電磁流量計原理（一）
概 述

電磁流量計（以下簡稱EMF）是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。50年代初EMF實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，近年來世界范圍EMF產(chǎn)量約占工業(yè)流量儀表臺數(shù)的5%～6.5%。

    70年代以來出現(xiàn)鍵控低頻矩形波激磁方式，逐漸替代早期應(yīng)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(yīng)用。

2. 原理與機構(gòu)

　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動時在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如圖1所示，導(dǎo)電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內(nèi)流動，與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電勢，電動勢的方向按“弗來明右手規(guī)則”，其值如下

式中 E-----感應(yīng)電動勢，即流量信號，V;

k-----系數(shù)；

B-----磁感應(yīng)強度，T；

D----測量管內(nèi)徑，m；

--- 平均流速，m/s。

設(shè)液體的體積流量為

，則

式中 K 為儀表常數(shù)，K= 4 KB/πD 。

  EMF由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部

組成。傳感器典型結(jié)構(gòu)示意如圖2，測量管上下裝有激磁線圈，通激磁電流后產(chǎn)生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內(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。

3、 優(yōu) 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(chǎn)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(jié)能*，對于要求低阻力損失的大管徑供水管道zui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(dǎo)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(nèi)選定。有些型號儀表可在現(xiàn)場根據(jù)需要擴大和縮小流量（例如設(shè)有4位數(shù)電位器設(shè)定儀表常數(shù)）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(zhì)上是線性的。

  易于選擇與流體接觸件的材料品種，可應(yīng)用于腐蝕性流體。

4、 缺 點 

EMF不能測量電導(dǎo)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(chǎn)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(zhuǎn)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(wèi)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(jié)構(gòu)分類，有短管型和插入型。

   按用途分類，有通用型、防爆型、衛(wèi)生型、防侵水型和潛水型等。

6.1 應(yīng)用概況

EMF應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。大口徑儀表較多應(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、選煤廠的煤漿、化學工業(yè)的強腐蝕液以及鋼鐵工業(yè)高爐風口冷卻水控制和監(jiān)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(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等有衛(wèi)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(mào)易核算僅以控制為目的，只要求高可靠性和優(yōu)良重復(fù)性的場所）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(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(tài)等。有些型號儀表的串行數(shù)字通信功能可選多種通信接口和芯片（ASIC），以連接HART協(xié)議系統(tǒng)、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現(xiàn)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(yīng)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滿度流量時液體流速可在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刷，實際應(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(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，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(yīng)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(dǎo)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(xiàn)輸出晃動現(xiàn)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(nèi)可以提供的定型產(chǎn)品的口徑從10mm到3000mm，隨然實際應(yīng)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(zhì)量式等）相比，大口徑儀表占有較大比重。某企業(yè)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(dǎo)率

   
使用EMF的前提是被測液體必須是導(dǎo)電的，不能低于閾值（即下限值）。電導(dǎo)率低于閾值會產(chǎn)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(zhuǎn)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(guī)定電導(dǎo)率相對應(yīng)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(dǎo)率低至5×10-8S/cm的液體。

   
工業(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(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，認為不能使用，然而實際工作中會遇到因含有雜質(zhì)而能使用的實例，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驗室測得的，實際使用的水溶液可能用工業(yè)用水配比，電導(dǎo)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(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

   
根據(jù)使用經(jīng)驗，實際應(yīng)用的液體電導(dǎo)率要比儀表制造廠規(guī)定的閾值至少大一個數(shù)量級。因為制造廠儀表規(guī)范規(guī)定的下限值是在各種使用條件較好狀態(tài)下可測量的zui低值。是受到一些使用條件限制，如電導(dǎo)率均勻性、連接信號線、外界噪聲等，否則會出現(xiàn)輸出晃動現(xiàn)象等。我們就多次遇到測量低度蒸餾水或去離子水，其電導(dǎo)率接近閾值5×10-6S/cm，使用時出現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)生附加誤差。雖然還未見到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(nèi)；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(nèi)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(chǎn)生尖峰狀漿液噪聲，使流量信號不穩(wěn)，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(nèi)磁導(dǎo)率受鐵磁體的不同含量而變化，會產(chǎn)生測量誤差。但在磁路中置有磁通檢測線圈補償?shù)腅MF，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(nèi)。

  
對含有礦石顆粒的礦漿應(yīng)用，應(yīng)注意對傳感器襯里的磨損程度，測量管內(nèi)徑擴大會產(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(zhì)的流體時，若附著的是比液體電導(dǎo)率高的導(dǎo)電物質(zhì)，信號電勢將被短路而不能工作，若是非導(dǎo)電層則首先應(yīng)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(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。也有暫時斷開測量電路，在電極簡短時間內(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(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。

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(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(yīng)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(yīng)性強。

（1） 襯里材料（或直接與介質(zhì)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(yè)用水、廢污水及弱酸堿，價格zui為低廉。氟塑料具有優(yōu)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zui早應(yīng)用的是聚四氟乙烯，因與測量管間僅靠壓貼，無粘結(jié)力，不能用于負壓管道，后開發(fā)各種改性品種，實現(xiàn)注塑成形，與測量管有較強結(jié)合力，可用于負壓，
聚氨酯橡膠有*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(zhì)溫度要低于40～60/70℃。氧化鋁陶瓷有*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，如通蒸汽滅菌，一般溫度突變不能大于100℃，升溫150℃
要有10min時間。