電磁流量計的工作原理

1. 概 述 ??

　　電磁流量計（以下簡稱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實現了工業化應用，近年來世界范圍EMF產量約占工業流量儀表臺數的5%～6.5%。 70年代以來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。

　　2. 原理與機構

　　EMF的基本原理是法拉第電磁感應定律，即導體在磁場中切割磁力線運動時在其兩端產生感應電動勢。如圖1所示，導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內流動，與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢，電動勢的方向按“弗來明右手規則”，其值如下式 式中 E-----感應電動勢，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圈，通激磁電流后產生磁場穿過測量管，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。

　　3、 優 點

　　EMF的測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管，因不易阻塞適用于測量含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等。 EMF不產生因檢測流量所形成的壓力損失，儀表的阻力僅是同一長度管道的沿程阻力，節能效果顯著，對于要求低阻力損失的大管徑供水管道*為適合。 EMF所測得的體積流量，實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率（只要在某閾值以上）變化明顯的影響。 與其他大部分流量儀表相比，前置直管段要求較低。 EMF測量范圍度大，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內選定。有些型號儀表可在現場根據需要擴大和縮小流量（例如設有4位數電位器設定儀表常數）不必取下作離線實流標定。 EMF的口徑范圍比其他品種流量儀表寬，從幾毫米到3m?？蓽y正反雙向流量，也可測脈動流量，只要脈動頻率低于激磁頻率很多。儀表輸出本質上是線性的。 易于選擇與流體接觸件的材料品種，可應用于腐蝕性流體。

　　4、 缺 點

　　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低于室溫的液體，因測量管外凝露（或霜）而破壞絕緣。

　　5、 分 類

　　市場上通用型產品和特殊型儀表可以從不同角度分類。 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圖3。 按輸出信號連線和激磁（或電源）連線的制式分類，有四線制和二線制。 按轉換器與傳感器組裝方式分類，有分離型和一體型。 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，有接觸型和非接觸型。按流量傳感器結構分類，有短管型和插入型。 按用途分類，有通用型、防爆型、衛生型、防侵水型和潛水型等。

　　6. 選用考慮要點 ??

　　6.1 應用概況

　　EMF應用領域廣泛。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所，如測量造紙工業紙漿液和黑液、有色冶金業的礦漿、選煤廠的煤漿、化學工業的強腐蝕液以及鋼鐵工業高爐風口冷卻水控制和監漏，長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、食品工業、生物工程等有衛生要求的場所。

　　6.2精度等級和功能

　　市場上通用型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，兩者價格相差1～2倍。因此測量精度要求不很高的場所（例如非貿易核算僅以控制為目的，只要求高可靠性和優良重復性的場所）選用高精度儀表在經濟上是不合算的。 有些型號儀表聲稱有更高的**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標準裝置上作實流校準，以減少夾裝不善的影響。因此在多種型號選擇比較時不要單純只看高指標，要詳細閱讀制造廠樣本或說明書做綜合分析。 市場上EMF的功能差別也很大，簡單的就只是測量單向流量，只輸出模擬信號帶動后位儀表；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、自動核對和故障自診斷、與上位機通信和運動組態等。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用芯片（ASIC），以連接HART協議系統、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現場總線等。

　　6.3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，應視流量而定。流程工業輸送水等粘度不同的液體，管道流速一般是經濟流速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滿度流量時液體流速可在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5m/s，除非襯里材料能承受液流沖刷，實際應用很少超過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、結垢等物質的流體，選用流速不低于2m/s，*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），因流速提高流動噪聲會增加，而出現輸出晃動現象。 EMF的范圍度是比較大的，通常不低于20，帶有量程自動切換功能的儀表，可超過50～100。國內可以提供的定型產品的口徑從10mm到3000mm，隨然實際應用還是以中小口徑居多，但與大部分其他原理流量儀表（如容積式、渦輪式、渦街式或科里奧利質量式等）相比，大口徑儀表占有較大比重。某企業近萬臺儀表中，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%。

　　6.4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）。電導率低于閾值會產生測量誤差直至不能使用，超過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。使用時還取決于傳感器和轉換器間流量信號線長度及其分布電容，制造廠使用說明書中通常規定電導率相對應的信號線長度。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，使用不存在問題，低度蒸餾水為10-5S/cm也不存在問題。石油制品和有機溶劑電導率過低就不能使用。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，然而實際工作中會遇到因含有雜質而能使用的實例，這類雜質對增加電導率有利。對于水溶液，資料中的電導率是用純水配比在實驗室測得的，實際使用的水溶液可能用工業用水配比，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℃時的電導率

　　液體名稱 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

　　根據使用經驗，實際應用的液體電導率*好要比儀表制造廠規定的閾值至少大一個數量級。因為制造廠儀表規范規定的下限值是在各種使用條件較好狀態下可測量的*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、外界噪聲等，否則會出現輸出晃動現象等。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，使用時出現輸出晃動。

　　6.5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斷開，出現輸出晃動甚至不能正常工作。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、紙漿等實際上已屬非牛頓流體。由于固體在載體液中一起流動，兩者之間有滑動，速度上有差別，單相液體校驗的儀表用于固液雙相流體會產生附加誤差。雖然還未見到EMF應用于固液雙相流體中固形物影響的系統實驗報告，但國外有報告稱固形物含量有14%時誤差在3%范圍以內；我國黃河水利委員會水利科學研究所的實驗報告稱，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電極表面，在頻率較低的矩形激磁的EMF中會產生尖峰狀漿液噪聲，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，會產生測量誤差。但在磁路中置有磁通檢測線圈補償的EMF，可減小混入鐵磁體的影響。上海光華儀表廠在交流激磁儀表的實驗報告中稱，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%，裝有磁通檢測線圈的儀表，示值誤差在±2%FS以內。 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，測量管內徑擴大會產生附加誤差。這種場合應選用耐磨性較好的陶瓷襯里或聚氨酯橡膠襯里，同時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。也可以在傳感器進口端加裝噴嘴形護套，相對延長使用期。

　　6.6 附著和沉淀

　　測量易在管壁附著和沉淀物質的流體時，若附著的是比液體電導率高的導電物質，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刮出沉垢。國外產品曾有電極上裝超聲波換能器，以**表面垢層，但現已少見。也有暫時斷開測量電路，在電極簡短時間內流過低壓大電流，焚燒**附著油脂類附著層。易產生附著的場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。

　　6.7 與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，形狀簡單，材料選擇靈活，電磁流量傳感器對流體的適應性強。

　?。?） 襯里材料（或直接與介質接觸的測量管）

　　常用襯里材料有氟塑料、聚氨酯橡膠、氯丁橡膠和陶瓷等。近年有采用高純氧化鋁999.7%AI2O3)陶瓷制成襯里的，但只限中小口徑傳感器。 氯丁橡膠和玻璃鋼用于非腐蝕性或弱腐蝕性液體，如工業用水、廢污水及弱酸堿，價格*為低廉。氟塑料具有優良的耐化學腐蝕性，但耐磨性差，不能用于測量礦漿液。氟塑料中*早應用的是聚四氟乙烯，因與測量管間僅靠壓貼，無粘結力，不能用于負壓管道，后開發各種改性品種，實現注塑成形，與測量管有較強結合力，可用于負壓， 聚氨酯橡膠有極好的耐磨耗性，但耐酸堿的腐蝕性較差。它的耐磨性相當于天然橡膠的10倍，適用于煤漿、礦漿等；介質溫度要低于40～60/70℃。氧化鋁陶瓷有極好的耐磨耗性和對強酸堿的耐磨腐蝕性，耐磨性約為聚氨酯橡膠的10倍，適用于具有腐蝕性的礦漿；但性脆，安裝夾緊時疏忽易碎，可用于較高溫度（120～140/180℃）但要防止溫度劇變，如通蒸汽**，一般溫度突變不能大于100℃，升溫150℃ 要有10min時間。 通用型EMF幾種材料的壓力溫度大體適用范圍可參閱圖4。

　?。?） 電極和接地環材料

　　電極對測量介質的耐腐是選擇材料首先考慮的因素，其次考慮是否會產生鈍化等表面效應和所形成的噪聲。

　　1）選擇耐腐蝕材料 EMF電極的耐腐蝕性要求很高，常用金屬材料有含鉬耐酸鋼Icr18Ni12Mo2Ti，哈氏合金（耐蝕鎳基合金）B、C、鈦、鉭、鉑銥合金，幾乎可覆蓋全部化學液。此外還有適用于漿液等的低噪聲電極，它們是導電橡膠電極、導電氟塑料電極和多孔性陶瓷電極，或包覆這些材料的金屬電極。在原則上電極材料的選擇應從使用者借鑒該介質在其他設備的應用實際和以往的經驗來確定。有時后要做必要的實驗，如現場取液體樣品在實驗室做待用材料的腐蝕性試驗。*好的實驗是現場掛片，這是*接近實際應用條件的腐蝕性試驗，可以得出比較可靠能否適用的結論。

　　2）避免電極表面效應 電極的耐腐蝕性是選擇材料的重要因素，但有時候電極材料對被測介質有很好的耐腐蝕性，卻不一定就是適用的材料，還要避免產生電極表面效應。電極表面效應分為表面化學反應、電化學和極化現象以及電極的觸媒作用三個方面。 化學反應效應如電極表面與被測介質接觸后，形成鈍化膜或氧化層。他們對耐腐蝕性能可能起到積極保護作用，但也有可能增加表面接觸電阻。例如鉭與水接觸就會被氧化，生成絕緣層。對于避免或減輕電極表面效應的介質------電極材料匹配，還沒有像腐蝕性那樣有充足的資料可查，只有一些有限經驗，尚待在實踐中積累。 接地環連接在塑料管道或襯絕緣襯里金屬管道的流量傳感器兩端，他們的耐腐蝕要求比電極低，充分有一定腐蝕，定期更換。通常選用耐酸鋼或哈氏合金。因體積大從經濟上考慮較少采用鉭鉑等貴重金屬。如金屬工藝管道直接與流體接觸就不需要接地環。

　　7、 安裝使用注意事項

　　7.1 使用時應注意的一般事項 液體應具有測量所需的電導率，并要求電導率分布大體上均勻。因此流量傳感器安裝要避開容易產生電導率不均勻場所，例如其上游附近加入藥液，加液點*好設于傳感器下游。使用時傳感器測量管必須充滿液體（非滿管型例外）。有混合時，其分布應大體均勻。 液體應與地同電位，必須接地。如工藝管道用塑料等絕緣材料時，輸送液體產生摩檫靜電等原因，造成液體與地間有電位差。

　　7.2 流量傳感器安裝

　?。?） 安裝場所通常電磁流量傳感器外殼防護等極為IP65（GB 4208規定的防塵防噴水級），對安裝場所有以下要求。

　　1） 測量混合相流體時，選擇不會引起相分離的場所；測量雙組分液體時，避免裝在混合尚未均勻的下游；測量化學反應管道時，要裝在反應充分完成段的下游；

　　2） 盡可能避免測量管內變成負壓；

　　3） 選擇震動小的場所，特別對一體型儀表；

　　4） 避免附近有大電機、大變壓器等，以免引起電磁場干擾；

　　5） 易于實現傳感器單獨接地的場所；

　　6） 盡可能避開周圍環境有高濃度腐蝕性氣體；

　　7） 環境溫度在－25/－10～50/600℃范圍內，一體形結構溫度還受制于電子元器件，范圍要窄些；

　　8） 環境相對濕度在10%～90%范圍內；

　　9） 盡可能避免受陽光直照；

　　10） 避免雨水浸淋，不會被水浸沒。如果防護等級是IP67（防塵防浸水級）或IP68 （防塵防潛水級），則無需上述8）、10）兩項要求。

　?。?） 直管段長度要求

　　為獲得正常測量**度，電磁流量傳感器上游也要有一定長度直管段，但其長度與大部分其它流量儀表相比要求較低。90º彎頭、T形管、同心異徑管、全開閘閥后通常認為只要離電極中心線（不是傳感器進口端連接面）5倍直徑（5D）長度的直管段，不同開度的閥則需10D；下游直管段為（2～3）D或無要求；但要防止蝶閥閥片伸入到傳感器測量管內。各標準或檢定規程所提出上下游直管段長度亦不一致，匯集如表2所示，要求比通常要求高。這是由于為保證達到當前0.5級精度儀表的要求。 擾流件名稱 標準或檢定規程號 ISO 6817 ISO 9104 JIS B7554 ZBN 12007 JJG 198 上游 彎管、形管、全開閘閥、漸擴管 10D 或制造廠規定 10D 5D 5D 10D 漸縮管 可視作直管 其他各種閥 10D 下游 各類 未提要求 5D 未提要求 2D 2D 如閥能開使用時，應按閥截流方向和電極軸成45º角度安裝，則附加誤差可大為減少。

　?。?） 安裝位置和流動方向

　　傳感器安裝方向水平、垂直或傾斜均可，不受限制。但測量固液兩相流體*好垂直安裝，自下而上流動。這樣能避免水平安裝時襯里下半部局部磨損嚴重，低流速時固相沉淀等缺點。 水平安裝時要使電極軸線平行于地平線，不要處于垂直于地平線，因為處于地步的電極易被沉積物覆蓋，頂部電極易被液體中偶存氣泡擦過遮住電極表面，使輸出信號波動。圖5所示管系中，c、d為適宜位置；a、b 、e為不宜位置，b處可能液體不充滿，a、e處易積聚氣體，且e處傳感器后管段短也有可能不充滿，排放口*好如f形狀所示。對于固液兩相流c處亦是不宜位置。

　?。?） 旁路管、便于清洗連接和預置入孔

　　為便于在工藝管道繼續流動和傳感器停止流動時檢查和調整零點，應裝旁路管。但大管徑管系因投資和位置空間限制，往往不易辦到。根據電極污染程度來校正測量值，或確定一個不影響測量值的污染程度判斷基準是困難的。除前文所述，采用非接觸電極或帶刮刀**裝置電極的儀表，可解決一些問題外，有時還需要**內壁附著物，則可按圖6所示，不卸下傳感器就地**。 對于管徑大于1.5～1.6m的管系在EMF 附近管道上，預置入孔，以便管系停止運行時清洗傳感器測量管內壁。

　?。?） 負壓管系的安裝

　　氟塑料襯里傳感器須謹慎地應用于負壓管系；正壓管系應防止產生負壓，例如液體溫度高于室溫的管系，關閉傳感器上下游截止閥停止運行后，流體冷卻收縮會形成負壓，應在傳感器附近裝負壓防止閥，如圖7所示。有制造廠規定PTFE 和PFA 塑料襯里應用于負壓管系的壓力可在200C、1000C、1300C時使用的**壓力必須分別大于27、40、50KPa.

　?。?） 接地

　　傳感器必須單獨接地（接地電阻100Ω以下）。分離型原則上接地應在傳感器一側，轉換器接地應在同一接地點。如傳感器裝在有陰極腐蝕保護管道上，除了傳感器和接地環一起接地外，還要用較粗銅導線（16mm2）饒過傳感器跨接管道兩連接法蘭上，使陰極保護電流于傳感器之間隔離。 有時后雜散電流過大，如電解槽沿著電解液的泄漏電流影響 EMF 正常測量，則可采取流量傳感器與其連接的工藝之間電氣隔離的辦法。同樣有陰極保護的管線上，陰極保護電流影響 EMF 測量時，也可以采取本方法。 7.3轉換器安裝和連接電纜 一體型 EMF 無單獨安裝轉換器；分離型轉換器安裝在傳感器附近或儀表室，場所選擇余地較大，環境條件比傳感器好些，其防護等級是 IP65 或 IP64 （防塵防濺級）。

　　安裝場所的要求與7.2節之（1）中3）、4）、6）、8）、9）、10）各條相同，環境溫度受電子件限制，使用溫度范圍比7）規定所列要窄些。 轉換器和傳感器間距離受制于被測介質電導率和信號電纜型號，即電纜的分布電容、導線截面和屏蔽層數等。要用制造廠隨儀表所附（或規定型號）的信號電纜。電導率較低液體和傳輸距離較長時，也有規定用三層屏蔽電纜。一般儀表“使用說明書”對不同電導率液體給出相應傳輸距離范圍。單層屏蔽電纜用于工業用水或酸堿液通?？蓚魉途嚯x100m。 為了避免干擾信號，信號電纜必須單獨穿在接地保護鋼管內，不能把信號電纜和電源線安裝在同一鋼管內。