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電磁流量計
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電磁流量計的原理和應用選型

·發布時間[2011-5-30]    ·瀏覽次數[2391]

關於電磁流量計(EMF)的原理和分類選型應用

發表時間:2006-10-1 13:44:46
文章出自:http://www.need17.com
[瀏覽字號: ]


一、概述
電磁流量計(簡稱EMF)是利用法拉第電磁感應定律製成的一種測量導電液體體積流量的儀表。50年代初電磁流量計(EMF)實現了工業化應用, 70年代後期出現鍵控低頻矩形波激磁方式,逐漸替代早期應用的工頻交流激磁方式,儀表性能有了很大提高,得到更為廣泛的應用。近年來,發展速度較快,2005年全球產量估計在20萬台以上。目前,大口徑電磁流量計較多應用於給排水工程,中小口徑常用於固液雙相等難測流體或高要求場所。如測量造紙工業紙漿液和黑液、有色冶金業的礦漿、選煤廠的煤漿、化學工業的強腐蝕液以及鋼鐵工業高爐風口冷卻水控製和監漏,長距離管道煤的水力輸送的流量測量和控製。小口徑、微小口徑電磁流量計則常用於醫藥工業、食品工業、生物工程等有衛生要求的場所。電磁流量計原理圖

二、原理與結構
1、EMF的基本原理是法拉第電磁感應定律,即導體在磁場中切割磁力線運動時在其兩端產生感應電動勢。如圖1所示,導電性液體在垂直於磁場的非磁性測量管內流動,與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢,電動勢的方向按“弗來明右手規則”。
其具體運算公式可參看:HLDB電磁流量計




2、電磁流量計由流量傳感器和轉換器(也叫換能器)兩大部分組成。傳感器典型結構示意如圖2,測量管上下裝有激磁線圈,通激磁電流後產生磁場穿過測量管,一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸,引出感應電勢,送到轉換器。激磁電流則由轉換器提供。電磁流量計結構圖

三、性能優缺點
1、優點
電磁流量計的測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管,因不易阻塞適用於測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、泥漿和汙水等。
電磁流量計不產生因檢測流量所形成的壓力損失,儀表的阻力僅是同一長度管道的沿程阻力,節能效果顯著,對於要求低阻力損失的大管徑供水管道最為適合。
電磁流量計所測得的體積流量,實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率(隻要在某閾值以上)變化明顯的影響。
與其他大部分流量儀表相比,前置直管段要求較低。
測量範圍度大,通常為20:1~50:1,可選流量範圍寬。滿度值液體流速可在0.5~10m/s內選定。
電磁流量計的口徑範圍比其他品種流量儀表寬,從幾毫米到3m。可測正反雙向流量,也可測脈動流量,隻要脈動頻率低於激磁頻率很多。儀表輸出本質上是線性的。
易於選擇與流體接觸件的材料品種,可應用於腐蝕性流體。

2、缺點
電磁流量計不能測量電導率很低的液體,如石油製品和有機溶劑等。不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。
通用型電磁流量計由於襯裏材料和電氣絕緣材料限製,不能用於200度以上高溫度的液體;同時不能用於低於50度以下液體,因測量管外凝露(或霜)而破壞絕緣。

四、分類與應用
目前,電磁流量計已發展成多種類型,分類方法也有很多種:
1.按勵磁方式分類
1)直流勵磁型 這種電磁流量計數量很少,隻用於測量液態金屬流量,如常溫下的汞和高溫下的液態鈉、鉀等。
2)交流工頻勵磁型 較早期的電磁流量計用50Hz工頻市電勵磁,由於易受電磁幹擾和零點漂移等原因,現已逐漸被低頻矩形勵磁所代替。但在測量泥漿、礦漿等液固兩相流時,低頻矩形波勵磁方式由於不能克服固體擦過電極表麵產生的尖峰噪聲,而工頻交流勵磁的儀表則不存在這一缺點,所以國內外尚有一些電磁流量計仍采用交流勵磁方式。
3)低頻矩形波勵磁型 用於低頻矩形波勵磁方式功耗小,零點穩定,是目前電磁流量計的主要勵磁方式。其波形有“正—負”二值和“正—零—負—零”三值兩種。有的電磁流量計勵磁頻率可以由用戶設定,一般小口徑儀表用較高頻率,大口徑儀表用較低頻率。
4)雙頻勵磁型 勵磁電流的波形是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波,主要為克服二值矩形波勵磁存在的漿液噪聲和流動噪聲,提高儀表的穩定性和響應特性。

2.按傳感器和轉換器的組成分類
1)分離型 這是電磁流量計的主要型式。傳感器安裝在流通管道上,轉換器裝在儀表室內或易於安裝和操作的傳感器附近,距離一般為數十到數百米。其好處是轉換器可遠離現場惡劣環境條件,電子器件的檢查、調整和測量參數的比較方便。
2)一體型 傳感器和轉換器組裝在一起,裝在工藝管道上直接輸出反映流量大小的電流(或頻率)標準信號。其好處是縮短了傳感器和轉換器之間的流量信號線和勵磁線的連接長度,沒有外界的這類布線,因此電器接線簡單,價格也比較便宜。但易受管道布置的限製,如果安裝在人們不易接近的場所,維護很不方便;此外,轉換器中的電子器件裝在管道上,易受液體溫度和管道振動的影響。

3.按連接方式分類
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、衛生型連接和螺紋連接。

4.按用途分類
1)通用型 用於冶金、石化、造紙、輕紡、給排水、汙水處理以及醫藥、食品、生物和精細化工等工業領域中的一般電磁流量計,是電磁流量計的主要類型。對被測介質的電導率有一範圍要求,一般不能超過其上下限範圍。
2)防爆型 用於有爆炸性氣氛的場所。由於勵磁電流能量較大,目前還是以隔爆型為主。近年來國外已出現本質安全型,即安全火花型電磁流量計,勵磁功率大幅度降低,可以做成一體型,全部裝在危險區域內工作。
3)衛生型 用於醫藥、食口和生物化學等工業的電磁流量計,在定時來菌、便於拆卸清洗等方麵要符合有關衛生的要求。
4)防浸水型 用於安裝在地麵下的傳感器,可承受短時間的水浸沒。
5)潛水型 用於測量明渠或非滿管暗渠自由水麵自由流時的流量。傳感器在明渠截流擋板下部,長期浸在水下工作。結構和使用上都有別於一般電磁流量計。
6)插入型 用於大管徑的電磁流量傳感器。傳感器從管道開孔中徑向插入,以測量局部流速推算流量,精確度較低,但價格便宜,適用於控製係統。
四、選型應用
1、精度等級和功能
市場上通用型電磁流量計的性能有較大差別,有些精度高、功能多,有些精度低、功能簡單。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,兩者價格相差1~2倍。
有些型號儀表聲稱有更高的精確度,基本誤差僅(±0.2%~±0.3%)R,但有嚴格的安裝要求和參比條件,例如環境溫度20~22℃,前後置直管段長度要求分別大於10D,3D(通常為5D,2D)甚至提出流量傳感器要與前後置直管組成一體在流量標準裝置上作實流校準,以減少夾裝不善的影響。因此在多種型號選擇比較時不要單純隻看高指標,要詳細閱讀製造廠樣本或說明書做綜合分析。
市場上電磁流量計的功能差別也很大,簡單的就隻是測量單向流量,隻輸出模擬信號帶動後位儀表;多功能儀表有測雙向流、量程切換、上下限流量報警、空管和電源切斷報警、小信號切除、流量顯示和總量計算、自動核對和故障自診斷、與上位機通信和運動組態等。有些型號儀表的串行數字通信功能可選多種通信接口和專用芯片(ASIC),以連接HART協議係統、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現場總線等。

2、流速、滿度流量、範圍度和口徑
選定儀表口徑不一定與管徑相同,應視流量而定。流程工業輸送水等粘度不同的液體,管道流速一般是經濟流速1.5~3m/s。電磁流量計用在這樣的管道上,傳感器口徑與管徑相同即可。
EMF滿度流量時液體流速可在1~10m/s範圍內選用,範圍是比較寬的。上限流速在原理上是不受限製的,然而通常建議不超過5m/s,除非襯裏材料能承受液流衝刷,實際應用很少超過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,有些型號儀表則為0.5m/s。有些新建工程運行初期流量偏低或在流速偏低的管係,從測量精度角度考慮,儀表口徑應改用小於管徑,以異徑管連接之。
用於有易粘附、沉積、結垢等物質的流體,選用流速不低於2m/s,最好提高到3~4m/s或以上,起到自清掃、防止粘附沉積等作用。用於礦漿等磨耗性強的流體,常用流速應低於2~3m/s ,以降低對襯裏和電極的磨損。在測量接近閾值的低電導液體,盡可能選定較低流速(小於0.5~1m/s),因流速提高流動噪聲會增加,而出現輸出晃動現象。
電磁流量計的範圍度是比較大的,通常不低於20,帶有量程自動切換功能的儀表,可超過50~100。
國內可以提供的定型產品的口徑從10mm到3000mm,隨然實際應用還是以中小口徑居多,但與大部分其他原理流量儀表(如容積式、渦輪式、渦街式或科裏奧利質量式等)相比,大口徑儀表占有較大比重。

3、液體電導率
使用電磁流量計的前提是被測液體必須是導電的,不能低於閾值(即下限值)。電導率低於閾值會產生測量誤差直至不能使用,超過閾值即使變化也可以測量,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,視型號而異。使用時還取決於傳感器和轉換器間流量信號線長度及其分布電容,製造廠使用說明書中通常規定電導率相對應的信號線長度。非接觸電容耦合大麵積電極的儀表則可測電導率低至5×10-8S/cm的液體。
工業用水及其水溶液的電導率大於10-4S/cm,酸、堿、鹽液的電導率在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。石油製品和有機溶劑電導率過低就不能使用。表1列出若幹液體的電導率。從資料上查到有些純液或水溶液電導率較低,認為不能使用,然而實際工作中會遇到因含有雜質而能使用的實例,這類雜質對增加電導率有利。對於水溶液,資料中的電導率是用純水配比在實驗室測得的,實際使用的水溶液可能用工業用水配比,電導率將比查得的要高,也有利於流量測量。
表中是若幹液體在20℃時的電導率
液體名稱 電導率
液體名稱 電導率
液體名稱 電導率
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

4、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斷開,出現輸出晃動甚至不能正常工作。含有非鐵磁性顆粒或纖維的固液雙相流體同樣可測得二相的體積流量。固體含量較高的流體,如鑽井泥漿、鑽探固井水泥漿、紙漿等實際上已屬非牛頓流體。由於固體在載體液中一起流動,兩者之間有滑動,速度上有差別,單相液體校驗的儀表用於固液雙相流體會產生附加誤差。雖然還未見到EMF應用於固液雙相流體中固形物影響的係統實驗報告,但國外有報告稱固形物含量有14%時誤差在3%範圍以內;我國黃河水利委員會水利科學研究所的實驗報告稱,測量高沙含量水的流量,含沙量體積比17%~40%(沙中值粒徑0.35mm),儀表測量誤差小於3%。
在漿液內有較大顆粒擦過電極表麵,在頻率較低的矩形激磁的電磁流量計中會產生尖峰狀漿液噪聲,使流量信號不穩,就要選用較高頻率的儀表或有較強抑製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。
含有鐵磁性物質的流體對通常的EMF,因測量管內磁導率受鐵磁體的不同含量而變化,會產生測量誤差。但在磁路中置有磁通檢測線圈補償的EMF,可減小混入鐵磁體的影響。
對含有礦石顆粒的礦漿應用,應注意對傳感器襯裏的磨損程度,測量管內徑擴大會產生附加誤差。這種場合應選用耐磨性較好的陶瓷襯裏或聚氨酯橡膠襯裏,同時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重的缺點。也可以在傳感器進口端加裝噴嘴形護套,相對延長使用期。

5、附著和沉澱
測量易在管壁附著和沉澱物質的流體時,若附著的是比液體電導率高的導電物質,信號電勢將被短路而不能工作,若是非導電層則首先應注意電極的汙染,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刮出沉垢。國外產品曾有電極上裝超聲波換能器,以清除表麵垢層,但現已少見。也有暫時斷開測量電路,在電極簡短時間內流過低壓大電流,焚燒清除附著油脂類附著層。易產生附著的場所可提高流速以達到自清掃的目的,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。
非接觸型電極電磁流量計附著非導電膜層,儀表仍能工作,但若為高導電層則同樣不能工作。

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