電磁流量計(jì)原理（一）
概 述

電磁流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱EMF）是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。50年代初EMF實(shí)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?jī)x表臺(tái)數(shù)的5%～6.5%。

    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，儀表性能有了很大提高，得到更為廣泛的應(yīng)用。

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(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”，其值如下

式中 E-----感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即流量信號(hào)，V;

k-----系數(shù)；

B-----磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

D----測(cè)量管內(nèi)徑，m；

--- 平均流速，m/s。

設(shè)液體的體積流量為

，則

式中 K 為儀表常數(shù)，K= 4 KB/πD 。

  EMF由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部

組成。傳感器典型結(jié)構(gòu)示意如圖2，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。

3、 優(yōu) 點(diǎn)

EMF的測(cè)量通道是一段無阻流檢測(cè)件的光滑直管，因不易阻塞適用于測(cè)量含有固體顆粒或纖維的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等。

   EMF不產(chǎn)生因檢測(cè)流量所形成的壓力損失，儀表的阻力僅是同一長(zhǎng)度管道的沿程阻力，節(jié)能*，對(duì)于要求低阻力損失的大管徑供水管道zui為適合。

   EMF所測(cè)得的體積流量，實(shí)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?jī)x表相比，前置直管段要求較低。

  
EMF測(cè)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(hào)儀表可在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)流標(biāo)定。

EMF的口徑范圍比其他品種流量?jī)x表寬，從幾毫米到3m。可測(cè)正反雙向流量，也可測(cè)脈動(dòng)流量，只要脈動(dòng)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、 缺 點(diǎn) 

EMF不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品和有機(jī)溶劑等。不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。

   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；有些型號(hào)儀表用于過低于室溫的液體，因測(cè)量管外凝露（或霜）而破壞絕緣。

5、 分 類 

   市場(chǎng)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(hào)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(cè)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。

6.1 應(yīng)用概況

EMF應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。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(cè)流體或高要求場(chǎng)所，如測(cè)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(zhǎng)距離管道煤的水力輸送的流量測(cè)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(chǎng)所。

6.2精度等級(jí)和功能

    
市場(chǎng)上通用型EMF的性能有較大差別，有些精度高、功能多，有些精度低、功能簡(jiǎn)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(jià)格相差1～2倍。因此測(cè)量精度要求不很高的場(chǎng)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(chǎng)所）選用高精度儀表在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。

    
有些型號(hào)儀表聲稱有更高的度，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(zhǎng)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(shí)流校準(zhǔn)，以減少夾裝不善的影響。因此在多種型號(hào)選擇比較時(shí)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。

   
市場(chǎng)上EMF的功能差別也很大，簡(jiǎn)單的就只是測(cè)量單向流量，只輸出模擬信號(hào)帶動(dòng)后位儀表；多功能儀表有測(cè)雙向流、量程切換、上下限流量報(bào)警、空管和電源切斷報(bào)警、小信號(hào)切除、流量顯示和總量計(jì)算、自動(dòng)核對(duì)和故障自診斷、與上位機(jī)通信和運(yùn)動(dòng)組態(tài)等。有些型號(hào)儀表的串行數(shù)字通信功能可選多種通信接口和芯片（ASIC），以連接HART協(xié)議系統(tǒng)、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現(xiàn)場(chǎng)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，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。

   
EMF滿度流量時(shí)液體流速可在1～10m/s范圍內(nèi)選用，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(shí)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(hào)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(cè)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。

用于有易粘附、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(duì)襯里和電極的磨損。

    在測(cè)量接近閾值的低電導(dǎo)液體，盡可能選定較低流速（小于0.5～1m/s），因流速提高流動(dòng)噪聲會(huì)增加，而出現(xiàn)輸出晃動(dòng)現(xiàn)象。

    EMF的范圍度是比較大的，通常不低于20，帶有量程自動(dòng)切換功能的儀表，可超過50～100。

國(guó)內(nèi)可以提供的定型產(chǎn)品的口徑從10mm到3000mm，隨然實(shí)際應(yīng)用還是以中小口徑居多，但與大部分其他原理流量?jī)x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(wàn)臺(tái)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%。

6.4液體電導(dǎo)率

   
使用EMF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

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(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)。

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，但測(cè)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(shí)斷開，出現(xiàn)輸出晃動(dòng)甚至不能正常工作。

含有非鐵磁性顆粒或纖維的固液雙相流體同樣可測(cè)得二相的體積流量。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(shí)際上已屬非牛頓流體。由于固體在載體液中一起流動(dòng)，兩者之間有滑動(dòng)，速度上有差別，單相液體校驗(yàn)的儀表用于固液雙相流體會(huì)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(shí)驗(yàn)報(bào)告，但國(guó)外有報(bào)告稱固形物含量有14%時(shí)誤差在3%范圍以內(nèi)；我國(guó)黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所的實(shí)驗(yàn)報(bào)告稱，測(cè)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(cè)量誤差小于3%。

  
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(huì)產(chǎn)生尖峰狀漿液噪聲，使流量信號(hào)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(duì)通常的EMF，因測(cè)量管內(nèi)磁導(dǎo)率受鐵磁體的不同含量而變化，會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。但在磁路中置有磁通檢測(cè)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(shí)驗(yàn)報(bào)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(duì)比流量試驗(yàn)，通常的儀表示值變化7%～10%，裝有磁通檢測(cè)線圈的儀表，示值誤差在±2%FS以內(nèi)。

  
對(duì)含有礦石顆粒的礦漿應(yīng)用，應(yīng)注意對(duì)傳感器襯里的磨損程度，測(cè)量管內(nèi)徑擴(kuò)大會(huì)產(chǎn)生附加誤差。這種場(chǎng)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(shí)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(diǎn)。也可以在傳感器進(jìn)口端加裝噴嘴形護(hù)套，相對(duì)延長(zhǎng)使用期。

6.6 附著和沉淀

  
測(cè)量易在管壁附著和沉淀物質(zhì)的流體時(shí)，若附著的是比液體電導(dǎo)率高的導(dǎo)電物質(zhì)，信號(hào)電勢(shì)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(dòng)刮出沉垢。國(guó)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(shí)斷開測(cè)量電路，在電極簡(jiǎn)短時(shí)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(chǎng)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。

   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(cè)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(duì)流體的適應(yīng)性。由于零部件少，形狀簡(jiǎn)單，材料選擇靈活，電磁流量傳感器對(duì)流體的適應(yīng)性強(qiáng)。

（1） 襯里材料（或直接與介質(zhì)接觸的測(cè)量管）

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，價(jià)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(cè)量礦漿液。氟塑料中zui早應(yīng)用的是聚四氟乙烯，因與測(cè)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(shí)現(xiàn)注塑成形，與測(cè)量管有較強(qiáng)結(jié)合力，可用于負(fù)壓，
聚氨酯橡膠有*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*的耐磨耗性和對(duì)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(shí)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(shí)間。