电磁流量计工作原理及选型.doc

电磁流量计工作原理及选型一、电磁流量计的概念 电磁流量计（简称EMF）是利用法拉第电磁感应定律制成的一种丈量导电液体体积流量的仪表。50年代初电磁流量计(EMF)实现了产业化应用， 70年代后期泛起键控低频矩形波激磁方式，逐渐替换早期应用的工频交流激磁方式，仪表机能有了很大进步，得到更为广泛的应用。近年来，发展速度较快，2005年全球产量估计在20万台以上。目前，大口径电磁流量计较多应用于给排水工程，中小口径常用于固液双相等难测流体或高要求场所。如丈量造纸产业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学产业的强侵蚀液以及钢铁产业高炉风口冷却水控制和监漏，长间隔管道煤的水力输送的流量丈量和控制。小口径、微小口径电磁流量计则常用于医药产业、食物产业、生物工程等有卫生要求的场所。二、测量原理是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。可测流量范围大。最大流量与最小流量的比值一般为20：1以上，适用的工业管径范围宽，最大可达3m，输出信号和被测流量成线性，精确度较高，可测量电导率5s/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆、纸浆等的流体流量。但它不能测量气体、蒸汽以及纯净水的流量。当导体在中作切割磁力线运动时，在导体中会产生感应电势，感应电势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比。同理，导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁感应力线时，也会在管道两边的电极上产生感应电势。感应电势的方向由右手定则判定，感应电势的大小由下式确定：Ex=BDv式（1）式（1）中Ex感应电势，V；B磁感应强度，TD管道内径，mv液体的平均流速，m/s然而体积流量qv等于流体的流速v与管道截面积（D²）/4的乘积，将式（1）代入该式得：Qv=(D/4B)* Ex -式（2）由上式可知，在管道直径D己定且保持磁感应强度B不变时，被测体积流量与感应电势呈线性关系。若在管道两侧各插入一根电极，就可引入感应电势Ex，测量此电势的大小，就可求得体积流量。据法拉第电磁感应原理，在与测量管轴线和磁力线相垂直的管壁上安装了一对检测电极，当导电液体沿测量管轴线运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势由两个检测电极检出，数值大小与流速成正比例，其值为：E=B·V·D·K式中： E感应电势；K与磁场分布及轴向长度有关的系数；B磁感应强度；V导电液体平均流速；D电极间距；（测量管内直径）传感器将感应电势E作为流量信号，传送到转换器，经放大，变换滤波等信号处理后，用带背光的点阵式液晶显示瞬时流量和累积流量。转换器有420mA输出，报警输出及频率输出，并设有RS485等通讯接口，并支持HART和MODBUS协议。注：不同电磁流量计参数略有差异，使用时请务必查看说明书。根据法拉第电磁感应定律，在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速v流动时，导电流体就切割磁力线.如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间产生感生电动势：e=KBDv (3-36)式中，v为管道截面上的平均流速，k为仪表常数。由此可得管道的体积流量为：qv= eD/4KB (3-37)由上式可见，体积流量qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关。这就是电磁流量计的测量原理。需要说明的是，要使式(337)严格成立，必须使电磁流量计测量条件满足下列假定：磁场是均匀分布的恒定磁场;被测流体的流速轴对称分布;被测液体是非磁性的;被测的电导率均匀且各向同性三、机能优缺点优点：1、电磁流量计的丈量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易梗阻，适用于丈量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。2、电磁流量计不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是统一长度管道的沿程阻力，节能效果明显，对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。3、电磁流量计所测得的体积流量，实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率（只要在某阈值以上）变化显著的影响。4、与其他大部分流量仪表比拟，前置直管段要求较低。5、丈量范围度大，通常为20：150：1，可选流量范围宽。满度值液体流速可在0.510m/s内选定。6、电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3m。可测正反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率良多。仪表输出本质上是线性的。7、易于选择与流体接触件的材料品种，可应用于侵蚀性流体。缺点：1、电磁流量计不能丈量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等。不能丈量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。2、通用型电磁流量计因为衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用于200度以上高温度的液体；同时不能用于温度过低的介质，因丈量管外凝露（或霜）而破坏绝缘。四、分类与应用目前，电磁流量计已发展成多种类型，分类方法也有良多种：1按励磁方式分类1）直流励磁型 这种电磁流量计数目很少，只用于丈量液态金属流量，如常温下的汞和高温下的液态钠、钾等。2）交流工频励磁型 较早期的电磁流量计用50Hz工频市电励磁，因为易受电磁干扰和零点漂移等原因，现已逐渐被低频矩形励磁所代替。但在丈量泥浆、矿浆等液固两相流时，低频矩形波励磁方式因为不能克服固体掠过电极表面产生的尖峰噪声，而工频交流励磁的仪表则不存在这一缺点，所以海内外尚有一些电磁流量计仍采用交流励磁方式。3）低频矩形波励磁型 用于低频矩形波励磁方式功耗小，零点不乱，是目前电磁流量计的主要励磁方式。其波形有“正负”二值和“正零负零”三值两种。有的电磁流量计励磁频率可以由用户设定，一般小口径仪表用较高频率，大口径仪表用较低频率。4）双频励磁型 励磁电流的波形是在低频矩形波上叠加高频矩形波，主要为克服二值矩形波励磁存在的浆液噪声和活动噪声，进步仪表的不乱性和响应特性。2按传感器和转换器的组成分类1）分离型 这是电磁流量计的主要型式。传感器安装在畅通流畅管道上，转换器装在仪表室内或易于安装和操纵的传感器四周，间隔一般为数十到数百米。其好处是转换器可阔别现场恶劣环境前提，电子器件的检查、调整和丈量参数的比较利便。2）一体型 传感器和转换器组装在一起，装在工艺管道上直接输出反映流量大小的电流（或频率）尺度信号。其好处是缩短了传感器和转换器之间的流量信号线和励磁线的连接长度，没有外界的这类布线，因此电器接线简朴，价格也比较便宜。但易受管道布置的限制，假如安装在人们不易接近的场所，维护很不利便；此外，转换器中的电子器件装在管道上，易受液体温度和管道振动的影响。3按连接方式分类按流量传感器与管道连接方法分类，有法兰连接、法兰夹装连接、卫生型连接和螺纹连接。4按用途分类1）通用型 用于冶金、石化、造纸、轻纺、给排水、污水处理以及医药、食物、生物和精细化工等产业领域中的一般电磁流量计，是电磁流量计的主要类型。对被测介质的电导率有一范围要求，一般不能超过其上下限范围。2）防爆型 用于有爆炸性气氛的场所。因为励磁电流能量较大，目前仍是以隔爆型为主。近年来国外已泛起本质安全型，即安全火花型电磁流量计，励磁功率大幅度降低，可以做成一体型，全部装在危险区域内工作。3）卫生型 用于医药、食口和生物化学等产业的电磁流量计，在定时来菌、便于拆卸清洗等方面要符合有关卫生的要求。4）防浸水型 用于安装在地面下的传感器，可承受短时间的水浸没。5）潜水型 用于丈量明渠或非满管暗渠自由水面自由流时的流量。传感器在明渠截流挡板下部，长期浸在水下工作。结构和使用上都有别于一般电磁流量计。6）插入型 用于大管径的电磁流量传感器。传感器从管道开孔中径向插入，以丈量局部流速推算流量，精确度较低，但价格便宜，合用于控制系统。五、选型应用1、精度等级和功能市场上通用型电磁流量计的机能有较大差别，有些精度高、功能多，有些精度低、功能简朴。精度高的仪表基本误差为（±0.5%±1%）R，精度低的仪表则为（±1.5%±2.5%）FS，两者价格相差12倍。有些型号仪表声称有更高的精确度，基本误差仅（±0.2%±0.3%）R，但有严格的安装要乞降参比前提，例如环境温度2022，前后置直管段长度要求分别大于10D,3D（通常为5D,2D）甚至提出流量传感器要与前后置直管组成一体在流量尺度装置上作实流校准，以减少夹装不善的影响。因此在多种型号选择比较时不要单纯只看高指标，要具体阅读制造厂样本或仿单做综合分析。市场上电磁流量计的功能差别也很大，简朴的就只是丈量单向流量，只输出模拟信号带动后位仪表；多功能仪表有测双向流、量程切换、上下限流量报警、空管和电源堵截报警、小信号切除、流量显示和总量计算、自动核对和故障自诊断、与上位机通讯和运动组态等。有些型号仪表的串行数字通讯功能可选多种通讯接口和专用芯片（ASIC），以连接HART协议系统、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF现场总线等。2、流速、满度流量、范围度和口径选定仪表口径不一定与管径相同，应视流量而定。流程产业输送水等粘度不同的液体，管道流速一般是经济流速1.53m/s。电磁流量计用在这样的管道上，传感器口径与管径相同即可。EMF满度流量时液体流速可在110m/s范围内选用，范围是比较宽的。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建议不超过5m/s，除非衬里材料能承受液流冲洗，实际应用很少超过7m/s，超过10m/s则更为罕见。满度流量的流速下限一般为1m/s，有些型号仪表则为0.5m/s。有些新建工程运行初期流量偏低或在流速偏低的管系，从丈量精度角度考虑，仪表口径应改用小于管径，以异径管连接之。用于有易粘附、沉积、结垢等物质的流体，选用流速不低于2m/s，最好进步到34m/s或以上，起到自清扫、防止粘附沉积等作用。用于矿浆等磨耗性强的流体，常用流速应低于23m/s ，以降低对衬里和电极的磨损。在丈量接近阈值的低电导液体，尽可能选定较低流速（小于0.51m/s），因流速进步活动噪声会增加，而泛起输出晃动现象。电磁流量计的范围度是比较大的，通常不低于20，带有量程自动切换功能的仪表，可超过50100。海内可以提供的定型产品的口径从10mm到3000mm，随然实际应用仍是以中小口径居多，但与大部门其他原理流量仪表（如容积式、涡轮式、涡街式或科里奥利质量式等）比拟，大口径仪表据有较大比重。3、液体电导率使用电磁流量计的条件是被测液体必需是导电的，不能低于阈值（即下限值）。电导率低于阈值会产生丈量误差直至不能使用，超过阈值即使变化也可以丈量，示值误差变化不大，通用型EMF的阈值在10-4（5×10-6）S/cm之间，视型号而异。使用时还取决于传感器和转换器间流量信号线长度及其分布电容，制造厂使用仿单中通常划定电导率相对应的信号线长度。非接触电容耦合大面积电极的仪表则可测电导率低至5×10-8S/cm的液体。产业用水及其水溶液的电导率大于10-4S/cm，酸、碱、盐液的电导率在10-410-1S/cm之间，使用不存在题目，低度蒸馏水为10-5S/cm也不存在题目。石油制品和有机溶剂电导率过低就不能使用。表1列出若干液体的电导率。从资料上查到有些纯液或水溶液电导率较低，以为不能使用，然而实际工作中会碰到因含有杂质而能使用的实例，这类杂质对增加电导率有利。对于水溶液，资料中的电导率是用纯水配比在实验室测得的，实际使用的水溶液可能用产业用水配比，电导率将比查得的要高，也有利于流量丈量。表中是若干液体在20时的电导率液体名称 电导率 液体名称 电导率 液体名称 电导率 石油 （35）×10-13丙酮 （26）×10-8纯水，高度蒸馏水 4×10-8苯 7.6×10-8 液氨 1.3×10-7甲醇 (4.47.2)×10-7饮用水 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）氢氧化钠（4%50%）（1.6×10-1）（8×10-2）食盐水（2.5%） 2×10-14、液体中含有混入物混入成泡状流的微小气泡仍可正常工作，但测得的是含气泡体积的混合体积流量；如气体含量增加到形成弹（块）状流，因电极可能被气体盖住使电路瞬时断开，泛起输出晃动甚至不能正常工作。含有非铁磁性颗粒或纤维的固液双相流体同样可测得二相的体积流量。固体含量较高的流体，如钻井泥浆、钻探固井水泥浆、纸浆等实际上已属非牛顿流体。因为固体在载体液中一起活动，两者之间有滑动，速度上有差别，单相液体校验的仪表用于固液双相流体会产生附加误差。固然还未见到EMF应用于固液双相流体中固形物影响的系统实验讲演，但国外有讲演称固形物含量有14%时误差在3%范围以内；我国黄河水利委员会水利科学研究所的实验讲演称，丈量高沙含量水的流量，含沙量体积比17%40%（沙中值粒径0.35mm），仪表丈量误差小于3%。在浆液内有较大颗粒掠过电极表面，在频率较低的矩形激磁的电磁流量计中会产生尖峰状浆液噪声，使流量信号不稳，就要选用较高频率的仪表或有较强按捺浆液噪声能力的仪表，也可选用市电交流激磁的仪表或双频激磁的仪表。含有铁磁性物质的流体对通常的EMF，因丈量管内磁导率受铁磁体的不同含量而变化，会产生丈量误差。但在磁路中置有磁通检测线圈补偿的EMF，可减小混入铁磁体的影响。对含有矿石颗粒的矿浆应用，应留意对传感器衬里的磨损程度，丈量管内径扩大会产生附加误差。这种场合应选用耐磨性较好的陶瓷衬里或聚氨酯橡胶衬里，同时建议传感器安装在垂直管道上，使管道磨损平均，消除水平安装下半部局部磨损严峻的缺点。也可以在传感器入口端加装喷嘴形护套，相对延长使用期。5、附着和沉淀丈量易在管壁附着和沉淀物质的流体时，若附着的是比液体电导率高的导电物质，信号电势将被短路而不能工作，若长短导电层则首先应留意电极的污染，譬如选用不易附着尖形或半球形凸起电极、可更换式电极、刮刀式清垢电极等。刮刀式电极可在传感器外按期手动刮出沉垢。国外产品曾有电极上装超声波换能器，以清除表面垢层，但现已少见。也有暂时断开丈量电路，在电极简短时间内流过低压大电流，焚烧清除附着油脂类附着层。易产生附着的场所可进步流速以达到自清扫的目的，还可以采取较利便的易清洗的管道连接，可不拆卸清洗传感器。非接触型电极电磁流量计附着非导电膜层，仪表仍能工作，但若为高导电层则同样不能工作。