電磁流量計(jì)（Eletromagnetic Flowmeters，簡(jiǎn)稱(chēng)EMF）是 20 世紀(jì) 50~60 年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的新型流量測(cè)量?jī)x表。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為最常用的流量計(jì)之一，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，發(fā)展前景未可限量。

 

1　電磁流量計(jì)的工作原理

在結(jié)構(gòu)上，電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器安裝在工業(yè)過(guò)程管道上，它的作用是將流進(jìn)管道內(nèi)的液體體積流量值線性地變換成感生電勢(shì)信號(hào)，并通過(guò)傳輸線將此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠(yuǎn)的地方，它將傳感器送來(lái)的流量信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)成正比的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出，以進(jìn)行顯示，累積和調(diào)節(jié)控制。

 

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場(chǎng)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(shì)e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度 L 及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度 v成正比，如果 B，L，v 三者互相垂直，則

e ＝ BL v  （1）

 

與此相仿，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)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 v 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(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極（如圖）則可以證明，只要管道內(nèi)流速分布為軸對(duì)稱(chēng)分布，兩電極之間也產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)：

e=BD v f （2）

式中，v f 為管道截面上的平均流速。由此可得管道的體積流量 q v 為：

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

 

2　電磁流量計(jì)選用的深入分析研究

電磁流量計(jì)目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中各種導(dǎo)電液體的流量測(cè)量，如：各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)。另外，由于電磁流量計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)牢固可靠，無(wú)可動(dòng)部件，也沒(méi)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、纖維等臟污流、漿液等的流量測(cè)量，形成了獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。

在電磁流量計(jì)的日常應(yīng)用中，為避免一些不必要的故障，本文對(duì)于在工程設(shè)計(jì)中電磁流量計(jì)的被測(cè)液體的電導(dǎo)率、口徑的選擇、電極材料的選擇、傳感器接地及接地環(huán)材料的選擇這幾個(gè)方面進(jìn)行了深入的分析研究。

 

2.1　被測(cè)液體的電導(dǎo)率

電磁流量計(jì)測(cè)量的液體必須是導(dǎo)電的，在設(shè)計(jì)選型中，只要被測(cè)液體的電導(dǎo)率超過(guò)電磁流量計(jì)的閾值，即使變化也不會(huì)影響測(cè)量值，但如果低于閾值則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。電導(dǎo)率的降低，將會(huì)增加傳感器的輸出阻抗，并且因轉(zhuǎn)換器輸入阻抗引起的負(fù)載效應(yīng)而產(chǎn)生誤差。因此，電磁流量計(jì)不適用于電導(dǎo)率太低的液體，具體可根據(jù)各個(gè)制造廠樣本參數(shù)判定。也不能測(cè)量氣體，蒸汽及含有氣泡的液體。

 

另外，不要把電磁流量計(jì)安裝在液體電導(dǎo)率極不均勻的地方。尤其在流量計(jì)安裝上游有化學(xué)物質(zhì)注入的情況下，極易導(dǎo)致電導(dǎo)率的不均勻性，從而對(duì)于流量計(jì)的測(cè)量產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

 

若工藝有要求注入化學(xué)物質(zhì)，在這種情況下，可以在電磁流量計(jì)安裝的下游管道注入。

 

如果必須從電磁流量計(jì)安裝的上游管道注入化學(xué)物質(zhì)，則必須裝上足夠長(zhǎng)的直管段，以保證液體充分混合均勻。

 

2.2　傳感器口徑與連接的工藝管道口徑

電磁流量計(jì)的口徑是根據(jù)管道內(nèi)的平均流速而定的。通常選用與連接的工藝管道相同的口徑或略小些，不一定要與管道口徑完全一致，可以用異徑管連接。

 

管道的平均流速則根據(jù)不同的情況而定。一般工業(yè)輸水管道的經(jīng)濟(jì)流速 1.5~3m/s，易粘附沉積結(jié)垢物質(zhì)則提高到 3~4 m/s 或者更高，漿料等腐蝕性強(qiáng)的為 2~3 m/s。電磁流量計(jì)的液體流速范圍還是很寬的，可以在 1~10 m/s 之間選用。原理上，上限流速并沒(méi)有限制，滿(mǎn)刻度流量的流速下限一般為 1m/s，有些產(chǎn)品更低，為 0.3 m/s。在這個(gè)流速范圍內(nèi)，考慮安裝方便，電磁流量計(jì)口徑可以選擇和管道口徑一致，不要選擇異徑管。

 

有時(shí)也會(huì)選擇電磁流量計(jì)口徑與連接的工藝管道口徑不相同。如：管道內(nèi)流速偏低，低于流量計(jì)的液體流速范圍，工藝流量又比較穩(wěn)定，從測(cè)量的準(zhǔn)確度考慮，在流量計(jì)處局部提高流速，選擇傳感器口徑小于工藝管道口徑，以異徑管連接到管道。

 

另外，對(duì)于大口徑的電磁流量計(jì)，口徑越大，價(jià)格也越高，對(duì)于管道內(nèi)流速偏低，工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下，可以選用口徑較小的流量計(jì)，這樣不僅可以使流量計(jì)運(yùn)行在較好的工作狀態(tài)下，還可以降低投資成本。

 

另外，需要特別注意的一點(diǎn)是，電磁流量計(jì)必須在滿(mǎn)管條件下工作。不滿(mǎn)管或者空管的情況下，流量計(jì)都不能正常工作。

 

2.3　電極材料的選擇

電磁流量計(jì)的電極材料的選擇首要考慮的因素是被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性，其次考慮是否會(huì)產(chǎn)生鈍化等表面效應(yīng)和所形成的噪聲。

 

對(duì)電磁流量計(jì)來(lái)說(shuō)，其電極的耐腐蝕性要求很高，不允許或者只允許極低的腐蝕速率，否則會(huì)破壞電極與襯里間的密封性，導(dǎo)致流量計(jì)不能正常工作。因此，原則上電極材料的選定，需要借鑒被測(cè)介質(zhì)在其他設(shè)備的應(yīng)用實(shí)際和以往的經(jīng)驗(yàn)，由熟悉現(xiàn)場(chǎng)條件的用戶(hù)來(lái)確定。一般情況下，電極材料的耐腐蝕性要比管道材料高一個(gè)等級(jí)。對(duì)一般的介質(zhì)，可以查閱相關(guān)的防腐蝕手冊(cè)，對(duì)于混酸等成分復(fù)雜的介質(zhì)，應(yīng)做掛片試驗(yàn)，從而得出比較可靠的結(jié)論。表 1 給出了在工程設(shè)計(jì)中常用的電極材料性能，供參考。

 

電極的耐腐蝕性是選擇電極材料的重要因素，但有時(shí)候電極材料對(duì)于被測(cè)介質(zhì)有很好的耐腐蝕性，卻不一定就是適用的材料，還要避免產(chǎn)生電極的表面效應(yīng)。電極的表面效應(yīng)分為表面化學(xué)效應(yīng)，電化學(xué)和極化現(xiàn)象，以及電極的觸媒作用三個(gè)方面。下文舉例若干實(shí)例說(shuō)明如何避免電極表面效應(yīng)。

例如：鉭對(duì)水是耐腐蝕的，但若使用鉭電極電磁流量計(jì)測(cè)量水流量，鉭與水接觸會(huì)被氧化，產(chǎn)生表面化學(xué)效應(yīng)，形成絕緣層，影響儀表的正常使用。氫氧化鈉等堿液也不能使用鉭電極，在工藝流程中即使是極短時(shí)間鉭電極與水或“非酸”液體接觸（如：清洗管系），均會(huì)影響流量計(jì)的正常使用。鉑電極用于測(cè)量低壓過(guò)氧化氫（壓力低于0.3MPa）時(shí)，由于觸媒作用在電極表面產(chǎn)生氣霧，阻斷了電路通路從而影響工作。

 

哈氏合金 B 對(duì)溫度、濃度不高的鹽酸有耐腐蝕性，應(yīng)用良好，然而當(dāng)硫酸濃度超過(guò)某值時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，濃度超過(guò) 15％～ 20％時(shí)儀表輸出隨之晃動(dòng)起來(lái)，濃度到 25％時(shí)輸出晃動(dòng)高達(dá)20％。硝酸、硫酸等酸液也有相似效應(yīng)。

 

水廠用硫酸鋁液與原水混合以凝聚懸浮體，混合配比常用電磁流量計(jì)測(cè)量硫酸鋁液，選用耐酸鋼電極即可獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。而選用哈氏合金 B 電極電磁流量計(jì)，在測(cè)量 15％硫酸鋁液時(shí)，輸出也會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)現(xiàn)象。

 

通常情況下，鉑、鉭電極對(duì)于各種硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸，大部分均有較好的測(cè)量結(jié)果，但其中鉑電極對(duì)于濃度大于 10％的鹽酸會(huì)因?yàn)殡娀瘜W(xué)和極化現(xiàn)象的電極表面效應(yīng)而產(chǎn)生噪音，鉭電極對(duì)于濃度大于 10％的氫氟酸則不耐腐蝕。所以，在工程設(shè)計(jì)中需要綜合考慮材料的耐腐蝕性和避免電極表面效應(yīng)，選擇合適的電極材料。

 

2.4 　傳感器的接地考慮及接地環(huán)的材料的選擇

電磁流量計(jì)的傳感器接地非常關(guān)鍵，這不僅有利于保證安全，而且還可以確保電磁流量計(jì)的正常操作。由于電磁流量計(jì)的感應(yīng)信號(hào)電壓很小，容易受到噪音影響。基準(zhǔn)電位應(yīng)保持與被測(cè)液體相同。因此，傳感器的基準(zhǔn)電位（端電位），轉(zhuǎn)換器和放大器的基準(zhǔn)電位都與被測(cè)液體相同，而被測(cè)液體的電位又應(yīng)與地電位相同。

 

所以，通常來(lái)講，電磁流量計(jì)一般通過(guò)傳感器的接地端子與金屬工藝管道相連接，從而達(dá)到與地電位連接的目的。對(duì)于塑料管道或者裝有絕緣內(nèi)襯的管道，流體的接地通過(guò)設(shè)置接地環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

 

譬如，對(duì)于防護(hù)電解腐蝕和部分化學(xué)介質(zhì)的陰極保護(hù)管道，通常其內(nèi)壁和外壁之間是絕緣的，因此，被測(cè)介質(zhì)沒(méi)有接地電位。此時(shí)，電磁流量計(jì)接地就必須使用接地環(huán)。這種情況下設(shè)置接地環(huán)時(shí)需要注意的問(wèn)題，恰恰是比較容易疏忽的地方，而這又可能導(dǎo)致流量計(jì)在日后的使用中出現(xiàn)問(wèn)題。例如：，某裝置內(nèi)安裝的某臺(tái)電磁流量計(jì)平時(shí)都運(yùn)行正常，而在某天上午忽然出現(xiàn)輸出信號(hào)大幅度波動(dòng)，經(jīng)檢查儀表本身沒(méi)有任何故障。原來(lái)是其附近實(shí)施管道電焊干擾了儀表的正常運(yùn)行，工作人員立刻實(shí)施了轉(zhuǎn)換器接線盒內(nèi)的保護(hù)接地，又因本臺(tái)電磁流量計(jì)的傳感器是安裝在陰極保護(hù)的管道上，除了是傳感器和接地環(huán)通過(guò)接地線相連一起接地外，還用了較粗的銅導(dǎo)線繞過(guò)傳感器跨接在管道兩連接法蘭上，使陰極保護(hù)電位與傳感器之間隔離。隨后儀表就能正常工作了。

 

由此可以看出，對(duì)于陰極保護(hù)管道上安裝的電磁流量計(jì)接地需要設(shè)置接地環(huán)，使傳感器獨(dú)立于工藝管道單獨(dú)接地。接地環(huán)要安裝在傳感器的兩個(gè)端面上，它們必須與連接管道的法蘭絕緣，通過(guò)接地線與傳感器、接地環(huán)相連。接地環(huán)的作用是通過(guò)與液體接觸，建立液體接地，同時(shí)又保護(hù)內(nèi)襯。

 

另外，流量計(jì)兩側(cè)連接管的法蘭應(yīng)該用截面積為 16mm 2 的銅制導(dǎo)線繞過(guò)傳感器相連。使用陰極保護(hù)電位與傳感器之間的隔離。具有陰極防腐蝕的管道，傳感器與兩側(cè)連接管道之間通常是絕緣的。所以，介質(zhì)對(duì)地是不導(dǎo)通的，故電磁流量計(jì)安裝在陰極防護(hù)管道上時(shí)，傳感器的接地需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)管道法蘭絕緣的接地環(huán)必須同時(shí)安裝在流量計(jì)的兩端，接地環(huán)、流量計(jì)和測(cè)量接地之間必須互相連通。

（2）管道法蘭之間必須用銅質(zhì)導(dǎo)線互相連接，但必須注意不要接到傳感器上去。故法蘭與傳感器連接的螺栓也必須絕緣。

 

接地環(huán)的材料選擇也是比較重要的。接地環(huán)應(yīng)能耐介質(zhì)腐蝕，其選擇可以與電極材料相同。但接地環(huán)的耐腐蝕要求比電極低，允許有一定的腐蝕性，定期更換即可。而且，因接地環(huán)體積大，從經(jīng)濟(jì)上考慮較少采用鉑、鉭等貴重金屬，一般可選擇與管道材料耐腐蝕性相同的材料，例如：耐酸鋼或者哈氏合金等。如果金屬工藝管道直接與流體接觸就不需要接地環(huán)。

 

隨文章附上電磁流量計(jì)的選型規(guī)格表，見(jiàn)表 2，便于工程設(shè)計(jì)人員選型參考。在這樣規(guī)格表中，既要考慮滿(mǎn)足工藝條件，又要考慮電磁流量計(jì)的特殊要求，同時(shí)還能識(shí)別一些關(guān)于電磁流量計(jì)的專(zhuān)業(yè)英文詞匯。

 

3　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電磁流量計(jì)作為一種新型的流量測(cè)量?jī)x表，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)展迅速，具有強(qiáng)大的生命力。 因此，在工程設(shè)計(jì)中，電磁流量計(jì)的正確選用是極為重要的，必須引起重視。只有正確合理的使用電磁流量計(jì)，才能使其發(fā)揮更大的作用。