题目：电磁流量计励磁系统的研究与优化

电磁流量计是工业过程参数测量中广泛应用的一种流量测量仪表，测量精度可达 0.2%~ 0.5%。励磁系统是电磁流量计的一个重要组成部分，励磁系统包括电磁流量传感器中的励磁线圈和电磁流量转换器中的励磁电路。一方面，励磁线圈的结构直接决定了测量管道内的磁场分布，优化励磁线圈能够减小电磁流量计受流型影响的程度，这对于大管径电磁流量计缩短弯管后前置直管段长度，提高流量计测量精度尤为重要；另一方面，励磁方式的选择直接决定了检出信号的稳定性和励磁电路的抗干扰能力，目前常用的矩形波励磁稳定性好，但采样速率低下，因此，设计高性能的励磁方式需要提高电磁流量计的采样速率，从而扩展流量计的应用范围。本文对励磁线圈和励磁方式的优化进行了深入的研究。励磁线圈的优化从电磁流量计所满足的基本微分方程式出发，结合权重矢量的概念，采用有限元计算方法对电磁流量计进行了建模。本文的线圈优化针对50mm口径的电磁流量计进行，提出了线圈优化的算法，并采用两步优化的方式实现了线圈最优尺寸的设计。励磁方式是产生期望磁场的先决条件。本文从方波激励的机理出发，根据线性系统理论探究了方波励磁和正弦波励磁之间的关系。利用直接数字频率合成技术，研究了基于FPGA的高精度励磁方式，并分析对比了不同方法的工作性能。此外，论文还对电磁流量计弯管下游的安装角度进行了优化，以流量计测量误差最小为优化准则，通过有限元方法计算得出了最优的安装角度。最后，实验结果验证了励磁线圈优化设计的正确性，优化后线圈的效果与非优化的对比主要体现在两个方面：一是优化后的电磁流量计对非轴对称流型的敏感程度减小了，二是优化后的流量计在小流量下表现出较好的重复性和线性度。另外，流量计安装角度的优化也得到了验证。