电磁流量计相关知识

电磁流量计相关知识
电磁流量计（Electromagnetic Flowmeters，简称EMF）是应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时产生的感应电动势来测量导电流体流量的一种仪器，主要由传感器和转换器两个部分组成（如图1）。

图 1
一、结构（最大可达DN3000）
1．传感器主要由以下五个部分组成：
（1）磁路系统：其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，受交流磁场的干扰较小，但它易使通过测量导管内的电解质液体极化，使正电极被负离子包围，负电极被正离子包围，即电极的极化现象，并导致两电极之间内阻增大，因而严重影响仪表正常工作。

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交变磁场，且是50HZ工频电源激励产生的。

（2）测量导管：其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：其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。

（4）外壳：应用铁磁材料制成，是分配励磁线圈的外罩，并隔离外磁场的干扰。

（5）衬里：在测量导管的内侧及法兰密封面上，有一层完整的电绝缘衬里。

它直接接触被测液体，其作用是增加测量导管的耐腐蚀性，防止感应电势被金属测量导管管壁短路。

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。

2. 转换器
由于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干扰信号。

二、分类
1．如按激磁电流方式划分：有直流激磁、交流激磁、低频矩形波激磁和双频矩形波激磁。

2．按输出信号连线和激磁(或电源)连线的制式分类：有四线制和二线制。

3．按转换器与传感器组装方式分类：有分离型和一体型。

4．按流量传感器与管道连接方法分类：有法兰连接、法兰夹装连接和螺纹连接。

5．按流量传感器电极是否与被测液体接触分类：有接触型和非接触型。

6．按流量传感器结构分类，有管道型和插入型。

三、工作原理
当导体在磁场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（如图2）。

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）
式中
Ex —感应电势，单位：V ；
B —磁感应强度，单位：T ；
D —管道内径，单位：m ；
v —液体的流速，单位：m/s ；
然而体积流量qv 等于流体的流
速v 与管道截面积（πD ²）/4的乘积，
将式（1）代入该式得：
qv=(πD ²/4B)×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 图 2
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4~20mA 输出，报警输出及频率输出，并设有RS－485等通讯接口，并支持HART和MODBUS协议。

四、特点
1．测量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响。

2．测量管直管段要求较低，内管无阻碍流动部件，无压损，无可动部件，故寿命极长，一般为10至20年以上。

3．流量范围度可达150:1，通常为20:1至50:1。

4．合理选择传感器衬里和电极材料，即具有良好的耐腐蚀和耐磨损性。

5．测量精度不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响，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。

6．电磁流量计的口径范围比其它品种流量仪表宽，从几毫米到3米。

7．转换器采用励磁方式，功耗低、零点稳定、精确度高。

8．转换器采用表面安装技术(SMT)，具有自检和自诊断功能。

9．双向测量系统，可测正向流量、反向流量及差值总量。

可显示累积流量，瞬时流量、流速、流量百分比等。

10．转换器采用国际先进技术，性能可靠，精度高，功耗低，零点稳定，参数设定方便。

五、安装要求
为了使电磁流量计工作稳定可靠，在选择安装地点时应注意以下几方面：
1．尽量避开铁磁性物体及具有强电磁场的设备(大电机、大变压器等)，以免磁场影响传感器的工作磁场和流量信号。

2．应尽量安装在干燥通风之处，避免日晒雨淋，环境温度应在-20～＋60℃，相对湿度小于85%。

3．电磁流量计不能安装在管道的最高
位置，这个位置容易积聚气泡（如图3）。

4．为避免负压，传感器不能安装在泵
的进水口，而应安装在泵的出水口。

5．比较理想的安装地点应选择测量点前后有足够的直管段。

进口直管段应≥5D ，出口直管段≥3D(D 为传感器公称口径）。

6．电磁流量计的测量原理不依赖流量的特性，如果管路内有一定的湍流与漩涡产生在非测量区内（如：弯头、切向限流或上游有半开的截止阀）则与测量无关。

如果在测量区内有稳态的涡流则会影响测量的稳定性和测量的精度，这时则应采取一些措施以稳定流速分布：
① 增加前后直管段的长度；
图 3
②采用一个流量稳定器；
③减少测量点的截面。

7.电磁流量计的传感器和转换器是成套包装，配套使用，不可随意更换。

六、选型参数
1. 准确度等级
流量计在规定的流量范围内准确度等级、最大允许误差应符合表1的规定。

流量计误差表示使用相对示值误差。

准确度等级和最大允许误差：
表1
2. 技术参数
表2
3. 量程范围确认
一般工业用电磁流量计国家标准的原理的工作原理生产公司被测介质流速
以2～4m/s为宜，在特殊情况下，最低流速应不小于0.2m/s，最高应不大于8m/s。

若介质中含有固体颗粒，常用流速应小于3m/s，防止衬里和电极的过分磨擦；对于粘滞流体，流速可选择大于2m/s，较大的流速有助于自动消除电极上附着的粘滞物的作用，有利于提高测量精度。

在量程Q已确定的条件下，即可根据上述流速V的范围决定流量计口径D 的大小，其值由下式计算：Q=πD²V/4
Q:流量（㎡/h）D:管道内径V：流速（m/h）
电磁流量计国家标准的原理的工作原理生产公司的量程Q应大于预计的最大流量值，而正常的流量值以稍大于流量计满量程刻度的50%为宜。

表3
4. 衬里的选择
表4
5. 电极的选择
表5
七、检验方法
由于电磁流量计必须是在线连续使用，几乎不可能拆除再运输到国家计量检测中心进行检定。

因此，对于现场使用的大口径电磁流量计的精度验证是很有必要的。

电磁流量计的精度验证对于电磁流量计的管理，保证其精确度和可靠性，积累原始的比对数据，做日后的验证和核对也是非常有用的。

电磁流量计的精度验证可利用清水池容积和电磁流量计校验设备。

对电磁流量计精度进行全面验证，以确定电磁流量计在水厂应用过程中的精度，确保计量数据真实可信或是否更换电磁流量计。

1. 采用目测法和仪表法，用GS8检查传感器的励磁线圈阻值、信号线之间的绝缘电阻、接地电阻等项目是否符合出厂前的标准，电磁流量计转换器零点、输出电流等是否满足精度要求。

具体检测方法为：
(1) 测量励磁线圈阻值判断励磁线圈是否有匝间短路现象(测线号“7”与“8”之间的电阻值)，电阻值应在30欧~170欧之间。

若电阻与出厂记录相同，则认为线圈良好，进而间接评估电磁流量计传感器的磁场强度未发生变化。

(2) 测量励磁线圈对地(测线号“1”和“7”或“8”)绝缘电阻来判断传感器是否受潮，电阻值应大于20兆欧。

(3) 测量电极与液体接触电阻值(测线号“1”和“2”及“1”和“3”)，间接评估电极、衬里层表面大体状况。

如电极表面和衬里层是否附着沉积层，沉积层是具有导电性还是绝缘性。

它们之间的电阻值应在1千欧~1兆欧之间，并号“1”和“2”及“1”和“3”的电阻值应大致对称。

(4) 关闭管路上的阀门，检查电磁流量计在充满液体且液体无流动的情况下的整机零点。

视情况作适当的调整。

(5) 检查信号电缆、励磁电缆各芯线的绝缘电阻，检查屏蔽层是否完好。

(6) 使用GS8校验仪器，测试转换器的输出电流。

当给定零流量时，输出电流应为：4.00mA;当给定100%流量时，输出电流应为：20.00mA。

输出电流值的误差应优于1.5%。

(7) 测试励磁电流值(转换器端子“7”和“8”之间)，励磁电流正负值应在规定的范围，大致为137(5%)mA。

评估电磁流量计外部环境对其的影响，如励磁线与信号线同一条管道铺设、励磁线与信号线与高压电缆并行、周围有大型变压器或电机等因素对电磁流量计
运行精度的影响进行评估，此评估主要使用目测法，观察运行中的电磁流量计有无突变或波动的状况大致判断电磁流量计有无受到电磁波或其他杂散波的干扰
或管道中是否存在气泡。

对电磁流量计本身的验证所需要仪器和工具：GS8一台，4-1/2万用表一台，500V兆欧表一台，指针式万用表一台及常用工具。

2. 清水池容积法验证：
水厂出厂水电磁流量计计量精度的验证采用清水池容积法，是供水企业经常采用的方法之一。

在测量清水池的几何尺寸精确，减少各操作误差的条件下，可获得较高的比对参考作用。

清水池容积法原理为：利用高精度钢尺测量清水池和吸水井实际的空间平面尺寸，精确计算出清水池和吸水井的实际平面面积。

首先将清水池水位调至较高的水位，关闭所有出水阀门。

待清水池水位稳定后，利用清水池液位变送器并用高精度钢尺人工精确测量清水池和吸水井的水位。

为修正由于清水池等阀门漏失引起的误差，间隔一定时间后再次测量清水池和吸水井水位，并计算出单位时间的漏水量以便修正出水计量，减少误差。

记录待验证的电磁流量计累计流量，人工测量清水池、吸水井液位的目的就是验证液位变送器的准确性。

然后开启水泵，开启出水阀门，经过一定时间后，关闭出水阀停止送水泵。

待清水池水位稳定，再次利用清水池液位变送器并用高精度钢尺人工精确测量清水池和吸水井的水位，再次记录清水池和吸水井的水位，记录待验证的电磁流量计累计流量。

最后计算出清水池和吸水井的水位高度差△h，从而计算出清水池和吸水井实际的水量，实际水量等于高度差△h乘以平面面积及修正后的水
量。

再计算出待验证的电磁流量计的水量，用清水池实际水量减去电磁流量计累积量，得到它们之间误差，从而验证出厂水电磁流量计的计量系统精度。

利用清水池容积法对出厂水出厂水电磁流量计计量精度验证需在清水池状态完全静态的情况进行，从而取得的数据较为准确。

计算公式如下：
E=(Q标—Q仪)/Q标×100%
式中：E为两者之间的误差值;
Q标为清水池下降高度差计算出的容积;
Q仪为验证期间流量计累积的流量值。

(end)
八、管道式和插入式电磁流量计的区别
1. 外观和内部结构的区别
图 4
（外观）
图5 （结构）
2.应用中的区别
插入式电磁流量计相比较于管道式电磁流量计，安装费用低，安装过程简单，维修和检验方便。

但电磁流量计精度较低，误差比较大，精度等级一般为：0.5、1.0、1.5、2.5。

电磁流量计多用于大口径管道，一般为DN250-DN3000。

插入式电磁流量计安装时对直管段的要求入口/出口直管段：入口应≥10×
DN；出口应≥5×DN 。