量的變化，其測(cè)量平均值比長(zhǎng)休眠傳統(tǒng)勵(lì)磁方式電磁供電電磁流量計(jì)的平均值更接近實(shí)際。 因?yàn)殚L(zhǎng)休眠傳統(tǒng)勵(lì)磁方式電磁供電電磁流量計(jì)對(duì) 15 s 以內(nèi)的流量變化分辨不出來，因此，傳統(tǒng)勵(lì)磁方式電磁供電電磁流量計(jì)將產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。