電磁流量計(jì)工作原理及選型

一、電磁流量計(jì)的概念

     電磁流量計(jì)(簡稱EMF)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種丈量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。50年代初電磁流量計(jì)(EMF)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用， 70年代后期泛起鍵控低頻矩形波激磁方式，逐漸替換早期應(yīng)用的工頻交流激磁方式，儀表機(jī)能有了很大進(jìn)步，得到更為廣泛的應(yīng)用。近年來，發(fā)展速度較快，2005年全球產(chǎn)量估計(jì)在20萬臺(tái)以上。目前，大口徑電磁流量計(jì)較多應(yīng)用于給排水工程，中小口徑常用于固液雙相等難測流體或高要求場所。如丈量造紙產(chǎn)業(yè)紙漿液和黑液、有色冶金業(yè)的礦漿、選煤廠的煤漿、化學(xué)產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)侵蝕液以及鋼鐵產(chǎn)業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制和監(jiān)漏，長間隔管道煤的水力輸送的流量丈量和控制。小口徑、微小口徑電磁流量計(jì)則常用于醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、食物產(chǎn)業(yè)、生物工程等有衛(wèi)生要求的場所。

二、原理與結(jié)構(gòu)

1、EMF的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，即導(dǎo)體在磁場中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。如圖1所示，導(dǎo)電性液體在垂直于磁場的非磁性丈量管內(nèi)活動(dòng)，與活動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電勢，電動(dòng)勢的方向按“弗來明右手規(guī)則”。
其詳細(xì)運(yùn)算公式可參看：HLDB電磁流量計(jì)

2、電磁流量計(jì)由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器（也叫換能器）兩大部門組成。傳感器典型結(jié)構(gòu)示意如圖2，丈量管上下裝有激磁線圈，通激磁電流后產(chǎn)生磁場穿過丈量管，一對電極裝在丈量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電勢，送到轉(zhuǎn)換器。激磁電流則由轉(zhuǎn)換器提供。
三、機(jī)能優(yōu)缺點(diǎn)

1、長處
電磁流量計(jì)的丈量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管，因不易梗阻合用于丈量含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等。
電磁流量計(jì)不產(chǎn)生因檢測流量所形成的壓力損失，儀表的阻力僅是統(tǒng)一長度管道的沿程阻力，節(jié)能效果明顯，對于要求低阻力損失的大管徑供水管道最為適合。
電磁流量計(jì)所測得的體積流量，實(shí)際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率（只要在某閾值以上）變化顯著的影響。
與其他大部門流量儀表比擬，前置直管段要求較低。
丈量范圍度大，通常為20：1～50：1，可選流量范圍寬。滿度值液體流速可在0.5～10m/s內(nèi)選定。
電磁流量計(jì)的口徑范圍比其他品種流量儀表寬，從幾毫米到3m。可測正反雙向流量，也可測脈動(dòng)流量，只要脈動(dòng)頻率低于激磁頻率良多。儀表輸出本質(zhì)上是線性的。
易于選擇與流體接觸件的材料品種，可應(yīng)用于侵蝕性流體。

2、缺點(diǎn)
電磁流量計(jì)不能丈量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品和有機(jī)溶劑等。不能丈量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。
通用型電磁流量計(jì)因?yàn)橐r里材料和電氣絕緣材料限制，不能用于200度以上高溫度的液體；同時(shí)不能用于低于50度以下液體，因丈量管外凝露（或霜）而破壞絕緣。

四、分類與應(yīng)用
目前，電磁流量計(jì)已發(fā)展成多種類型，分類方法也有良多種：

1．按勵(lì)磁方式分類
1）直流勵(lì)磁型 這種電磁流量計(jì)數(shù)目很少，只用于丈量液態(tài)金屬流量，如常溫下的汞和高溫下的液態(tài)鈉、鉀等。
2）交流工頻勵(lì)磁型 較早期的電磁流量計(jì)用50Hz工頻市電勵(lì)磁，因?yàn)橐资茈姶鸥蓴_和零點(diǎn)漂移等原因，現(xiàn)已逐漸被低頻矩形勵(lì)磁所代替。但在丈量泥漿、礦漿等液固兩相流時(shí)，低頻矩形波勵(lì)磁方式因?yàn)椴荒芸朔腆w掠過電極表面產(chǎn)生的尖峰噪聲，而工頻交流勵(lì)磁的儀表則不存在這一缺點(diǎn)，所以海內(nèi)外尚有一些電磁流量計(jì)仍采用交流勵(lì)磁方式。
3）低頻矩形波勵(lì)磁型 用于低頻矩形波勵(lì)磁方式功耗小，零點(diǎn)不亂，是目前電磁流量計(jì)的主要?jiǎng)?lì)磁方式。其波形有“正—負(fù)”二值和“正—零—負(fù)—零”三值兩種。有的電磁流量計(jì)勵(lì)磁頻率可以由用戶設(shè)定，一般小口徑儀表用較高頻率，大口徑儀表用較低頻率。
4）雙頻勵(lì)磁型 勵(lì)磁電流的波形是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波，主要為克服二值矩形波勵(lì)磁存在的漿液噪聲和活動(dòng)噪聲，進(jìn)步儀表的不亂性和響應(yīng)特性。

2．按傳感器和轉(zhuǎn)換器的組成分類
1）分離型 這是電磁流量計(jì)的主要型式。傳感器安裝在暢通流暢管道上，轉(zhuǎn)換器裝在儀表室內(nèi)或易于安裝和操縱的傳感器四周，間隔一般為數(shù)十到數(shù)百米。其好處是轉(zhuǎn)換器可闊別現(xiàn)場惡劣環(huán)境前提，電子器件的檢查、調(diào)整和丈量參數(shù)的比較利便。
2）一體型 傳感器和轉(zhuǎn)換器組裝在一起，裝在工藝管道上直接輸出反映流量大小的電流（或頻率）尺度信號(hào)。其好處是縮短了傳感器和轉(zhuǎn)換器之間的流量信號(hào)線和勵(lì)磁線的連接長度，沒有外界的這類布線，因此電器接線簡樸，價(jià)格也比較便宜。但易受管道布置的限制，假如安裝在人們不易接近的場所，維護(hù)很不利便；此外，轉(zhuǎn)換器中的電子器件裝在管道上，易受液體溫度和管道振動(dòng)的影響。

3．按連接方式分類
按流量傳感器與管道連接方法分類，有法蘭連接、法蘭夾裝連接、衛(wèi)生型連接和螺紋連接。

4．按用途分類
1）通用型 用于冶金、石化、造紙、輕紡、給排水、污水處理以及醫(yī)藥、食物、生物和精細(xì)化工等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的一般電磁流量計(jì)，是電磁流量計(jì)的主要類型。對被測介質(zhì)的電導(dǎo)率有一范圍要求，一般不能超過其上下限范圍。
2）防爆型 用于有爆炸性氣氛的場所。因?yàn)閯?lì)磁電流能量較大，目前仍是以隔爆型為主。近年來國外已泛起本質(zhì)安全型，即安全火花型電磁流量計(jì)，勵(lì)磁功率大幅度降低，可以做成一體型，全部裝在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)工作。
3）衛(wèi)生型 用于醫(yī)藥、食口和生物化學(xué)等產(chǎn)業(yè)的電磁流量計(jì)，在定時(shí)來菌、便于拆卸清洗等方面要符合有關(guān)衛(wèi)生的要求。
4）防浸水型 用于安裝在地面下的傳感器，可承受短時(shí)間的水浸沒。
5）潛水型 用于丈量明渠或非滿管暗渠自由水面自由流時(shí)的流量。傳感器在明渠截流擋板下部，長期浸在水下工作。結(jié)構(gòu)和使用上都有別于一般電磁流量計(jì)。
6）插入型 用于大管徑的電磁流量傳感器。傳感器從管道開孔中徑向插入，以丈量局部流速推算流量，精確度較低，但價(jià)格便宜，合用于控制系統(tǒng)。

四、選型應(yīng)用
1、精度等級(jí)和功能
市場上通用型電磁流量計(jì)的機(jī)能有較大差別，有些精度高、功能多，有些精度低、功能簡樸。精度高的儀表基本誤差為（±0.5%～±1%）R，精度低的儀表則為（±1.5%～±2.5%）FS，兩者價(jià)格相差1～2倍。
有些型號(hào)儀表聲稱有更高的精確度，基本誤差僅（±0.2%～±0.3%）R，但有嚴(yán)格的安裝要乞降參比前提，例如環(huán)境溫度20～22℃，前后置直管段長度要求分別大于10D,3D（通常為5D,2D）甚至提出流量傳感器要與前后置直管組成一體在流量尺度裝置上作實(shí)流校準(zhǔn)，以減少夾裝不善的影響。因此在多種型號(hào)選擇比較時(shí)不要單純只看高指標(biāo)，要具體閱讀制造廠樣本或仿單做綜合分析。
市場上電磁流量計(jì)的功能差別也很大，簡樸的就只是丈量單向流量，只輸出模擬信號(hào)帶動(dòng)后位儀表；多功能儀表有測雙向流、量程切換、上下限流量報(bào)警、空管和電源堵截報(bào)警、小信號(hào)切除、流量顯示和總量計(jì)算、自動(dòng)核對和故障自診斷、與上位機(jī)通訊和運(yùn)動(dòng)組態(tài)等。有些型號(hào)儀表的串行數(shù)字通訊功能可選多種通訊接口和專用芯片（ASIC），以連接HART協(xié)議系統(tǒng)、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現(xiàn)場總線等。

2、流速、滿度流量、范圍度和口徑
選定儀表口徑不一定與管徑相同，應(yīng)視流量而定。流程產(chǎn)業(yè)輸送水等粘度不同的液體，管道流速一般是經(jīng)濟(jì)流速1.5～3m/s。電磁流量計(jì)用在這樣的管道上，傳感器口徑與管徑相同即可。
EMF滿度流量時(shí)液體流速可在1～10m/s范圍內(nèi)選用，范圍是比較寬的。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建議不超過5m/s，除非襯里材料能承受液流沖洗，實(shí)際應(yīng)用很少超過7m/s，超過10m/s則更為罕見。滿度流量的流速下限一般為1m/s，有些型號(hào)儀表則為0.5m/s。有些新建工程運(yùn)行初期流量偏低或在流速偏低的管系，從丈量精度角度考慮，儀表口徑應(yīng)改用小于管徑，以異徑管連接之。
用于有易粘附、沉積、結(jié)垢等物質(zhì)的流體，選用流速不低于2m/s，最好進(jìn)步到3～4m/s或以上，起到自清掃、防止粘附沉積等作用。用于礦漿等磨耗性強(qiáng)的流體，常用流速應(yīng)低于2～3m/s ，以降低對襯里和電極的磨損。在丈量接近閾值的低電導(dǎo)液體，盡可能選定較低流速（小于0.5～1m/s），因流速進(jìn)步活動(dòng)噪聲會(huì)增加，而泛起輸出晃動(dòng)現(xiàn)象。
電磁流量計(jì)的范圍度是比較大的，通常不低于20，帶有量程自動(dòng)切換功能的儀表，可超過50～100。
海內(nèi)可以提供的定型產(chǎn)品的口徑從10mm到3000mm，隨然實(shí)際應(yīng)用仍是以中小口徑居多，但與大部門其他原理流量儀表（如容積式、渦輪式、渦街式或科里奧利質(zhì)量式等）比擬，大口徑儀表據(jù)有較大比重。

3、液體電導(dǎo)率
使用電磁流量計(jì)的條件是被測液體必需是導(dǎo)電的，不能低于閾值（即下限值）。電導(dǎo)率低于閾值會(huì)產(chǎn)生丈量誤差直至不能使用，超過閾值即使變化也可以丈量，示值誤差變化不大，通用型EMF的閾值在10-4～（5×10-6）S/cm之間，視型號(hào)而異。使用時(shí)還取決于傳感器和轉(zhuǎn)換器間流量信號(hào)線長度及其分布電容，制造廠使用仿單中通常劃定電導(dǎo)率相對應(yīng)的信號(hào)線長度。非接觸電容耦合大面積電極的儀表則可測電導(dǎo)率低至5×10-8S/cm的液體。
產(chǎn)業(yè)用水及其水溶液的電導(dǎo)率大于10-4S/cm，酸、堿、鹽液的電導(dǎo)率在10-4～10-1S/cm之間，使用不存在題目，低度蒸餾水為10-5S/cm也不存在題目。石油制品和有機(jī)溶劑電導(dǎo)率過低就不能使用。表1列出若干液體的電導(dǎo)率。從資料上查到有些純液或水溶液電導(dǎo)率較低，以為不能使用，然而實(shí)際工作中會(huì)碰到因含有雜質(zhì)而能使用的實(shí)例，這類雜質(zhì)對增加電導(dǎo)率有利。對于水溶液，資料中的電導(dǎo)率是用純水配比在實(shí)驗(yàn)室測得的，實(shí)際使用的水溶液可能用產(chǎn)業(yè)用水配比，電導(dǎo)率將比查得的要高，也有利于流量丈量。
表中是若干液體在20℃時(shí)的電導(dǎo)率

液體名稱 電導(dǎo)率 液體名稱 電導(dǎo)率 液體名稱 電導(dǎo)率
石油 （3～5）×10-13
丙酮 （2～6）×10-8
純水，高度蒸餾水4×10-8
苯 7.6×10-8 液氨 1.3×10-7
甲醇 (4.4～7.2)×10-7
飲用水 ≈10-4
海水 ≈4×10-2 硫酸（5%～99.4%）（2.1×10-1）～（8.5×10-3）
氨水（4%～30%） （1×10-3）～（2×10-4）
氫氧化鈉（4%～50%）（1.6×10-1）～（8×10-2）
食鹽水（2.5%） 2×10-1

4、液體中含有混入物
混入成泡狀流的微小氣泡仍可正常工作，但測得的是含氣泡體積的混合體積流量；如氣體含量增加到形成彈（塊）狀流，因電極可能被氣體蓋住使電路瞬時(shí)斷開，泛起輸出晃動(dòng)甚至不能正常工作。含有非鐵磁性顆粒或纖維的固液雙相流體同樣可測得二相的體積流量。固體含量較高的流體，如鉆井泥漿、鉆探固井水泥漿、紙漿等實(shí)際上已屬非牛頓流體。因?yàn)楣腆w在載體液中一起活動(dòng)，兩者之間有滑動(dòng)，速度上有差別，單相液體校驗(yàn)的儀表用于固液雙相流體會(huì)產(chǎn)生附加誤差。固然還未見到EMF應(yīng)用于固液雙相流體中固形物影響的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)講演，但國外有講演稱固形物含量有14%時(shí)誤差在3%范圍以內(nèi)；我國黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所的實(shí)驗(yàn)講演稱，丈量高沙含量水的流量，含沙量體積比17%～40%（沙中值粒徑0.35mm），儀表丈量誤差小于3%。
在漿液內(nèi)有較大顆粒掠過電極表面，在頻率較低的矩形激磁的電磁流量計(jì)中會(huì)產(chǎn)生尖峰狀漿液噪聲，使流量信號(hào)不穩(wěn)，就要選用較高頻率的儀表或有較強(qiáng)按捺漿液噪聲能力的儀表，也可選用市電交流激磁的儀表或雙頻激磁的儀表。
含有鐵磁性物質(zhì)的流體對通常的EMF，因丈量管內(nèi)磁導(dǎo)率受鐵磁體的不同含量而變化，會(huì)產(chǎn)生丈量誤差。但在磁路中置有磁通檢測線圈補(bǔ)償?shù)腅MF，可減小混入鐵磁體的影響。
對含有礦石顆粒的礦漿應(yīng)用，應(yīng)留意對傳感器襯里的磨損程度，丈量管內(nèi)徑擴(kuò)大會(huì)產(chǎn)生附加誤差。這種場合應(yīng)選用耐磨性較好的陶瓷襯里或聚氨酯橡膠襯里，同時(shí)建議傳感器安裝在垂直管道上，使管道磨損平均，消除水平安裝下半部局部磨損嚴(yán)峻的缺點(diǎn)。也可以在傳感器入口端加裝噴嘴形護(hù)套，相對延長使用期。

5、附著和沉淀
丈量易在管壁附著和沉淀物質(zhì)的流體時(shí)，若附著的是比液體電導(dǎo)率高的導(dǎo)電物質(zhì)，信號(hào)電勢將被短路而不能工作，若長短導(dǎo)電層則首先應(yīng)留意電極的污染，譬如選用不易附著尖形或半球形凸起電極、可更換式電極、刮刀式清垢電極等。刮刀式電極可在傳感器外按期手動(dòng)刮出沉垢。國外產(chǎn)品曾有電極上裝超聲波換能器，以清除表面垢層，但現(xiàn)已少見。也有暫時(shí)斷開丈量電路，在電極簡短時(shí)間內(nèi)流過低壓大電流，焚燒清除附著油脂類附著層。易產(chǎn)生附著的場所可進(jìn)步流速以達(dá)到自清掃的目的，還可以采取較利便的易清洗的管道連接，可不拆卸清洗傳感器。
非接觸型電極電磁流量計(jì)附著非導(dǎo)電膜層，儀表仍能工作，但若為高導(dǎo)電層則同樣不能工作。