電磁流量計(jì)的基本原理

（一）測量原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場內(nèi)的長度L及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則

e＝Blu （3－35）

與此相仿．在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個(gè)內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速u流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體就切割磁力線．如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對(duì)電極（圖3—17）則可以證明，只要管道內(nèi)流速分布為軸對(duì)稱分布，兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動(dòng)勢：

e＝BD （3－36）

式中， 為管道截面上的平均流速．由此可得管道的體積流量為：

qv＝ ＝ （3－37）

由上式可見，體積流量qv與感應(yīng)電動(dòng)勢e和測量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)．這就是電磁流量計(jì)的測量原理．

需要說明的是，要使式（3—37）嚴(yán)格成立，必須使測量條件滿足下列假定：

①磁場是均勻分布的恒定磁場；

②被測流體的流速軸對(duì)稱分布；

③被測液體是非磁性的；

④被測液體的電導(dǎo)率均勻且各向同性。

圖3－17 電磁流量計(jì)原理簡圖

1－磁極；2－電極；3－管道

（二）勵(lì)磁方式

勵(lì)磁方式即產(chǎn)生磁場的方式．由前述可知，為使式（3—37）嚴(yán)格成立，*個(gè)必須滿足的條件就是要有一個(gè)均勻恒定的磁場．為此，就需要選擇一種合適的勵(lì)磁方式。目前，一般有三種勵(lì)碰方式，即直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁．現(xiàn)分別予以介紹．

1．直流勵(lì)磁

直流勵(lì)磁方式用直流電產(chǎn)生磁場或采用*磁鐵，它能產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場．這種直流勵(lì)磁變送器的大優(yōu)點(diǎn)是受交流電磁場干擾影響很小，因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響．但是，使用直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場中被電解，產(chǎn)生正負(fù)離子．在電場力的作用下，負(fù)離子跑向正極，正離子跑向負(fù)極．如圖3—18所示．這樣，將導(dǎo)致正負(fù)電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴(yán)重影響儀表的正常工作．所以，直流勵(lì)磁一般只用于測量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等．

圖3－18 直流勵(lì)磁方式

2．交流勵(lì)磁

目前，工業(yè)上使用的電磁流量計(jì)，大都采用工頻（50Hz）電源交流勵(lì)磁方式，即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場也是一個(gè)交變磁場．交變磁場變送器的主要優(yōu)點(diǎn)是消除了電極表面的極化于擾．另外，由于磁場是交變的，所以輸出信號(hào)也是交變信號(hào)，放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號(hào)要比直流信號(hào)容易得多．

如果交流磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

B＝Bm sin t （3－38）

則電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢為

e＝Bm D sin t （3－39）

被測體積流量為

qv= D （3－40）

式中 Bm――磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的大值；

――勵(lì)磁電流的角頻率， ＝2 f；

t――時(shí)間；

f――電源頻率．

由式（3－40）可知，當(dāng)測量管內(nèi)徑D不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm為一定值時(shí)，兩電極上輸出的感生電動(dòng)勢e與流量qv成正比．這就是交流磁場電磁流量變送器的基本工作原理．

值得注意的是，用交流磁場會(huì)帶來一系列的電磁干擾問題．例如正交干擾．同相干擾等，這些干擾信號(hào)與有用的流量信號(hào)混雜在一起．因此，如何正確區(qū)分流量信號(hào)與干擾信號(hào)，并如何有效地抑制和排除各種干擾信號(hào)，就成為交流勵(lì)磁電磁流量計(jì)研制的重要課題。

3．低頻方波勵(lì)磁

直流勵(lì)磁方式和交流勵(lì)滋方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn)，盡量避免它們的缺點(diǎn)，70年代以來，人們開始采用低頻方波勵(lì)磁方式．它的勵(lì)磁電流波形如圖3—19所示，其頻率通常為工頻的1／4－l／10．

圖3－19 方波勵(lì)磁電流波形

從圖3－19可見，在半個(gè)周期內(nèi)，磁場是恒穩(wěn)的直流磁場，它具有直流勵(lì)磁的特點(diǎn)，受電磁干擾影響很小．從整個(gè)時(shí)間過程看，方波信號(hào)又是一個(gè)交變的信號(hào)，所以它能克服直流勵(lì)滋易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象．因此，低頻方波勵(lì)磁是一種比較好的勵(lì)磁方式，目前已在電磁流量計(jì)上廣泛的應(yīng)用．概括一下，它具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①能避免交流磁場的正交電磁干擾；

②消除由分布電容引起的工頻干擾；

③抑制交流磁場在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流；

④排除直流勵(lì)磁的極化現(xiàn)象．

電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表．它根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成，用來測量導(dǎo)電流體的體積流量。由于其*的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)上各種導(dǎo)電液體的測量．例如，測量各種酸、堿、鹽等腐蝕液體；各種易燃，易爆介質(zhì)；各種工業(yè)污水，紙漿，泥漿等。

電磁流量計(jì)的主要特點(diǎn)是：

①電磁流量計(jì)的變送器結(jié)構(gòu)簡單，沒有可動(dòng)部件，也沒有任何阻礙流體流動(dòng)的節(jié)流部件，所以當(dāng)流體通過時(shí)不會(huì)引起任何附加的壓力損失，同時(shí)它不會(huì)引起諸如磨損，堵塞等問題，特別適用于測量帶有固體顆粒的礦漿，污水等液固兩相流體，以及各種粘性較大的漿液等．同樣，由于它結(jié)構(gòu)上無運(yùn)動(dòng)部件，故可通過附上耐腐蝕絕緣襯里和選擇耐腐材料制成電極，起到很好的耐腐蝕性能，使之可用于各種腐蝕性介質(zhì)的測量．

②電磁流量計(jì)是—種體積流量測量儀表，在測量過程中，它不受被測介質(zhì)的溫度．粘度、密度以及電導(dǎo)率（在一定范圍內(nèi)）的影響．因此，電磁流量計(jì)只需經(jīng)水標(biāo)定以后，就可以用來測量其它導(dǎo)電性液體的流量，而不需要附加其它修正．

③電磁流量計(jì)的量程范圍極寬，同一臺(tái)電磁流量計(jì)的量程比可達(dá)1：100．此外，電磁流量計(jì)只與被測介質(zhì)的平均流速成正比，而與軸對(duì)稱分布下的流動(dòng)狀態(tài)（層流或紊流）無關(guān)．

④電磁流量計(jì)無機(jī)械慣性，反應(yīng)靈敏，可以測量瞬時(shí)脈動(dòng)流量，而且線性好．因此，可將測置信號(hào)直接用轉(zhuǎn)換器線性地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，可就地指示，也可遠(yuǎn)距離傳送．

電磁流量計(jì)雖具有上述優(yōu)良特性，但目前它還有一些不足之處，以致在使用上受到一定限制．主要有如下幾點(diǎn)：

①電磁流量計(jì)不能用于測量氣體、蒸氣以及含有大量氣體的液體．

②電磁流量計(jì)目前還不能用來測量電導(dǎo)率很低的液體介質(zhì)，被測液體介質(zhì)的電導(dǎo)率不能低于10－5（S／cm），相當(dāng)于蒸餾水的電導(dǎo)率．對(duì)石油制品或者有機(jī)溶劑等還無能為力。

③由于測量管絕緣襯里材料受溫度的限制，目前工業(yè)電磁流量計(jì)還不能測量高溫高壓流體。

④電磁流量計(jì)受流速分布影響，在軸對(duì)稱分布的條件下，流量信號(hào)與平均流速成正比．所以，電磁流量計(jì)前后也必須有一定長度的前后直管段．

⑤電磁流量計(jì)易受外界電磁干擾的影響．

電磁流量計(jì)的選用與安裝

合理選用與正確安裝電磁流量計(jì)，對(duì)保證測量準(zhǔn)確度、延長儀表的使用壽命都是很重要的．下面就電磁流量計(jì)的選用原則，安裝條件與使用注意事項(xiàng)做簡單介紹．

（一）電磁流量計(jì)的選用原則

電磁流量計(jì)的選用，主要是變送器的正確選用，而轉(zhuǎn)換器只需要與之配套就可以．

1．口徑與量程的選擇

變送器口徑通常選用與管道系統(tǒng)相同的口徑．如果管道系統(tǒng)有待設(shè)計(jì)，則可根據(jù)流量范圍和流速來選擇口徑．對(duì)于電磁流量計(jì)來說，流速以2—4m／s較為適宜．在特殊情況下，如液體中帶有固體顆粒，考慮到磨損的情況，可選常用流速≤3m／s，對(duì)于易附管理的流體．可選用流速≥2m／s．流速確定以后，可根據(jù)qv＝ D2 來確定變送器口徑．

變送器的量程可以根據(jù)兩條原則來選擇：一是儀表滿量程大于預(yù)計(jì)的大流量值；二是正常流量大于儀表滿量程的50％，以保證一定的測量精度．

2．溫度和壓力的選擇

電磁流量計(jì)能測量的流體壓力與溫度是有一定限制的．選用時(shí)，使用壓力必須低于該流量計(jì)規(guī)定的工作壓力．目前，國內(nèi)生產(chǎn)的電磁流量計(jì)的工作壓力規(guī)格為：

小于 50mm口徑，工作壓力為1．6MPa；

900 mm口徑，工作壓力為1MPa；

大于 1000mm口徑，工作壓力為0．6MPa．

如對(duì)變送器耐壓有特殊要求，則可與生產(chǎn)廠家具體磋商．有的廠家已能制造耐壓為32MPa的電磁流量變送器．

電磁流量計(jì)的工作溫度取決于所用的襯里材料，一般為5—70℃．如做特殊處理，可以超過上述范圍，如天津自動(dòng)化儀表三廠生產(chǎn)的耐磨耐腐蝕電磁流量計(jì)．變送器允許被測介質(zhì)溫度為—40一十130℃．

3．內(nèi)襯材料與電極樹料的選擇

變送器的內(nèi)襯材料及電極材料必須根據(jù)介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)來正確選擇，否則儀表會(huì)由于襯里和電極的腐蝕而很快損壞，而且腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)一旦泄漏容易引起事故．因此，必須根據(jù)生產(chǎn)過程中的具體測量介質(zhì)，慎重地選擇電極與襯里的材料．

（二）電磁流量計(jì)的安裝

要保證電磁流量計(jì)的測量精度，正確的安裝是很重要的．

①變送器應(yīng)安裝在室內(nèi)干燥通風(fēng)處．避免安裝在環(huán)境溫度過高的地方，不應(yīng)受強(qiáng)烈振動(dòng)，盡量避開具有強(qiáng)烈磁場的設(shè)備，如大電機(jī)，變壓器等．避免安裝在有腐蝕性氣體的場合．安裝地點(diǎn)便于檢修．這是保證變送器正常運(yùn)行的環(huán)境條件．

②為了保證變送器測量管內(nèi)充滿被測介質(zhì)，變迭器垂直安裝，流向自下而上．尤其是對(duì)于液固兩相流，必須垂直安裝．若現(xiàn)場只允許水平安裝，則必須保證兩電極在同一水平面

③變送器兩端應(yīng)裝閥門和旁路．

④電磁流量變送器的電極所測出的幾毫伏交流電勢，是以變送器內(nèi)液體電位為基礎(chǔ)的．為了使液體電位穩(wěn)定并位變送器與流體保持等電位，以保證穩(wěn)定地進(jìn)行測量，變送器外殼與金屬管兩端應(yīng)有良好的接地，轉(zhuǎn)換器外殼也應(yīng)接地．接地電阻不能大于10 ，不能與其它電器設(shè)備的接地線共用。如果不能保證變送器外殼與金屬管道良好接觸，應(yīng)用金屬導(dǎo)線將它們連接起來．再可靠接地．

⑤為了避免干擾信號(hào)，變送器和轉(zhuǎn)換器之間的信號(hào)必須用屏蔽導(dǎo)線傳輸．不允許把信號(hào)電纜和電源線平行放在同一電纜鋼管內(nèi)．信號(hào)電纜長度一般不得超過30 m．

⑥轉(zhuǎn)換器安裝地點(diǎn)應(yīng)避免交、直流強(qiáng)磁場和振動(dòng)，環(huán)境溫度為—20一50℃，不含有腐蝕性氣體，相對(duì)濕度不大于80％．

⑦為了避免流速分相對(duì)測量的影響，流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)設(shè)置在變送器下游．對(duì)于小口徑的變送器來說，因?yàn)閺碾姌O中心到流量計(jì)進(jìn)口端的距離已相當(dāng)于好幾倍直徑D的長度，所以對(duì)上游直管可以不做規(guī)定．但對(duì)口徑較大的流量計(jì)，一般上游應(yīng)有5D以上的直管段，下游一般不做直管段要求．