电磁流量计工作原理

1. 概  述

电磁流量计（以下简称EMF）是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。50年代初EMF实现了工业化应用，近年来世界范围EMF产量约占工业流量仪表台数的5%～6.5%。70年代以来出现键控低频矩形波激磁方式，逐渐替代早期应用的工频交流激磁方式，仪表性能有了很大提高，得到更为广泛的应用。

2. 原理与机构 　

EMF的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。如图1所示，导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则"，其值如下式 式中 E-----感应电动势，即流量信号，V; k-----系数； B-----磁感应强度，T； D----测量管内径，m； --- 平均流速，m/s。设液体的体积流量为，则式中K 为仪表常数，K= 4 KB/πD 。EMF由流量传感器和转换器两大部分组成。传感器典型结构示意如图2，测量管上下装有激磁线圈，通激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。激磁电流则由转换器提供。

3、优 点

EMF的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。 EMF不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，节能，对于要求低阻力损失的大管径供水管道比较合适。 EMF所测得的体积流量，实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率（只要在某阈值以上）变化明显的影响。 与其他大部分流量仪表相比，前置直管段要求较低。 EMF测量范围度大，通常为20：1～50：1，可选流量范围宽。满度值液体流速可在0.5～10m/s内选定。有些型号仪表可在现场根据需要扩大和缩小流量（例如设有4位数电位器设定仪表常数）不必取下作离线实流标定。 EMF的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3m。可测正反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率很多。仪表输出本质上是线性的。易于选择与流体接触件的材料品种，可应用于腐蚀性流体。

4、缺 点

EMF不能测量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等。不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。通用型EMF由于衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用于较高温度的液体；有些型号仪表用于过低于室温的液体，因测量管外凝露（或霜）而破坏绝缘。

5、分 类

市场上通用型产品和特殊型仪表可以从不同角度分类。如按激磁电流方式划分，有直流激磁、交流（工频或其他频率）激磁、低频矩形波激磁和双频矩形波激磁。几种激磁方式的波形见图3。按输出信号连线和激磁（或电源）连线的制式分类，有四线制和二线制。按转换器与传感器组装方式分类，有分离型和一体型。按流量传感器与管道连接方法分类，有法兰连接、法兰夹装连接、卫生型连接和螺纹连接。按流量传感器电极是否与被测液体接触分类，有接触型和非接触型。按流量传感器结构分类，有短管型和插入型。按用途分类，有通用型、防爆型、卫生型、防侵水型和潜水型等。　

6. 选用考虑要点 　　

6.1 应用概况

EMF应用领域广泛。大口径仪表较多应用于给排水工程。中小口径常用于固液双相等难测流体或高要求场所，如测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液以及钢铁工业高炉风口冷却水控制和监漏，长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制。小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。

6.2精度等级和功能

市场上通用型EMF的性能有较大差别，有些精度高、功能多，有些精度低、功能简单。精度高的仪表基本误差为（±0.5%～±1%）R，精度低的仪表则为（±1.5%～±2.5%）FS，两者价格相差1～2倍。因此测量精度要求不很高的场所（例如非贸易核算仅以控制为目的，只要求高可靠性和优良重复性的场所）选用高精度仪表在经济上是不合算的。有些型号仪表声称有更高的精确度，基本误差仅（±0.2%～±0.3%）R，但有严格的安装要求和参比条件，例如环境温度20～22℃，前后置直管段长度要求分别大于10D,3D（通常为5D,2D）甚至提出流量传感器要与前后置直管组成一体在流量标准装置上作实流校准，以减少夹装不善的影响。因此在多种型号选择比较时不要单纯只看高指标，要详细阅读制造厂样本或说明书做综合分析。市场上EMF的功能差别也很大，简单的就只是测量单向流量，只输出模拟信号带动后位仪表；多功能仪表有测双向流、量程切换、上下限流量报警、空管和电源切断报警、小信号切除、流量显示和总量计算、自动核对和故障自诊断、与上位机通信和运动组态等。有些型号仪表的串行数字通信功能可选多种通信接口和专用芯片（ASIC），以连接HART协议系统、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF现场总线等。

6.3流速、满度流量、范围度和口径

选定仪表口径不一定与管径相同，应视流量而定。流程工业输送水等粘度不同的液体，管道流速一般是经济流速1.5～3m/s。EMF用在这样的管道上，传感器口径与管径相同即可。 EMF满度流量时液体流速可在1～10m/s范围内选用，范围是比较宽的。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建议不超过5m/s，除非衬里材料能承受液流冲刷，实际应用很少超过7m/s，超过10m/s则更为罕见。满度流量的流速下限一般为1m/s，有些型号仪表则为0.5m/s。有些新建工程运行初期流量偏低或在流速偏低的管系，从测量精度角度考虑，仪表口径应改用小于管径，以异径管连接之。用于有易粘附、沉积、结垢等物质的流体，选用流速不低于2m/s，提高到3～4m/s或以上，起到自清扫、防止粘附沉积等作用。用于矿浆等磨耗性强的流体，常用流速应低于2～3m/s ，以降低对衬里和电极的磨损。 在测量接近阈值的低电导液体，尽可能选定较低流速（小于0.5～1m/s），因流速提高流动噪声会增加，而出现输出晃动现象。 EMF的范围度是比较大的，通常不低于20，带有量程自动切换功能的仪表，可超过50～100。国内可以提供的定型产品的口径从10mm到3000mm，随然实际应用还是以中小口径居多，但与大部分其他原理流量仪表（如容积式、涡轮式、涡街式或科里奥利质量式等）相比，大口径仪表占有较大比重。某企业近万台仪表中，50mm以下小口径、65～250mm中口径、300～900mm大口径、1000mm以上超大口径分别占37%、45%、15%和3%。

6.4液体电导率

使用EMF的前提是被测液体必须是导电的，不能低于阈值（即下限值）。电导率低于阈值会产生测量误差直至不能使用，超过阈值即使变化也可以测量，示值误差变化不大，通用型EMF的阈值在10-4～（5×10-6）S/cm之间，视型号而异。使用时还取决于传感器和转换器间流量信号线长度及其分布电容，制造厂使用说明书中通常规定电导率相对应的信号线长度。非接触电容耦合大面积电极的仪表则可测电导率低至5×10-8S/cm的液体。 工业用水及其水溶液的电导率大于10-4S/cm，酸、碱、盐液的电导率在10-4～10-1S/cm之间，使用不存在问题，低度蒸馏水为10-5S/cm也不存在问题。石油制品和有机溶剂电导率过低就不能使用。表1列出若干液体的电导率。从资料上查到有些纯液或水溶液电导率较低，认为不能使用，然而实际工作中会遇到因含有杂质而能使用的实例，这类杂质对增加电导率有利。对于水溶液，资料中的电导率是用纯水配比在实验室测得的，实际使用的水溶液可能用工业用水配比，电导率将比查得的要高，也有利于流量测量。表1 若干液体在20℃时的电导率 液体名称 电导率 液体名称电导率 液体名称 电导率 石油 （3～5）×10-13 丙酮（2～6）×10-8 纯水，高度蒸馏水4×10-8 苯 7.6×10-8 液氨 1.3×10-7 甲醇 (4.4～7.2)×10-7 饮用水 ≈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）氢氧化钠（4%～50%）（1.6×10-1）～（8×10-2）食盐水（2.5%） 2×10-1 根据使用经验，实际应用的液体电导率要比仪表制造厂规定的阈值至少大一个数量级。因为制造厂仪表规范规定的下限值是在各种使用条件较好状态下可测量的值。是受到一些使用条件限制，如电导率均匀性、连接信号线、外界噪声等，否则会出现输出晃动现象等。我们就多次遇到测量低度蒸馏水或去离子水，其电导率接近阈值5×10-6S/cm，使用时出现输出晃动。

6.5液体中含有混入物

混入成泡状流的微小气泡仍可正常工作，但测得的是含气泡体积的混合体积流量；如气体含量增加到形成弹（块）状流，因电极可能被气体盖住使电路瞬时断开，出现输出晃动甚至不能正常工作。含有非铁磁性颗粒或纤维的固液双相流体同样可测得二相的体积流量。固体含量较高的流体，如钻井泥浆、钻探固井水泥浆、纸浆等实际上已属非牛顿流体。由于固体在载体液中一起流动，两者之间有滑动，速度上有差别，单相液体校验的仪表用于固液双相流体会产生附加误差。虽然还未见到EMF应用于固液双相流体中固形物影响的系统实验报告，但国外有报告称固形物含量有14%时误差在3%范围以内；我国黄河水利委员会水利科学研究所的实验报告称，测量高沙含量水的流量，含沙量体积比17%～40%（沙中值粒径0.35mm），仪表测量误差小于3%。在浆液内有较大颗粒擦过电极表面，在频率较低的矩形激磁的EMF中会产生尖峰状浆液噪声，使流量信号不稳，就要选用较高频率的仪表或有较强抑制浆液噪声能力的仪表，也可选用市电交流激磁的仪表或双频激磁的仪表。含有铁磁性物质的流体对通常的EMF，因测量管内磁导率受铁磁体的不同含量而变化，会产生测量误差。但在磁路中置有磁通检测线圈补偿的EMF，可减小混入铁磁体的影响。上海光华仪表厂在交流激磁仪表的实验报告中称，水中含有液固重量比约4：1，颗粒度≤0.15mm铁精矿石的矿浆，以80mm口径仪表作清水和浆液对比流量试验，通常的仪表示值变化7%～10%，装有磁通检测线圈的仪表，示值误差在±2%FS以内。对含有矿石颗粒的矿浆应用，应注意对传感器衬里的磨损程度，测量管内径扩大会产生附加误差。这种场合应选用耐磨性较好的陶瓷衬里或聚氨酯橡胶衬里，同时建议传感器安装在垂直管道上，使管道磨损均匀，消除水平安装下半部局部磨损严重的缺点。也可以在传感器进口端加装喷嘴形护套，相对延长使用期。

（6）接地 传感器必须单独接地（接地电阻100Ω以下）。分离型原则上接地应在传感器一侧，转换器接地应在同一接地点。如传感器装在有阴极腐蚀保护管道上，除了传感器和接地环一起接地外，还要用较粗铜导线（16mm2）饶过传感器跨接管道两连接法兰上，使阴极保护电流于传感器之间隔离。有时后杂散电流过大，如电解槽沿着电解液的泄漏电流影响 EMF 正常测量，则可采取流量传感器与其连接的工艺之间电气隔离的办法。同样有阴极保护的管线上，阴极保护电流影响 EMF 测量时，也可以采取本方法。 7.3转换器安装和连接电缆 一体型 EMF 无单独安装转换器；分离型转换器安装在传感器附近或仪表室，场所选择余地较大，环境条件比传感器好些，其防护等级是 IP65 或 IP64 （防尘防溅级）。安装场所的要求与7.2节之（1）中3）、4）、6）、8）、9）、10）各条相同，环境温度受电子件限制，使用温度范围比7）规定所列要窄些。 转换器和传感器间距离受制于被测介质电导率和信号电缆型号，即电缆的分布电容、导线截面和屏蔽层数等。要用制造厂随仪表所附（或规定型号）的信号电缆。电导率较低液体和传输距离较长时，也有规定用三层屏蔽电缆。一般仪表“使用说明书"对不同电导率液体给出相应传输距离范围。单层屏蔽电缆用于工业用水或酸碱液通常可传送距离100m。 为了避免干扰信号，信号电缆必须单独穿在接地保护钢管内，不能把信号电缆和电源线安装在同一钢管内。