电磁流量计的原理、应用与故障分析

电磁流量计的原理、应用及故障分析
撰写人：和军
单位：瑞普三元仪表
撰写时间：2003年9月
电磁流量计的原理、应用与故障分析
1、电磁流量计的原理
1.1 电磁流量计的工作原理
电磁流量计通常是由非导磁和壁表面不导电的测量管、串联（或并联）的励磁线圈与最少两个电极组成，电极与流体直接接触。

通电的线圈产生一个磁场强度为B并垂直于管道轴线的磁场，这个磁场通过不导磁的测量管传至测量管流动的导电介质，根据法第电磁感应定律（导体在磁场中作切割磁力线时，导体的两端要产生感应电动势），在导体（被测量的介质）两端（即安装在管壁的两个电极）产生一个与流速“V”成正比的感应电压“U”。

如图1 所示：
U = K*B*D*V
U = 与流速成正比的感应电压信号
K = 传感器的修正系数(无量纲的常数)
B = 磁感应强度
D = 电极间距（管道的直径）
V = 导电介质的流速
这个感应电压“U”通过两个电极来检测，
并通过电极引线将感应电压信号“U”传送至转
换器的信号处理单元，将信号进行放大、整形、
图 1
滤波，然后送入微处理器，由计算机来进行信号
的转换处理，最后转换成所需要的流量、流速显示，并具备不同的信号输出7功能。

对于均匀的电磁场和点电极的理论模型，只要流体特性是对称的，所测得的电压与流体特性是无关的。

因此，测量不受流体的密度、黏度、温度、压力和电导率变化的影响，对带有微小颗粒及浆液的测量有独特的适应性，而且测量围非常宽。

1.2 电磁流量计的结构
电磁流量计主要由传感器和转换器组成，按两者之间的连接方式可分为一体型和分体型。

传感器常称为一次部分，转换器称为二次部分，因而，可满足不同的按装位置的要求。

1.2.1 电磁流量传感器
电磁流量传感器由法兰、导管、衬里、电极、励磁线圈、磁轭等组成。

法兰通常是普通钢料加材工而成，必要时也可以选用不锈钢，一般参照公制尺寸加工。

导管必须使用非导磁材料（通常使用不锈钢），否则将影响磁场的磁路分布，从而影响测量的精度和零点的稳定性，因此在导管的选择时非常重要。

衬里是覆在导管的壁的绝缘材料，正确的衬里材质选择可提供很好的防腐和耐磨保护。

衬里通常包括PTFE、软橡胶、硬橡较、聚氨酯及瓷。

另一种新型衬里材料酚醛清漆正在电
磁界逐步被人了解，它是一种环氧树脂漆，非常光滑，具有很强的耐腐蚀和耐磨特性。

电极直接与介质接触，感应电压信号通过电极输出到转换器的信号处理单元。

电极的材料有：不锈钢、哈氏金（哈氏B 、哈氏C）、钽、钛、铂等。

常用的为不锈钢和哈氏金。

电极材料的选择不仅要考虑化学性能，还要考虑具有良好的导电性。

励磁线圈用来产生恒定的磁场，直接安装在导管上，并与电极的轴线垂直，磁场的分布将影响电磁流量计的线性和重复性。

励磁线圈通常被全封闭的壳体所保护，壳体通常采用全焊接结构，以增强对环境温度和湿度的适应性。

此外，电极面积的大小也重要。

磁轭是为电磁反馈而设计的，其作用是使磁力线能均匀地分布到电极轴线的垂直面上，以便提高传感器的测量精度和测量稳定性（即保证很好的重复性）。

1.2.2电磁流量转换器（简称转换器）
传感器所产生的信号或测得的电压，其数量级取决于流速的大小，通常为从μV到mV,转换器的任务将测得的信号进行滤波、整形、放大，最后提取真正反映流速大小的电压信号，这个电压信号通过A/D转换，转换成计算机可以直接进行处理的的数字信号。

例如，Emag 转换器将反映流速大小的电压信号转换成频率信号，输入到微处理器中，由转换器的微处理器进行信号处理，将测得的电压信号按一定比例变换成相应的流量信号，在转换器的显示器中显示出来，同时微处理器可以进行积算，计算出双向流量、净累计流量，同时实时输出所需要的标准信号（累计量和实时量输出），如4－20mA 输出，频率\脉冲输出，以及各种信号报警输出。

还可以通过相应的数字接口（如RS-485、HART 通讯及现场总线）传送数字信号，直接用于过程控制系统当中。

转换器的另一功能是为励磁线圈提供一个恒定的电流，在过去的脉冲交流励磁的电磁流量计中，传感器的励磁电流和磁通密度通常由参考线圈来监控。

现在的电磁流量计通常采用直流脉冲方波励磁，以保证电磁流量计的低功耗设计，其频率通常为1/10 、1／20、1／40工频，有些电磁流量计采用的是1／8、1／16、1／32工频。

在某些特殊场合，有时需要采用高频励磁、双频励磁来解决浆液测量的稳定性。

高频励磁、双频励磁在浆液测量中，逐步得到应用。

1.2、电磁流量计的优点
――电磁流量计没有节流部件，因而没有压力损失。

――可以测量含有微小颗粒的介质，没有阻塞的危险，例如一般污水。

――电磁流量计的通径与管道的通径完全相同。

――无起始流量的限制，可以测量接近于另的及小流量，并且在0.25m/s 流速以上具有很高的线性度，量程围比很宽。

――电磁流量计几乎与介质的粘度和密度无关。

――可以双向测量，在保证直管段的前提下具有相同的测量精度。

――电磁流量计的口径可以做得很大，也可以做得很小，如DN3、DN3000、DN3800。

1.3、电磁流量计的缺点
――电磁流量计不能测量蒸汽、气体。

――电磁流量计所测量的介质受最小电导率的限制。

对于易释放很高静电的的介质（如软化水）测量精度将受影响。

――对于多相介质及含高浓度颗粒介质的测量，如纸浆、矿浆、污染严重的废水等，使用普通的直流方波励磁难以满足测量的要求，通常需要特殊订货。

――含有磁性矿物质的矿浆，将产生磁感应现象，并影响电磁场在测量管的分布，通
常会使测量值偏高。

2、电磁流量计的应用
国的电磁流量计工业应用从60年代开始，随着工业技术的高速发展，电磁流量计已广泛应用于化工、电力、冶金、医药、食品、自来水厂、污水处理、集中供暖、造纸等行业。

3、电磁流量计的故障分析
3.1 电磁流量计的故障原因
电磁流量计在现场使用中可能出现各种各样、形形色色的故障，这些故障归纳起来为两个方面的原因，其一为电磁流量计及关联设备不正常引起的，主要包括转换器的原因和传感器的原因，这类原因引起的故障一般比较容易解决；其二为非电磁流量计引起的原因，主要包括参数设置不当、安装的不合理、介质特性引起的、等电势接地不可靠、外界电磁波干扰、管路杂散电流干扰等，这类原因可谓扑溯迷离、形形色色。

对于诸如此类的故障，除了要熟悉该仪表性能以外，还要求维修工程师具有广博的知识和丰富的现场经验，进行推理分析，更需要使用单位和制造厂密切配合，多方试验。

有些时候受限于条件，可能要数月或数年才能真正找到原因。

电磁流量计的故障因其产生原因不同而不同，主要表现有：（1）零点不稳
（2）输出晃动
（3）流量测量与应用参比值不相符（测量值与用户的工艺参数不相符）
（4）无流量信号输出
（5）输出信号超过满度值
3.2 电磁流量计的故障检查程序
通常故障的检查程序如图2所示，从显示仪表工作是否正常开始，逆流量信号传送的方向进行。

常规的检查一般先用模拟信号器测式转换器，以判断故障发生在转换器及其后续仪器还是在连接电缆和传感器发生的。

若是转换器的故障，由于现在的转换器大部分都有互换性，就可方便地试调换转换器部件甚至转换器整机；若是传感器的故障需要试调换时必须停止管道系统运行，涉及的面广往往不容易办到。

特别是大口径的电磁流量计。

3.3 电磁流量计的故障检查流程
电磁流量计的故障检查流程图如图3 所示，大体分三步：(1)向用户询问该仪表的过去的工作情况及故障情况，查看记录曲线；（2）到现场初步检查仪表本身是否发生故障及安装位置情况；（3）检查管网系统及周边的作业情况。

3.3.1 检查转换器
首先要检查给转换器供电的电源电压是否和转换器的标称电压一致，并且确认电源已经供给，检查保险丝是否完好，确认转换器的电路板是否有烧坏的迹象。

注意排查，并纠正。

若是转换器的故障，由于现在的转换器大部分都有互换性（出厂时经过标准信号源统一标定），就可方便地试调换转换器部件甚至转换器整机；然后在检查仪表设定的参数是否被更改，或和显示仪表（上位机）一致。

因仪表参数设置不当或用户不小心把出厂参数更改后导致仪表不能正确测量的事件经常发生。

3.3.2 检查传感器
到现场的第二步是要检查传感器本身是否发生故障，然后在对其它相关情况作分析，判断传感器是否故障的三个要点：（1）空管时，传感器的电极及引线对地的绝缘电阻应为无穷大；（2）传感器的励磁线圈对地的绝缘电阻应为无穷大，且线圈电阻应符合设计参数（与出厂值一致）；（3）满管时，电极及引线对地的电阻数量级应为几十千欧――几百千欧，电阻过大说明结垢或断线，电阻过小说明测量管沉积导电层。

无论是结垢或是沉积导电层，都将影响测量值显示的稳定性，因此必须作相应的处理。

必要时要对传感器的衬里的好坏作相应的判断。

在传感器的上游是否有影响流速分布的堆积物等。

3.3.3 检查接线系统
检查用户使用的导线型号是否说明书要求的型号一致，电磁流量计的等电势接地是否牢固，若是分体型的电磁流量计，特别要注意励磁线及信号线的连接是否牢固，接线是否正确，有的用户在接线时用劲太大，导致接线端子根部折断，接触时断时续。

有的用户对接地的概念不理解，屏蔽线不接地，或采用多点接地，造成测量值显示不稳定。

3.3.4 检查安装情况
电磁流量计在国过程控制中使用的时间已经很长了，但在现场，经常能看到安装不合理的情况，如安装在管道的高处，不能满管运行，直管段不够，离泵太近等情况。

这些都是造成仪表不能准确测量的重要而又不可忽略的因素。

但是有些用户或设计员对此认识不够。

对于测量值显示不稳定的情况，还要考虑杂散电流干扰的影响。

3.3.5检查歧管的流入、流出
用户经常会反映测量不准的情况，除了要做以上的各项检查外，还要考虑歧管的流入、流出是否纳入测量值的平衡计算。

这一点用户经常会有想当然的思想，作为一个高水平的技术服务工程师一定要众观全局。

3.4 电磁流量计的典型故障分析
例1：某啤酒厂用电磁流量计测锅炉循环水，用户反映显示不稳定。

现场检查发现满管时电
极对地的电阻较大，约为10MΩ，两电极之间的直流电压差超过10mV ,初步判断为电极结垢，经在线清洗电极处理后显示稳定，两天后故障复现，后将传感器拆下，发现测量管壁完全被黄铁锈覆盖，最终确认本故障原因是由测量管壁沉积导电层引起。

例2：某纸浆厂使用电磁流量计测量纸浆流量，以确定纸浆配比。

现场流量显示不稳，经检查，电磁流量计安装在纸浆（良浆和尾浆）分离器的出口，无直管段，且安装在管道下行管上，本故障完全是由安装位置不当造成的。

要想稳定测量，必须选择合适的安装位置。

例3：辽河油田某热交换站，用电磁流量计来测量热水，使用一段时间后，测量值显示非常不稳定，经现场检查，发现其中一电极对地的电阻为无穷大（满管下测量），判断为电极引线有断点。

属于传感器部故障。

例4：某轧钢厂使用分体型电磁流量计来测量冷却水，调试阶段，流量显示非常不稳定，经检查安装队在接线时用劲过大，造成连接励磁线的端子根部折断，处理后显示稳定。

例5：某热电厂化学车间用电磁流量计来测量浓度为30％的浓盐酸，该电磁流量计采用哈氏金B做电极，用户反映测量值显示不稳定，该例是属于电极材料不适应介质的特例，改用钽电极后，问题得到解决。

哈氏金B对温度、浓度不高的盐酸有耐腐蚀性，已有若干应用良好的的实例，但当盐酸的浓度超过某一值时会产生噪音，实验表明当浓度超过15％—20％时，仪表开始晃动，当超过25％时，晃动更大。

这是因为产生了电极表面效应，使信号噪声急剧加大，造成显示的极不稳定。

本例中盐酸的浓度已达到30％。

（完）
撰写人：和军
二○○三年九月。