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電磁流量計(jì)

一、電磁流量計(jì)原理與機(jī)構(gòu)

電磁流量計(jì)的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，即導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖1所示，導(dǎo)電性液體在垂直于磁場(chǎng)的非磁性測(cè)量管內(nèi)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(yīng)電勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向按“弗來明右手規(guī)則”。電磁流量計(jì)由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部分組成。測(cè)量管上下裝有激磁線圈，通激磁電流后產(chǎn)生磁場(chǎng)穿過測(cè)量管，一對(duì)電極裝在測(cè)量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電勢(shì)，送到轉(zhuǎn)換器。激磁電流則由轉(zhuǎn)換器提供。

二、電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)組成和材質(zhì)選擇

結(jié)構(gòu)組成

電磁流量計(jì)由傳感器、轉(zhuǎn)換器和流量顯示儀三部分組成。其中傳感器又分為測(cè)量管、勵(lì)磁系統(tǒng)、電極和殼體幾個(gè)部分。

材質(zhì)選擇

電磁流量計(jì)材質(zhì)的選擇主要是對(duì)直接和流體介質(zhì)接觸的電極和襯里材質(zhì)的選擇，它直接影響到流量計(jì)的精度和使用壽命。電磁流量計(jì)工作的基本條件之一是，測(cè)量管內(nèi)壁除電極外，其余地方垂直于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向的電流應(yīng)為零。為滿足這一條件，通常將導(dǎo)電的金屬測(cè)量管內(nèi)壁和法蘭端面襯以絕緣襯里，以防止感應(yīng)信號(hào)電壓被金屬管短路。由此可見根據(jù)不同介質(zhì)選擇不同材質(zhì)的電極和絕緣襯里尤為重要。

電極材質(zhì)的選擇

表（1）

襯里材質(zhì)的選擇

三、電磁流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)

（1） 電磁流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)牢固可靠，無可動(dòng)部件，亦沒有阻礙流體流動(dòng)的節(jié)流件，不會(huì)堵塞，因此特別適用于帶有懸浮物、固體顆粒、纖維等的泥漿、紙漿、礦漿、污水等的測(cè)量。

（2） 傳感器便于清洗、消毒，在食品、生物制藥等工業(yè)中用于玉米漿、果醬、糖漿、藥漿或血液等特殊介質(zhì)的測(cè)量。

（3） 電磁流量計(jì)不受流體組分及密度、粘度、壓力、溫度、導(dǎo)電率變化等的影響。

（4） 測(cè)量范圍度大（20:1～40:1），且可任意改變量程。滿刻度流速一般在0.5～10m/S內(nèi)選定。

(５)　電磁流量計(jì)無機(jī)械慣性，反應(yīng)靈敏，可以測(cè)量瞬時(shí)脈動(dòng)流量，而且線性好，因此可以將測(cè)量信號(hào)直接用轉(zhuǎn)換器線性的轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

四、電磁流量計(jì)量程范圍的確定

一般工業(yè)用電磁流量計(jì)被測(cè)介質(zhì)流速以2～4m/s為宜，在特殊情況下，zui低流速應(yīng)不小于0.5m/s，zui高應(yīng)不大于 10m/s。若介質(zhì)中含有固體顆粒，常用流速應(yīng)小于3m/s，防止襯里和電極的過分磨擦；對(duì)于粘滯流體，流速可選擇大于2m/s，較大的流速有助于自動(dòng)消除電極上附著的粘滯物的作用，有利于提高測(cè)量精度。

　　在量程Q已確定的條件下，即可根據(jù)上述流速V的范圍決定流量計(jì)口徑D的大小，其值由下式計(jì)算：

　　Q=πD2V/4

　　Q:流量（㎡/h） D:管道內(nèi)徑 V：流速（m/h）

　　電磁流量計(jì)的量程Q應(yīng)大于預(yù)計(jì)的zui大流量值，而正常的流量值以稍大于流量計(jì)滿量程刻度的50%為宜。

五、電磁流量計(jì)被測(cè)液體電導(dǎo)率

使用電磁流量計(jì)的前提是被測(cè)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(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差直至不能使用，超過閾值即使變化也可以測(cè)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(hào)而異。使用時(shí)還取決于傳感器和轉(zhuǎn)換器間流量信號(hào)線長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的信號(hào)線長(zhǎng)度。非接觸電容耦合大面積電極的儀表則可測(cè)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(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(shí)際工作中會(huì)遇到因含有雜質(zhì)而能使用的實(shí)例，這類雜質(zhì)對(duì)增加電導(dǎo)率有利。對(duì)于水溶液，資料中的電導(dǎo)率是用純水配比在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的，實(shí)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(cè)量。

表1 若干液體在20℃時(shí)的電導(dǎo)率

六、電磁流量計(jì)安裝使用注意事項(xiàng)

  6.1 使用時(shí)應(yīng)注意的一般事項(xiàng)

    液體應(yīng)具有測(cè)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(chǎng)所，例如其上游附近加入藥液，加液點(diǎn)設(shè)于傳感器下游。使用時(shí)傳感器測(cè)量管必須充滿液體（非滿管型例外）。有混合時(shí)，其分布應(yīng)大體均勻。液體應(yīng)與地同電位，必須接地。如工藝管道用塑料等絕緣材料時(shí)，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。

  6.2 流量傳感器安裝

   （1） 安裝場(chǎng)所通常電磁流量傳感器外殼防護(hù)等極為IP65（GB4208規(guī)定的防塵防噴水級(jí)），對(duì)安裝場(chǎng)所有以下要求。

    1）測(cè)量混合相流體時(shí)，選擇不會(huì)引起相分離的場(chǎng)所；測(cè)量雙組分液體時(shí)，避免裝在混合尚未均勻的下游；測(cè)量化學(xué)反應(yīng)管道時(shí)，要裝在反應(yīng)充分完成段的下游；

    2） 盡可能避免測(cè)量管內(nèi)變成負(fù)壓；

    3） 選擇震動(dòng)小的場(chǎng)所，特別對(duì)一體型儀表；

    4） 避免附近有大電機(jī)、大變壓器等，以免引起電磁場(chǎng)干擾；

    5） 易于實(shí)現(xiàn)傳感器單獨(dú)接地的場(chǎng)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)，一體形結(jié)構(gòu)溫度還受制于電子元器件，范圍要窄些；

    8） 環(huán)境相對(duì)濕度在10%～90%范圍內(nèi)；

    9） 盡可能避免受陽光直照；

    10） 避免雨水浸淋，不會(huì)被水浸沒。如果防護(hù)等級(jí)是IP67（防塵防浸水級(jí)）或IP68（防塵防潛水級(jí)），則無需上述8）、10）兩項(xiàng)要求。

    （2） 直管段長(zhǎng)度要求

     為獲得正常測(cè)量精確度，電磁流量傳感器上游也要有一定長(zhǎng)度直管段，但其長(zhǎng)度與大部分其它流量?jī)x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(rèn)為只要離電極中心線（不是傳感器進(jìn)口端連接面）5倍直徑（5D）長(zhǎng)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(cè)量管內(nèi)。各標(biāo)準(zhǔn)或檢定規(guī)程所提出上下游直管段長(zhǎng)度亦不*，匯集如表2所示，要求比通常要求高。這是由于為保證達(dá)到當(dāng)前0.5級(jí)精度儀表的要求。擾流件名稱 標(biāo)準(zhǔn)或檢定規(guī)程號(hào) ISO 6817 ISO 9104 JIS B7554 ZBN 12007 JJG198 上游 彎管、形管、全開閘閥、漸擴(kuò)管 10D 或制造廠規(guī)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(shí)，應(yīng)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。

    （3） 安裝位置和流動(dòng)方向

     傳感器安裝方向水平、垂直或傾斜均可，不受限制。但測(cè)量固液兩相流體垂直安裝，自下而上流動(dòng)。這樣能避免水平安裝時(shí)襯里下半部局部磨損嚴(yán)重，低流速時(shí)固相沉淀等缺點(diǎn)。水平安裝時(shí)要使電極軸線平行于地平線，不要處于垂直于地平線，因?yàn)樘幱诘夭降碾姌O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(hào)波動(dòng)。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，排放口如f形狀所示。對(duì)于固液兩相流c處亦是不宜位置。

    （4） 旁路管、便于清洗連接和預(yù)置入孔

    為便于在工藝管道繼續(xù)流動(dòng)和傳感器停止流動(dòng)時(shí)檢查和調(diào)整零點(diǎn)，應(yīng)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(jù)電極污染程度來校正測(cè)量值，或確定一個(gè)不影響測(cè)量值的污染程度判斷基準(zhǔn)是困難的。除前文所述，采用非接觸電極或帶刮刀清除裝置電極的儀表，可解決一些問題外，有時(shí)還需要清除內(nèi)壁附著物，則可按圖6所示，不卸下傳感器就地清除。對(duì)于管徑大于1.5～1.6m的管系在EMF 附近管道上，預(yù)置入孔，以便管系停止運(yùn)行時(shí)清洗傳感器測(cè)量管內(nèi)壁。

    （5） 負(fù)壓管系的安裝

    氟塑料襯里傳感器須謹(jǐn)慎地應(yīng)用于負(fù)壓管系；正壓管系應(yīng)防止產(chǎn)生負(fù)壓，例如液體溫度高于室溫的管系，關(guān)閉傳感器上下游截止閥停止運(yùn)行后，流體冷卻收縮會(huì)形成負(fù)壓，應(yīng)在傳感器附近裝負(fù)壓防止閥。有制造廠規(guī)定PTFE和PFA塑料襯里應(yīng)用于負(fù)壓管系的壓力可在200C、1000C、1300C時(shí)使用的壓力必須分別大于27、40、50KPa。

    （6） 接地

傳感器必須單獨(dú)接地（接地電阻100Ω以下）。分離型原則上接地應(yīng)在傳感器一側(cè)，轉(zhuǎn)換器接地應(yīng)在同一接地點(diǎn)。如傳感器裝在有陰極腐蝕保護(hù)管道上，除了傳感器和接地環(huán)一起接地外，還要用較粗銅導(dǎo)線（16mm2）饒過傳感器跨接管道兩連接法蘭上，使陰極保護(hù)電流于傳感器之間隔離。有時(shí)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(cè)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(hù)的管線上，陰極保護(hù)電流影響 EMF 測(cè)量時(shí)，也可以采取本方法。 7.3轉(zhuǎn)換器安裝和連接電纜 一體型 EMF無單獨(dú)安裝轉(zhuǎn)換器；分離型轉(zhuǎn)換器安裝在傳感器附近或儀表室，場(chǎng)所選擇余地較大，環(huán)境條件比傳感器好些，其防護(hù)等級(jí)是 IP65 或 IP64 （防塵防濺級(jí)）。

安裝場(chǎng)所的要求與6.2節(jié)之（1）中3）、4）、6）、8）、9）、10）各條相同，環(huán)境溫度受電子件限制，使用溫度范圍比7）規(guī)定所列要窄些。轉(zhuǎn)換器和傳感器間距離受制于被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率和信號(hào)電纜型號(hào)，即電纜的分布電容、導(dǎo)線截面和屏蔽層數(shù)等。要用制造廠隨儀表所附（或規(guī)定型號(hào)）的信號(hào)電纜。電導(dǎo)率較低液體和傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)，也有規(guī)定用三層屏蔽電纜。一般儀表“使用說明書”對(duì)不同電導(dǎo)率液體給出相應(yīng)傳輸距離范圍。單層屏蔽電纜用于工業(yè)用水或酸堿液通?？蓚魉途嚯x100m。為了避免干擾信號(hào)，信號(hào)電纜必須單獨(dú)穿在接地保護(hù)鋼管內(nèi)，不能把信號(hào)電纜和電源線安裝在同一鋼管內(nèi)。

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，實(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)橹圃鞆S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(cè)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(hào)線、外界噪聲等，否則會(huì)出現(xiàn)輸出晃動(dòng)現(xiàn)象等。我們就多次遇到測(cè)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(shí)出現(xiàn)輸出晃動(dòng)。