电磁流量计 （新型流量测量仪表）

发展历史

1832年，法拉第（Faraday）在滑铁卢大桥两侧放置了两根金属杆作为电极，利用地球的磁场，来测定河流的流速，是世界上首次进行了电磁流量计的实验。　

1917年，史密斯与斯皮雷安（Charles G Smith&Joseph Slepian）申请了基于电磁感应原理的船体速度测量技术，提出了利用交流励磁技术克服海水的极化影响，开启了电磁式流体速度测量技术的先河。　

在1930年，生物学家威廉斯（Williams）把硫酸铜溶液放入一根不导电的圆形管道中，用它来测量管道两端的直流电压，发现测得的电压与流速度成比例。并为电磁流量计奠定了理论基础。 　

1950年，荷兰人首次在挖泥船上利用电磁流量计来测定泥沙的流量。随后，电磁流量计被用于美国普通的工业生产。　　　

1955年前后，日本、前苏联、英国、德国也相继成功研制出电磁流量计。 　　

20世纪80年代以来，微电子技术和计算机技术的迅猛发展，电磁流量计的生产工艺水平得到不断提升，极大地拓宽了其应用范围。

结构组成

电磁流量计由传感器、转换器和显示仪表三部分组成

传感器部分

电磁流量计的传感器部分是其核心，它由磁路系统、测量管道、绝缘衬里、电极、外壳和干扰调整机组成。

(1)磁路系统

磁路系统的作用是产生均匀的直流或交流磁场。直流磁路用永久磁铁来实现，其优点是结构比较简单，受外界交流磁场的干扰较小，但它会引起被测液体的电解，在电极上发生极化现象，破坏原来的测量条件。当管道直径较大时，永久磁铁相应也很大，笨重且不经济。所以电磁流量计一般采用50HZ工频的交变励磁，但它存在易受外界电磁干扰。此外，还有低频矩形波恒流励磁和双频励磁，它们又进一步克服了交流励磁的缺点。

(2)测量导管

测量管道的作用是让被测导电性液体通过。为了使磁力线通过测量导管时磁通量被分流或短路，测量导管必须采用不导磁、低导电率、低导热率和具有一定机械强度的材料制成，可选用不导磁的不锈钢、玻璃钢、高强度塑料、铝等。

(3)电极

电极的作用是引出和被测量成正比的感应电势信号。电极一般用非导磁的不锈钢制成，且被要求与衬里齐平，以便流体通过时不受阻碍。它的安装位置宜在管道的垂直方向，以防止沉淀物堆积在其上面而影响测量精度。电极对耐腐蚀要求很高，不允许被测量介质严重、快速腐蚀，否则将使仪表无法正常工作，甚至造成严重事故。

(4)外壳

应用铁磁材料制成，是分配制度励磁线圈的外罩，并隔离外磁场的干扰。

(5)衬里

衬里是测量导管内壁的一层耐磨、耐腐蚀、耐高温的绝缘材料。它能增加测量导管的耐磨性和耐腐蚀性，防止测量导管壁短路。衬里材料多为耐腐蚀、耐高温、耐磨的聚四氟乙烯塑料、陶瓷等。

转换器部分

由液体流动产生的感应电势信号十分微弱，受各种干扰因素的影响很大，转换器的作用就是将感应电势信号放大并转换成统一的标准信号并抑制主要的干扰信号。其任务是把电极检测到的感应电势信号转换成统一的标准直流信号。

显示仪表

将转化器处理后的流量数据显示并输出

工作原理

电磁流量计是依据法拉第电磁感应理论设计的一种新型电磁式流量测量仪表。

当所测量的管路上有一个外加的磁场作用时，管路内的流体会随沿着管路方向运动而切割磁力线，从而在传感器的检测电极上输出感应电压。电压信号被转化器接受后，会进一步放大、校正、转换，然后在显示仪表上显示出来。

测得的电压信号大小由表示为

通过这一个公式，不难发现测量得体积流量Qv与感应电动势U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，而与其它物理参数无关。这就是电磁流量计的测量原理。

另外，上述公式是粗略的计算公式，要使公式严格成立，必须使电磁流量计测量条件满足下列假定：

①磁场是均匀分布的恒定磁场;

②被测流体的流速是轴对称分布均匀分布;

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。

电磁流量计的分类

按传感器和转换器的组成分类

分离型

分离型电磁流量计是一种主流类型的电磁表。流量计的传感器和转换器被分开，放在不同的位置。通常，传感器被安置在管路中；变频器被安置在仪器房中，或者靠近容易被安置和操纵的传感器旁边。

优点：转换器可以避免在野外苛刻的环境下工作，便于对电子设备进行检查调整，便于测量参数的设置。

缺点：抗电磁干扰能力较弱，需要严格地进行布线安装。

一体型

一体型电磁流量计，顾名思义，是将传感器和转换器一体化设计的一类电磁流量计。可通过测量管路直接产生一个标准的电流信号来反应管道中的流体的流量。

优点：使传感器与变频器间的电流讯号与激磁导线的连结距离变得更短，不需要外部这样的导线，所以家用电器的配线更容易，而且成本更低。

缺点：容易受到管路布局的制约，而且若设置在比较难触及的地方，维修起来十分不便。另外，变频器内的电子元件安装于管路上，容易受到管路内液体的温度及管路的震动的干扰。

按励磁方式分类

直流励磁型

磁场由永久磁铁提供或者由直流电所激励。测量的流量很小，且仅适用于室温下的水银等液态金属的温度测定。

交流工频励磁型

磁场由工频电所激励。抗电磁干扰能力弱，并且存在零点漂移。主要用于泥浆和矿浆等两相流体的流量测量。

低频矩形波励磁型

磁场由直流电和交流电共同作用所激励。具有功率损耗小、零点稳定的优点，应用最广泛。

双频励磁型

磁场由高、低频的矩形波电流叠加所激励。稳定性优异、没有流动造成的噪声干扰，响应特性好。

按连接方式分类

按传感器与管道的连接方式可分为法兰连接、无法兰夹装连接和螺纹联结等几种。

按用途分类

通用型

用于冶金、石化、造纸、轻、排水、水处理以及医药、食品、生物和精细化工等工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。

防爆型

在有易爆气体的地方，为了避免燃爆的风险，所采用的一类具有防爆功能的电磁流量计。结构上，传感器通常采用隔爆型的主体和安全火花型的电极信号电路这一复合结构；也可以做成一体型电磁流量计，将其安装于有燃爆风险的地方工作

卫生型

用于医药卫生，食品加工，生物化工等行业的电磁式流量计，必须满足相关的卫生条件，包括定时消毒，便于拆卸和清洗。

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。

潜水型

特点是传感器位于明渠拦河闸的底部，并在水中工作很久；主要是用来测定自由水面的水流量，如地上明渠或者水面未满的地下暗管。

插入型

插入式电磁流量计属于侵入式流量测量，它通过在管壁上的开孔，将传感器从开孔处伸入管道里面。插入式电磁流量计所测得的流量并非实际流量大小，它是利用所测量的局部流速换算出来的流量，因此精度不高，但价格便宜。通常用于管道直径较大的场合，适合在控制系统中使用。

特点及应用

优点

1. 电磁流量计的测量管道为一节没有阻流检测器的平滑直管，由于其不容易堵塞，适合于对纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等含固体杂质或纤维的液-固二相液体进行测量。

2. 电磁流量计不会因为检测流量而造成的压力损失，仪器的阻力只是相同长度管道的沿程阻力，具有明显的节能效果，适用于要求低阻力损失的大管径供水管道。

3. 测量过程中不受被测介质的密度、黏度、温度、压力和电导率变化的影响，并且由于传感器感应电压信号与平均流速呈线性关系，因此测量精度高。

4. 与其他大部分流量仪表相比，前置直管段要求较低。

5. 传感器结构简单。

6. 电磁流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉动流量，也可以测量正、反两个方向的流量。

7. 测量管道内无阻流件，因此没有附加的压力损失；测量管道内无可动部件，因此传感器寿命极长。

8. 由于感应电压信号是在整个充满磁场的空间中形成的，是管道载面上的平均值，因此传感器所需的直管段较短，长度为5倍的管道直径。

缺点

1. 无法用于低电导率流体：电磁流量计对于所测流体的电导率有一定的要求，因此无法测量电导率较差的液体，如油品、有机溶剂、气体、水蒸气以及含有大量气泡的流体。

2. 高温、低温流体的受限性：测试受内衬、电绝缘等因素的影响，一般用途的电磁式流量计不适用于高温流体。此外，常规电磁流量计也无法用于低温流体的测量，因为在低温下，测量管内凝结的露水（或霜冻），会使器件的绝缘性能受到损害。

3. 无法用于非牛顿流体：固体颗粒含量较高的流体，如钻井泥浆、钻探固井水泥浆、纸浆等，这些流体实际上已经是非牛顿流体。由于这些固体颗粒是随着流体一起流动，流体与固体颗粒之间有滑动，速度上有差别，会产生附加差。当颗粒含量过高时，流量计将失效。

4. 无法用于低压流体：由于电磁流量计是利用电磁感应原理，因此对于所测流体的流速下限有一定限度，这就要求流体的工作压力不能太低。

常见问题和故障分析

故障查找

电磁流量计在运行中产生的故障有两种，一是仪表本身故障，即仪表结构件或元器件损坏引起的故障；二是由外部原因引起的故障，如安装不当、外部电磁干扰、电极沉积和结垢等。因此首先应根据仪表输出信号对电磁流量计进行故障排查定位，然后针对具体故障进行分析并解决。

通常由于仪表本身故障会导致仪表无流量信号输出、测量值与实际不符、输出信号超满度量程；而由于外部原因会导致仪表输出值波动、零点不稳、以及测量值与实际不符。

管道内介质未满管

1. 问题释义：在使用过程中，因流量计管径不符合规定，或因仪表测头放置不当，导致仪表测头所测管径不能注满流体。

2. 故障分析：当测量电极安装在比流体液位更高的地方时，所测管道未充满流体会导致测量的数据出现问题，测量的数据会不停地跳动。一般可以通过现场观察或者结合电阻来分析。现场观测方法——从排水管的管孔看排水管的排水管是否充满；电阻分析法——通过对电阻的测量，若电路没有断路，却测出了较大的电阻值，就可以判定其在管道中流体未充满管道。

外界电磁干扰造成

1. 问题释义：电磁流量计在正常工作时不可避免地会受到外部电磁场的影响，常见有外部磁场、电磁波，管道中的静电以及细小的电流等。

2. 故障分析：在外部电磁场的干扰下，电磁流量计输出的信号可能会呈现非线性或连续线性的特征。

测量电极结垢及测量电极短路

1. 问题释义：测量电极使用时间过长，或者用于容易形成水垢的介质，会使得电极表面形成水垢。

2. 故障分析：测量电极沉积水垢的一个表现为，得到的电流信号随时间逐渐变弱，甚至导致转换器接收不到电信号。

管道流体中含有气泡

1. 问题释义：当管道密闭性较差，或者管道流体本身溶有气体时，会导致流体介质在流动时产生气泡。

2. 故障分析：气泡直径较小时，会导致测量误差的出现(测量的流量比实际流量要大)；气泡体积较大时，不仅会造成测量误差，还会使电磁流量计的示数出现上下跳动，甚至导致数据出现明显异常，电极的阻值明显偏高。

测量电极遭腐蚀

1. 问题释义：没有选择相应介质的防腐蚀电极材料，导致测量电极被介质所腐蚀。

2. 故障分析：造成的电极信号衰退和失效最终影响流量计输出。

技术要求

电磁流量计的准确度等级、引用误差、重复性等指标是衡量电磁流量计性能的重要参数。

流量范围：是指流量仪表在规定的基本误差内,最小流量至最大流量的范围。

量程和量程比：流量范围的最大流量和最小流量值之差称为流量计的量程。最大流量与最小流量的比值称为流量计的量程比，亦称为流量计的范围度。

允许误差：流量计在规定的正常工作条件下允许的最大误差(误差的极限值)称为流量计的允许误差。允许误差可用绝对误差和相对误差表示。

绝对误差=指示值-标准器的值(检定值)；

相对误差=绝对误差/检定值；

流量计的允许误差多用相对误差表示。

准确度等级：流量计的示值接近被测流量值的能力，称为流量计的准确度。在符合一定的计量要求使流量计的误差保持在规定的极限内的流量计的等别、级别称为流量计的准确度等级。

流量计的准确度等级，可以用流量计的允许误差的大小表示，即用流计的允许误差去掉

“±”和“%”符号后的数字表示，例如，准确度等级为 0.2级的流量计表示其测量误差不超过士0.2%。

引用误差：电磁流量计的引用误差是指在标准流量条件下，测量结果与真实值之间的最大误差。通常要求引用误差小于准确度等级的一半。

重复性：电磁流量计的重复性是指在相同的流量条件下，多次测量结果之间的偏差。重复性越好，说明电磁流量计的稳定性越高。

这些指标是评估电磁流量计性能的重要指标，不同应用场景需要有不同的指标要求。对于一些要求高精度流量测量的场合，这些指标的要求会更加严格。

发展趋势

智能化：随着微处理器的发展，电磁流量计也在朝着智能化方向发展。其智能化方向可分为信号处理智能化和控制智能化，两者共同作用构成了智能电磁流量计。 其主要技术包括软件技术、自诊断功能、程控放大器技术、微处理器抗干扰技术等。

高精度化：随着科技的不断进步，电磁流量计的测量精度和稳定性得到了显著提高。通过对信号处理方法以及电路结构的改良，可以有效地降低干扰，提高信噪比，从而提高精度。

应用范围的拓宽：通过改进电磁流量计的结构以及励磁方式，不仅可以将电磁流量计的应用拓宽到非满管以及容易产生电极表面极化现象的流体介质，并实现实现测量范围的拓宽。

远程通信和数据处理：随着物联网技术的快速发展，电磁流量计的远程通信和数据处理能力也得到了提升，这使得电磁流量计可以实现在线监测和远程控制，提高了测量的可靠性和实用性。