电磁流量计的基本原理

（一）测量原理

根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，则

e＝Blu （3－35）

与此相仿．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u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（图3—17）则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势：

e＝BD （3－36）

式中， 为管道截面上的平均流速．由此可得管道的体积流量为：

qv＝ ＝ （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（3—37）严格成立，必须使测量条件满足下列假定：

①磁场是均匀分布的恒定磁场；

②被测流体的流速轴对称分布；

③被测液体是非磁性的；

④被测液体的电导率均匀且各向同性。

图3－17 电磁流量计原理简图

1－磁极；2－电极；3－管道

（二）励磁方式

励磁方式即产生磁场的方式．由前述可知，为使式（3—37）严格成立，*个必须满足的条件就是要有一个均匀恒定的磁场．为此，就需要选择一种合适的励磁方式。目前，一般有三种励碰方式，即直流励磁、交流励磁和低频方波励磁．现分别予以介绍．

1．直流励磁

直流励磁方式用直流电产生磁场或采用*磁铁，它能产生一个恒定的均匀磁场．这种直流励磁变送器的大优点是受交流电磁场干扰影响很小，因而可以忽略液体中的自感现象的影响．但是，使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化，即电解质在电场中被电解，产生正负离子．在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极．如图3—18所示．这样，将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作．所以，直流励磁一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等．

图3－18 直流励磁方式

2．交流励磁

目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工频（50Hz）电源交流励磁方式，即它的磁场是由正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场．交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化于扰．另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号，放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多．

如果交流磁场的磁感应强度为

B＝Bm sin t （3－38）

则电极上产生的感生电动势为

e＝Bm D sin t （3－39）

被测体积流量为

qv= D （3－40）

式中 Bm――磁场磁感应强度的大值；

――励磁电流的角频率， ＝2 f；

t――时间；

f――电源频率．

由式（3－40）可知，当测量管内径D不变，磁感应强度Bm为一定值时，两电极上输出的感生电动势e与流量qv成正比．这就是交流磁场电磁流量变送器的基本工作原理．

值得注意的是，用交流磁场会带来一系列的电磁干扰问题．例如正交干扰．同相干扰等，这些干扰信号与有用的流量信号混杂在一起．因此，如何正确区分流量信号与干扰信号，并如何有效地抑制和排除各种干扰信号，就成为交流励磁电磁流量计研制的重要课题。

3．低频方波励磁

直流励磁方式和交流励滋方式各有优缺点，为了充分发挥它们的优点，尽量避免它们的缺点，70年代以来，人们开始采用低频方波励磁方式．它的励磁电流波形如图3—19所示，其频率通常为工频的1／4－l／10．

图3－19 方波励磁电流波形

从图3－19可见，在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小．从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直流励滋易产生的极化现象．因此，低频方波励磁是一种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的应用．概括一下，它具有如下几个优点：

①能避免交流磁场的正交电磁干扰；

②消除由分布电容引起的工频干扰；

③抑制交流磁场在管壁和流体内部引起的电涡流；

④排除直流励磁的极化现象．

电磁流量计

电磁流量计是60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表．它根据法拉第电磁感应定律制成，用来测量导电流体的体积流量。由于其*的优点，目前已广泛地应用于工业上各种导电液体的测量．例如，测量各种酸、碱、盐等腐蚀液体；各种易燃，易爆介质；各种工业污水，纸浆，泥浆等。

电磁流量计的主要特点是：

①电磁流量计的变送器结构简单，没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部件，所以当流体通过时不会引起任何附加的压力损失，同时它不会引起诸如磨损，堵塞等问题，特别适用于测量带有固体颗粒的矿浆，污水等液固两相流体，以及各种粘性较大的浆液等．同样，由于它结构上无运动部件，故可通过附上耐腐蚀绝缘衬里和选择耐腐材料制成电极，起到很好的耐腐蚀性能，使之可用于各种腐蚀性介质的测量．

②电磁流量计是—种体积流量测量仪表，在测量过程中，它不受被测介质的温度．粘度、密度以及电导率（在一定范围内）的影响．因此，电磁流量计只需经水标定以后，就可以用来测量其它导电性液体的流量，而不需要附加其它修正．

③电磁流量计的量程范围极宽，同一台电磁流量计的量程比可达1：100．此外，电磁流量计只与被测介质的平均流速成正比，而与轴对称分布下的流动状态（层流或紊流）无关．

④电磁流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量瞬时脉动流量，而且线性好．因此，可将测置信号直接用转换器线性地转换成标准信号输出，可就地指示，也可远距离传送．

电磁流量计虽具有上述优良特性，但目前它还有一些不足之处，以致在使用上受到一定限制．主要有如下几点：

①电磁流量计不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体．

②电磁流量计目前还不能用来测量电导率很低的液体介质，被测液体介质的电导率不能低于10－5（S／cm），相当于蒸馏水的电导率．对石油制品或者有机溶剂等还无能为力。

③由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业电磁流量计还不能测量高温高压流体。

④电磁流量计受流速分布影响，在轴对称分布的条件下，流量信号与平均流速成正比．所以，电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直管段．

⑤电磁流量计易受外界电磁干扰的影响．

电磁流量计的选用与安装

合理选用与正确安装电磁流量计，对保证测量准确度、延长仪表的使用寿命都是很重要的．下面就电磁流量计的选用原则，安装条件与使用注意事项做简单介绍．

（一）电磁流量计的选用原则

电磁流量计的选用，主要是变送器的正确选用，而转换器只需要与之配套就可以．

1．口径与量程的选择

变送器口径通常选用与管道系统相同的口径．如果管道系统有待设计，则可根据流量范围和流速来选择口径．对于电磁流量计来说，流速以2—4m／s较为适宜．在特殊情况下，如液体中带有固体颗粒，考虑到磨损的情况，可选常用流速≤3m／s，对于易附管理的流体．可选用流速≥2m／s．流速确定以后，可根据qv＝ D2 来确定变送器口径．

变送器的量程可以根据两条原则来选择：一是仪表满量程大于预计的大流量值；二是正常流量大于仪表满量程的50％，以保证一定的测量精度．

2．温度和压力的选择

电磁流量计能测量的流体压力与温度是有一定限制的．选用时，使用压力必须低于该流量计规定的工作压力．目前，国内生产的电磁流量计的工作压力规格为：

小于 50mm口径，工作压力为1．6MPa；

900 mm口径，工作压力为1MPa；

大于 1000mm口径，工作压力为0．6MPa．

如对变送器耐压有特殊要求，则可与生产厂家具体磋商．有的厂家已能制造耐压为32MPa的电磁流量变送器．

电磁流量计的工作温度取决于所用的衬里材料，一般为5—70℃．如做特殊处理，可以超过上述范围，如天津自动化仪表三厂生产的耐磨耐腐蚀电磁流量计．变送器允许被测介质温度为—40一十130℃．

3．内衬材料与电极树料的选择

变送器的内衬材料及电极材料必须根据介质的物理化学性质来正确选择，否则仪表会由于衬里和电极的腐蚀而很快损坏，而且腐蚀性很强的介质一旦泄漏容易引起事故．因此，必须根据生产过程中的具体测量介质，慎重地选择电极与衬里的材料．

（二）电磁流量计的安装

要保证电磁流量计的测量精度，正确的安装是很重要的．

①变送器应安装在室内干燥通风处．避免安装在环境温度过高的地方，不应受强烈振动，尽量避开具有强烈磁场的设备，如大电机，变压器等．避免安装在有腐蚀性气体的场合．安装地点便于检修．这是保证变送器正常运行的环境条件．

②为了保证变送器测量管内充满被测介质，变迭器垂直安装，流向自下而上．尤其是对于液固两相流，必须垂直安装．若现场只允许水平安装，则必须保证两电极在同一水平面

③变送器两端应装阀门和旁路．

④电磁流量变送器的电极所测出的几毫伏交流电势，是以变送器内液体电位为基础的．为了使液体电位稳定并位变送器与流体保持等电位，以保证稳定地进行测量，变送器外壳与金属管两端应有良好的接地，转换器外壳也应接地．接地电阻不能大于10 ，不能与其它电器设备的接地线共用。如果不能保证变送器外壳与金属管道良好接触，应用金属导线将它们连接起来．再可靠接地．

⑤为了避免干扰信号，变送器和转换器之间的信号必须用屏蔽导线传输．不允许把信号电缆和电源线平行放在同一电缆钢管内．信号电缆长度一般不得超过30 m．

⑥转换器安装地点应避免交、直流强磁场和振动，环境温度为—20一50℃，不含有腐蚀性气体，相对湿度不大于80％．

⑦为了避免流速分相对测量的影响，流量调节阀应设置在变送器下游．对于小口径的变送器来说，因为从电极中心到流量计进口端的距离已相当于好几倍直径D的长度，所以对上游直管可以不做规定．但对口径较大的流量计，一般上游应有5D以上的直管段，下游一般不做直管段要求．