關(guān)于電磁流量計工作原理介紹

LDE電磁流量計工作原理是基于法拉第電磁感應定律。在電磁流量計中，測量管內的導電介質(zhì)相當于法拉第試驗中的導電金屬桿，上下兩端的兩個(gè)電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。當有導電介質(zhì)流過(guò)時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生感應電壓。管道內部的兩個(gè)電極測量產(chǎn)生的感應電壓。測量管道通過(guò)不導電的內襯（橡膠，特氟隆等）實(shí)現與流體和測量電極的電磁隔離， 如圖所示。

電磁流量計概述

    電磁流量計（以下簡(jiǎn)稱(chēng)EMF）是利用法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表。50年代初EMF實(shí)現了工業(yè)化應用，近年來(lái)世界范圍EMF產(chǎn)量約占工業(yè)流量?jì)x表臺數的5%～6.5%。 70年代以來(lái)出現鍵控低頻矩形波激磁方式，逐漸替代早期應用的工頻交流激磁方式，儀表性能有了很大提高，得到更為廣泛的應用。

 電磁流量計原理與機構

     EMF的基本原理是法拉第電磁感應定律，即導體在磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)運動(dòng)時(shí)在其兩端產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。如圖1所示，導電性液體在垂直于磁場(chǎng)的非磁性測量管內流動(dòng)，與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應電勢，電動(dòng)勢的方向按“弗來(lái)明右手規則”，其值如下式 式中 E-----感應電動(dòng)勢，即流量信號，V; k-----系數； B-----磁感應強度，T； D----測量管內徑，m； --- 平均流速，m/s。 設液體的體積流量為，則 式中 K 為儀表常數，K= 4 KB/πD 。 EMF由流量傳感器和轉換器兩大部分組成。傳感器典型結構示意如圖2，測量管上下裝有激磁線(xiàn)圈，通激磁電流后產(chǎn)生磁場(chǎng)穿過(guò)測量管，一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸，引出感應電勢，送到轉換器。激磁電流則由轉換器提供。

 

電磁流量計的工作原理

     EMF不能測量電導率很低的液體，如石油制品和有機溶劑等。不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。 通用型EMF由于襯里材料和電氣絕緣材料限制，不能用于較高溫度的液體；有些型號儀表用于過(guò)低于室溫的液體，因測量管外凝露（或霜）而破壞絕緣。

電磁流量計分類(lèi)

     市場(chǎng)上通用型產(chǎn)品和特殊型儀表可以從不同角度分類(lèi)。 如按激磁電流方式劃分，有直流激磁、交流（工頻或其他頻率）激磁、低頻矩形波激磁和雙頻矩形波激磁。幾種激磁方式的波形見(jiàn)圖3。 按輸出信號連線(xiàn)和激磁（或電源）連線(xiàn)的制式分類(lèi)，有四線(xiàn)制和二線(xiàn)制。 按轉換器與傳感器組裝方式分類(lèi)，有分離型和一體型。 按流量傳感器與管道連接方法分類(lèi)，有法蘭連接、法蘭夾裝連接、衛生型連接和螺紋連接。 按流量傳感器電極是否與被測液體接觸分類(lèi)，有接觸型和非接觸型。按流量傳感器結構分類(lèi)，有短管型和插入型。 按用途分類(lèi)，有通用型、防爆型、衛生型、防侵水型和潛水型等。

電磁流量計選用考慮要點(diǎn)

1、電磁流量計應用概況

     EMF應用領(lǐng)域廣泛。大口徑儀表較多應用于給排水工程。中小口徑常用于固液雙相等難測流體或高要求場(chǎng)所，如測量造紙工業(yè)紙漿液和黑液、有色冶金業(yè)的礦漿、選煤廠(chǎng)的煤漿、化學(xué)工業(yè)的強腐蝕液以及鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制和監漏，長(cháng)距離管道煤的水力輸送的流量測量和控制。小口徑、微小口徑常用于醫藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等有衛生要求的場(chǎng)所。

2、電磁流量計精度等級和功能

      市場(chǎng)上通用型EMF的性能有較大差別，有些精度高、功能多，有些精度低、功能簡(jiǎn)單。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。因此測量精度要求不很高的場(chǎng)所（例如非貿易核算僅以控制為目的，只要求高可靠性和優(yōu)良重復性的場(chǎng)所）選用高精度儀表在經(jīng)濟上是不合算的。 有些型號儀表聲稱(chēng)有更高的精確度，基本誤差僅（±0.2%～±0.3%）R，但有嚴格的安裝要求和參比條件，例如環(huán)境溫度20～22℃，前后置直管段長(cháng)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標準裝置上作實(shí)流校準，以減少夾裝不善的影響。因此在多種型號選擇比較時(shí)不要單純只看高指標，要詳細閱讀制造廠(chǎng)樣本或說(shuō)明書(shū)做綜合分析。 市場(chǎng)上EMF的功能差別也很大，簡(jiǎn)單的就只是測量單向流量，只輸出模擬信號帶動(dòng)后位儀表；多功能儀表有測雙向流、量程切換、上下限流量報警、空管和電源切斷報警、小信號切除、流量顯示和總量計算、自動(dòng)核對和故障自診斷、與上位機通信和運動(dòng)組態(tài)等。有些型號儀表的串行數字通信功能可選多種通信接口和專(zhuān)用芯片（ASIC），以連接HART協(xié)議系統、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現場(chǎng)總線(xiàn)等。

3、電磁流量計流速、滿(mǎn)度流量、范圍度和口徑

      選定儀表口徑不一定與管徑相同，應視流量而定。流程工業(yè)輸送水等粘度不同的液體，管道流速一般是經(jīng)濟流速1.5～3m/s。EMF用在這樣的管道上，傳感器口徑與管徑相同即可。 EMF滿(mǎn)度流量時(shí)液體流速可在1～10m/s范圍內選用，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(guò)5m/s，除非襯里材料能承受液流沖刷，實(shí)際應用很少超過(guò)7m/s，超過(guò)10m/s則更為罕見(jiàn)。滿(mǎn)度流量的流速下限一般為1m/s，有些型號儀表則為0.5m/s。有些新建工程運行初期流量偏低或在流速偏低的管系，從測量精度角度考慮，儀表口徑應改用小于管徑，以異徑管連接之。用于有易粘附、沉積、結垢等物質(zhì)的流體，選用流速不低于2m/s，最好提高到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的流體，常用流速應低于2～3m/s ，以降低對襯里和電極的磨損。 在測量接近閾值的低電導液體，盡可能選定較低流速（小于0.5～1m/s），因流速提高流動(dòng)噪聲會(huì )增加，而出現輸出晃動(dòng)現象。 EMF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(guò)50～100。國內可以提供的定型產(chǎn)品的口徑從10mm到3000mm，隨然實(shí)際應用還是以中小口徑居多，但與大部分其他原理流量?jì)x表（如容積式、渦輪式、渦街式或科里奧利質(zhì)量式等）相比，大口徑儀表占有較大比重。某企業(yè)近萬(wàn)臺儀表中，50mm以下小口徑、65～250mm中口徑、300～900mm大口徑、1000mm以上超大口徑分別占37%、45%、15%和3%。

4、電磁流量計液體電導率

      使用EMF的前提是被測液體必須是導電的，不能低于閾值（即下限值）。電導率低于閾值會(huì )產(chǎn)生測量誤差直至不能使用，超過(guò)閾值即使變化也可以測量，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，視型號而異。使用時(shí)還取決于傳感器和轉換器間流量信號線(xiàn)長(cháng)度及其分布電容，制造廠(chǎng)使用說(shuō)明書(shū)中通常規定電導率相對應的信號線(xiàn)長(cháng)度。非接觸電容耦合大面積電極的儀表則可測電導率低至5×10-8S/cm的液體。 工業(yè)用水及其水溶液的電導率大于10-4S/cm，酸、堿、鹽液的電導率在10-4～10-1S/cm之間，使用不存在問(wèn)題，低度蒸餾水為10-5S/cm也不存在問(wèn)題。石油制品和有機溶劑電導率過(guò)低就不能使用。表1列出若干液體的電導率。從資料上查到有些純液或水溶液電導率較低，認為不能使用，然而實(shí)際工作中會(huì )遇到因含有雜質(zhì)而能使用的實(shí)例，這類(lèi)雜質(zhì)對增加電導率有利。對于水溶液，資料中的電導率是用純水配比在實(shí)驗室測得的，實(shí)際使用的水溶液可能用工業(yè)用水配比，電導率將比查得的要高，也有利于流量測量。

　　表1 若干液體在20℃時(shí)的電導率

　　液體名稱(chēng) 電導率

　　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

　　根據使用經(jīng)驗，實(shí)際應用的液體電導率最好要比儀表制造廠(chǎng)規定的閾值至少大一個(gè)數量級。因為制造廠(chǎng)儀表規范規定的下限值是在各種使用條件較好狀態(tài)下可測量的最低值。是受到一些使用條件限制，如電導率均勻性、連接信號線(xiàn)、外界噪聲等，否則會(huì )出現輸出晃動(dòng)現象等。我們就多次遇到測量低度蒸餾水或去離子水，其電導率接近閾值5×10-6S/cm，使用時(shí)出現輸出晃動(dòng)。

5、電磁流量計液體中含有混入物

     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(kāi)，出現輸出晃動(dòng)甚至不能正常工作。含有非鐵磁性顆?；蚶w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。由于固體在載體液中一起流動(dòng)，兩者之間有滑動(dòng)，速度上有差別，單相液體校驗的儀表用于固液雙相流體會(huì )產(chǎn)生附加誤差。雖然還未見(jiàn)到EMF應用于固液雙相流體中固形物影響的系統實(shí)驗報告，但國外有報告稱(chēng)固形物含量有14%時(shí)誤差在3%范圍以?xún)?；我國黃河水利委員會(huì )水利科學(xué)研究所的實(shí)驗報告稱(chēng)，測量高沙含量水的流量，含沙量體積比17%～40%（沙中值粒徑0.35mm），儀表測量誤差小于3%。 在漿液內有較大顆粒擦過(guò)電極表面，在頻率較低的矩形激磁的EMF中會(huì )產(chǎn)生尖峰狀漿液噪聲，使流量信號不穩，就要選用較高頻率的儀表或有較強抑制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，因測量管內磁導率受鐵磁體的不同含量而變化，會(huì )產(chǎn)生測量誤差。但在磁路中置有磁通檢測線(xiàn)圈補償的EMF，可減小混入鐵磁體的影響。上海光華儀表廠(chǎng)在交流激磁儀表的實(shí)驗報告中稱(chēng)，水中含有液固重量比約4：1，顆粒度≤0.15mm鐵精礦石的礦漿，以80mm口徑儀表作清水和漿液對比流量試驗，通常的儀表示值變化7%～10%，裝有磁通檢測線(xiàn)圈的儀表，示值誤差在±2%FS以?xún)取?對含有礦石顆粒的礦漿應用，應注意對傳感器襯里的磨損程度，測量管內徑擴大會(huì )產(chǎn)生附加誤差。這種場(chǎng)合應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，使管道磨損均勻，消除水平安裝下半部局部磨損嚴重的缺點(diǎn)。也可以在傳感器進(jìn)口端加裝噴嘴形護套，相對延長(cháng)使用期。

6、 電磁流量計附著(zhù)和沉淀

       測量易在管壁附著(zhù)和沉淀物質(zhì)的流體時(shí)，若附著(zhù)的是比液體電導率高的導電物質(zhì)，信號電勢將被短路而不能工作，若是非導電層則首先應注意電極的污染，譬如選用不易附著(zhù)尖形或半球形突出電極、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定期手動(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，但現已少見(jiàn)。也有暫時(shí)斷開(kāi)測量電路，在電極簡(jiǎn)短時(shí)間內流過(guò)低壓大電流，焚燒清除附著(zhù)油脂類(lèi)附著(zhù)層。易產(chǎn)生附著(zhù)的場(chǎng)所可提高流速以達到自清掃的目的，還可以采取較方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 EMF附著(zhù)非導電膜層，儀表仍能工作，但若為高導電層則同樣不能工作。

7、電磁流量計流體接觸零部件材料的選擇

       與流體接觸的傳感器零部件有襯里（或絕緣材料制成的測量管）、電極、接地環(huán)和密封墊片，其材料的耐腐蝕性、耐磨耗性和使用溫度上限等影響儀表對流體的適應性。由于零部件少，形狀簡(jiǎn)單，材料選擇靈活，電磁流量傳感器對流體的適應性強。