1、电磁流量计的基本原理April 4,2005Xu Aimin测量原理 根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度u成正比，如果B，L，u三者互相垂直，则 eBlu 与此相仿在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就切割磁力线如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极(图1)则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势:eBDu式中,u为管道截面上的平均流速由
2、此可得管道的体积流量为：qv=De/4B 由上式可见，体积流量qv与感应电动势e和测量管内径和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关这就是电磁流量计的测量原理要使公式严格成立，必须使测量条件满足下列假定：磁场是均匀分布的恒定磁场；被测流体的流速轴对称分布；被测液体是非磁性的；被测液体的电导率均匀且各向同性。励磁方式励磁方式 一般有三种励碰方式 直流励磁 交流励磁 低频方波励磁直流励磁直流励磁 直流励磁方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁，它能产生一个恒定的均匀磁场这种直流励磁变送器的最大优点是受交流电磁场干扰影响很小，因而可以忽略液体中的自感现象的影响但是，使用直
3、流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化，即电解质在电场中被电解，产生正负离子在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极如图所示这样，将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作所以，直流励磁一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等交流励磁 目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工频(50Hz)电源交流励磁方式，即它的磁场是由正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化于扰另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号，放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多低频方波励磁 直流励磁方式和交流励滋方式各有优缺点
4、，为了充分发挥它们的优点，尽量避免它们的缺点，70年代以来，人们开始采用低频方波励磁方式它的励磁电流波形如图所示，其频率通常为工频的14l10从图可见，在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直流励滋易产生的极化现象因此，低频方波励磁是一种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的应用概括一下，它具有如下几个优点：能避免交流磁场的正交电磁干扰；消除由分布电容引起的工频干扰；抑制交流磁场在管壁和流体内部引起的电涡流；排除直流励磁的极化现象流量传感器安装 （1）安装场所 通常电磁流量传感器外壳防护等极为
5、IP65（GB 4208规定的防尘防喷水级），对安装场所有以下要求。1）测量混合相流体时，选择不会引起相分离的场所；测量双组分液体时，避免装在混合尚未均匀的下游；测量化学反应管道时，要装在反应充分完成段的下游；2)尽可能避免测量管内变成负压；3)选择震动小的场所，特别对一体型仪表；4)避免附近有大电机、大变压器等，以免引起电磁场干扰5)易于实现传感器单独接地的场所；6)尽可能避开周围环境有高浓度腐蚀性气体；7)环境温度在25/1050/600范围内，一体形结构温度还受制于电子元器件，范围要窄些；8)环境相对湿度在10%90%范围内；9)尽可能避免受阳光直照；10)避免雨水浸淋，不会被水浸没。如
6、果防护等级是IP67（防尘防浸水级）或IP68（防尘防潜水级），则无需上述8）、10）两项要求。（2）直管段长度要求 为获得正常测量精确度，电磁流量传感器上游也要有一定长度直管段，但其长度与大部分其它流量仪表相比要求较低。90弯头、T形管、同心异径管、全开闸阀后通常认为只要离电极中心线（不是传感器进口端连接面）5倍直径（5D）长度的直管段，不同开度的阀则需10D；下游直管段为（23）D或无要求；但要防止蝶阀阀片伸入到传感器测量管内。各标准或检定规程所提出上下游直管段长度亦不一致,要求比通常要求高。（3）安装位置和流动方向 传感器安装方向水平、垂直或倾斜均可，不受限制。但测量固液两相流体最好垂直
7、安装，自下而上流动。这样能避免水平安装时衬里下半部局部磨损严重，低流速时固相沉淀等缺点。水平安装时要使电极轴线平行于地平线，不要处于垂直于地平线，因为处于底部的电极易被沉积物覆盖，顶部电极易被液体中偶存气泡擦过遮住电极表面，使输出信号波动。图所示管系中，c、d为适宜位置；a、b、e为不宜位置，b处可能液体不充满，a、e处易积聚气体，且e处传感器后管段短也有可能不充满，排放口最好如f形状所示。对于固液两相流c处亦是不宜位置。（4）旁路管、便于清洗连接和预置入孔 为便于在工艺管道继续流动和传感器停止流动时检查和调整零点，应装旁路管。但大管径管系因投资和位置空间限制，往往不易办到。根据电极污染程度来
8、校正测量值，或确定一个不影响测量值的污染程度判断基准是困难的。除前文所述，采用非接触电极或带刮刀清除装置电极的仪表，可解决一些问题外，有时还需要清除内壁附着物，则可按图6所示，不卸下传感器就地清除。对于管径大于1.51.6m的管系在EMF 附近管道上，预置入孔，以便管系停止运行时清洗传感器测量管内壁。（5）负压管系的安装 氟塑料衬里传感器须谨慎地应用于负压管系；正压管系应防止产生负压，例如液体温度高于室温的管系，关闭传感器上下游截止阀停止运行后，流体冷却收缩会形成负压，应在传感器附近装负压防止阀，如图7所示。有制造厂规定PTFE 和PFA 塑料衬里应用于负压管系的压力可在200C、1000C、
9、1300C时使用的绝对压力必须分别大于27、40、50KPa.（6）接地 传感器必须单独接地（接地电阻100以下）。分离型原则上接地应在传感器一侧，转换器接地应在同一接地点。如传感器装在有阴极腐蚀保护管道上，除了传感器和接地环一起接地外，还要用较粗铜导线（16mm2）饶过传感器跨接管道两连接法兰上，使阴极保护电流于传感器之间隔离。有时后杂散电流过大，如电解槽沿着电解液的泄漏电流影响 EMF 正常测量，则可采取流量传感器与其连接的工艺之间电气隔离的办法。同样有阴极保护的管线上，阴极保护电流影响 EMF 测量时，也可以采取本方法。转换器安装和连接电缆转换器安装和连接电缆 一体型 EMF 无单独安装
10、转换器；分离型转换器安装在传感器附近或仪表室，场所选择余地较大，环境条件比传感器好些，其防护等级是 IP65 或 IP64（防尘防溅级）。安装场所的要求与传感器安装要求各条相同，环境温度受电子件限制，使用温度范围比7）规定所列要窄些。转换器和传感器间距离受制于被测介质电导率和信号电缆型号，即电缆的分布电容、导线截面和屏蔽层数等。要用制造厂随仪表所附（或规定型号）的信号电缆。电导率较低液体和传输距离较长时，也有规定用三层屏蔽电缆。一般仪表“使用说明书”对不同电导率液体给出相应传输距离范围。单层屏蔽电缆用于工业用水或酸碱液通常可传送距离100m。为了避免干扰信号，信号电缆必须单独穿在接地保护钢管内，不能把信号电缆和电源线安装在同一钢管内。
