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13390804505技術(shù)文章
Technical articles1. 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 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 2. 原理與機(jī)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(yùn)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 式中 E－－－－-感應(yīng)電動勢 k－－－－-系數(shù) B－－－－-磁感應(yīng)強(qiáng)度 D－－－－測量管內(nèi)徑 －－- 平均流速 設(shè)液體的體積流量為 ，則 式中 K 為儀表常數(shù) EMF由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部分組成。傳感器典型結(jié)構(gòu)示意如圖2 3 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?div id="m50uktp" class="box-center"> ；蚶w維的液固二相流體 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)能效果顯著，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(kuò)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(biāo)定。 EMF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 EMF不能測量電導(dǎo)率很低的液體 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 5 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. 選用考慮要點 6.1 應(yīng)用概況 EMF應(yīng)用領(lǐng)域**。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(xué)工業(yè)的強(qiáng)腐蝕液以及鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)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 有些型號儀表聲稱有更高的度 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(jī)通信和運(yùn)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。 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 EMF滿度流量時液體流速可在1～10m/s范圍內(nèi)選用 用于有易粘附 在測量接近閾值的低電導(dǎo)液體 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 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 工業(yè)用水及其水溶液的電導(dǎo)率大于10-4S/cm，酸 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 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 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 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 含有非鐵磁性顆?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">；蚶w維的固液雙相流體同樣可測得二相的體積流量 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(qiáng)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 對含有礦石顆粒的礦漿應(yīng)用 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 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(qiáng)。 ?div id="4qifd00" class="flower right"> 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 通用型EMF幾種材料的壓力溫度大體適用范圍可參閱圖4。 （2） 電極和接地環(huán)材料 電極對測量介質(zhì)的耐腐是選擇材料首先考慮的因素，其次考慮是否會產(chǎn)生鈍化等表面效應(yīng)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(xué)液 2）避免電極表面效應(yīng) 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(zhì)有很好的耐腐蝕性 電極表面效應(yīng)分為表面化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)如電極表面與被測介質(zhì)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(hù)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(yīng)的介質(zhì)－－－－－－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(jīng)驗，尚待在實踐中積累。 接地環(huán)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(jīng)濟(jì)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(huán)。 7、 安裝使用注意事項 7.1 使用時應(yīng)注意的一般事項 液體應(yīng)具有測量所需的電導(dǎo)率，并要求電導(dǎo)率分布大體上均勻。因此流量傳感器安裝要避開容易產(chǎn)生電導(dǎo)率不均勻場所 使用時傳感器測量管必須充滿液體（非滿管型例外） 液體應(yīng)與地同電位 7.2 流量傳感器安裝 （1） 安裝場所 通常電磁流量傳感器外殼防護(hù)等極為IP65（GB 4208規(guī)定的防塵防噴水級） 1） 測量混合相流體時，選擇不會引起相分離的場所 2） 盡可能避免測量管內(nèi)變成負(fù)壓； 3） 選擇震動小的場所 4） 避免附近有大電機(jī)、大變壓器等 5） 易于實現(xiàn)傳感器單獨接地的場所； 6） 盡可能避開周圍環(huán)境有高濃度腐蝕性氣體 7） 環(huán)境溫度在－25/－10～50/600℃范圍內(nèi)。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%。 ，儀表性能有了很大提高，得到更為**的應(yīng)用。 ，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 ，即流量信號，V; ； ，T； ，m ； ，m/s 。 ，K= 4 KB/πD 。 ，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 。 、 優(yōu) 點 ，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等。 、 缺 點 ，如石油制品和有機(jī)溶劑等。不能測量氣體 、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體 。 ；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。 、 分 類、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(jì)上是不合算的。，基本誤差僅（±0.2%～±0.3%）R，但有嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)裝置上作實流校準(zhǔn)，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(biāo)，要詳細(xì)閱讀制造廠樣本或說明書做綜合分析。，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(jì)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。，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(yùn)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。、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(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。，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。。，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%。，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。、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(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，認(rèn)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 。 ，高度蒸餾水4×10-8 ，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。，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。。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(xué)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%。 ，會產(chǎn)生測量誤差。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。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)。 ，應(yīng)注意對傳感器襯里的磨損程度 ，測量管內(nèi)徑擴(kuò)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(yán)重的缺點 。也可以在傳感器進(jìn)口端加裝噴嘴形護(hù)套 ，相對延長使用期。 ，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(dá)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。。?） 襯里材料（或直接與介質(zhì)接觸的測量管） ，價格zui為低廉 。氟塑料具有優(yōu)良的耐化學(xué)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(fù)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(qiáng)結(jié)合力，可用于負(fù)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(dāng)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℃。氧化鋁陶瓷有極好的耐磨耗性和對強(qiáng)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。。此外還有適用于漿液等的低噪聲電極，它們是導(dǎo)電橡膠電極、導(dǎo)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(yīng)從使用者借鑒該介質(zhì)在其他設(shè)備的應(yīng)用實際和以往的經(jīng)驗來確定。有時后要做必要的實驗，如現(xiàn)場取液體樣品在實驗室做待用材料的腐蝕性試驗。的實驗是現(xiàn)場掛片，這是zui接近實際應(yīng)用條件的腐蝕性試驗，可以得出比較可靠能否適用的結(jié)論。，卻不一定就是適用的材料，還要避免產(chǎn)生電極表面效應(yīng)。、電化學(xué)和極化現(xiàn)象以及電極的觸媒作用三個方面。，例如其上游附近加入藥液，加液點設(shè)于傳感器下游。。有混合時，其分布應(yīng)大體均勻。，必須接地。如工藝管道用塑料等絕緣材料時，輸送液體產(chǎn)生摩檫靜電等原因，造成液體與地間有電位差。，對安裝場所有以下要求。；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(xué)反應(yīng)管道時，要裝在反應(yīng)充分完成段的下游； ，特別對一體型儀表； ，以免引起電磁場干擾； ； ，一體形結(jié)構(gòu)溫度還受制于電子元器件，范圍要窄些；