電磁流量計(jì)的基本原理

1、電磁流量計(jì)的基本原理April 4, 2005Xu Aimin測(cè)量原理 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢(shì)e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度L及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則 eBlu 與此相仿在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速u流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體就切割磁力線如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極(圖1)則可以證明，只要管道內(nèi)流速分布為軸對(duì)稱分布，兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì): eBDu式中,u為管道截面上的平均

2、流速由此可得管道的體積流量為： qv=De/4B 由上式可見，體積流量qv與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和測(cè)量管內(nèi)徑和測(cè)量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)這就是電磁流量計(jì)的測(cè)量原理要使公式嚴(yán)格成立，必須使測(cè)量條件滿足下列假定：磁場(chǎng)是均勻分布的恒定磁場(chǎng)；被測(cè)流體的流速軸對(duì)稱分布；被測(cè)液體是非磁性的；被測(cè)液體的電導(dǎo)率均勻且各向同性。勵(lì)磁方式勵(lì)磁方式 一般有三種勵(lì)碰方式 直流勵(lì)磁 交流勵(lì)磁 低頻方波勵(lì)磁直流勵(lì)磁直流勵(lì)磁 直流勵(lì)磁方式用直流電產(chǎn)生磁場(chǎng)或采用永久磁鐵，它能產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場(chǎng)這種直流勵(lì)磁變送器的最大優(yōu)點(diǎn)是受交流電磁場(chǎng)干擾影響很小，因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響但是

3、，使用直流磁場(chǎng)易使通過測(cè)量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場(chǎng)中被電解，產(chǎn)生正負(fù)離子在電場(chǎng)力的作用下，負(fù)離子跑向正極，正離子跑向負(fù)極如圖所示這樣，將導(dǎo)致正負(fù)電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴(yán)重影響儀表的正常工作所以，直流勵(lì)磁一般只用于測(cè)量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等交流勵(lì)磁 目前，工業(yè)上使用的電磁流量計(jì)，大都采用工頻(50Hz)電源交流勵(lì)磁方式，即它的磁場(chǎng)是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是一個(gè)交變磁場(chǎng)交變磁場(chǎng)變送器的主要優(yōu)點(diǎn)是消除了電極表面的極化于擾另外，由于磁場(chǎng)是交變的，所以輸出信號(hào)也是交變信號(hào)，放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號(hào)要比直流信號(hào)容易得多低頻方波勵(lì)磁 直流勵(lì)磁方式和交流勵(lì)滋方式各

4、有優(yōu)缺點(diǎn)，為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn)，盡量避免它們的缺點(diǎn)，70年代以來，人們開始采用低頻方波勵(lì)磁方式它的勵(lì)磁電流波形如圖所示，其頻率通常為工頻的14l10從圖可見，在半個(gè)周期內(nèi)，磁場(chǎng)是恒穩(wěn)的直流磁場(chǎng)，它具有直流勵(lì)磁的特點(diǎn)，受電磁干擾影響很小從整個(gè)時(shí)間過程看，方波信號(hào)又是一個(gè)交變的信號(hào)，所以它能克服直流勵(lì)滋易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象因此，低頻方波勵(lì)磁是一種比較好的勵(lì)磁方式，目前已在電磁流量計(jì)上廣泛的應(yīng)用概括一下，它具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：能避免交流磁場(chǎng)的正交電磁干擾；消除由分布電容引起的工頻干擾；抑制交流磁場(chǎng)在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流；排除直流勵(lì)磁的極化現(xiàn)象流量傳感器安裝 （1） 安裝場(chǎng)所 通常電磁流量傳感器外殼

5、防護(hù)等極為IP65（GB 4208規(guī)定的防塵防噴水級(jí)），對(duì)安裝場(chǎng)所有以下要求。 1） 測(cè)量混合相流體時(shí)，選擇不會(huì)引起相分離的場(chǎng)所；測(cè)量雙組分液體時(shí)，避免裝在混合尚未均勻的下游；測(cè)量化學(xué)反應(yīng)管道時(shí)，要裝在反應(yīng)充分完成段的下游；2)盡可能避免測(cè)量管內(nèi)變成負(fù)壓；3)選擇震動(dòng)小的場(chǎng)所，特別對(duì)一體型儀表；4)避免附近有大電機(jī)、大變壓器等，以免引起電磁場(chǎng)干擾5)易于實(shí)現(xiàn)傳感器單獨(dú)接地的場(chǎng)所；6)盡可能避開周圍環(huán)境有高濃度腐蝕性氣體；7)環(huán)境溫度在25/1050/600范圍內(nèi)，一體形結(jié)構(gòu)溫度還受制于電子元器件，范圍要窄些；8)環(huán)境相對(duì)濕度在10%90%范圍內(nèi)；9)盡可能避免受陽(yáng)光直照；10)避免雨水浸淋，不

6、會(huì)被水浸沒。如果防護(hù)等級(jí)是IP67（防塵防浸水級(jí)）或IP68 （防塵防潛水級(jí)），則無需上述8）、10）兩項(xiàng)要求。（2） 直管段長(zhǎng)度要求 為獲得正常測(cè)量精確度，電磁流量傳感器上游也要有一定長(zhǎng)度直管段，但其長(zhǎng)度與大部分其它流量?jī)x表相比要求較低。90彎頭、T形管、同心異徑管、全開閘閥后通常認(rèn)為只要離電極中心線（不是傳感器進(jìn)口端連接面）5倍直徑（5D）長(zhǎng)度的直管段，不同開度的閥則需10D；下游直管段為（23）D或無要求；但要防止蝶閥閥片伸入到傳感器測(cè)量管內(nèi)。各標(biāo)準(zhǔn)或檢定規(guī)程所提出上下游直管段長(zhǎng)度亦不一致,要求比通常要求高。 （3） 安裝位置和流動(dòng)方向 傳感器安裝方向水平、垂直或傾斜均可，不受限制。但測(cè)

7、量固液兩相流體最好垂直安裝，自下而上流動(dòng)。這樣能避免水平安裝時(shí)襯里下半部局部磨損嚴(yán)重，低流速時(shí)固相沉淀等缺點(diǎn)。 水平安裝時(shí)要使電極軸線平行于地平線，不要處于垂直于地平線，因?yàn)樘幱诘撞康碾姌O易被沉積物覆蓋，頂部電極易被液體中偶存氣泡擦過遮住電極表面，使輸出信號(hào)波動(dòng)。圖所示管系中，c、d為適宜位置；a、b 、e為不宜位置，b處可能液體不充滿，a、e處易積聚氣體，且e處傳感器后管段短也有可能不充滿，排放口最好如f形狀所示。對(duì)于固液兩相流c處亦是不宜位置。 （4） 旁路管、便于清洗連接和預(yù)置入孔 為便于在工藝管道繼續(xù)流動(dòng)和傳感器停止流動(dòng)時(shí)檢查和調(diào)整零點(diǎn)，應(yīng)裝旁路管。但大管徑管系因投資和位置空間限制，往

8、往不易辦到。根據(jù)電極污染程度來校正測(cè)量值，或確定一個(gè)不影響測(cè)量值的污染程度判斷基準(zhǔn)是困難的。除前文所述，采用非接觸電極或帶刮刀清除裝置電極的儀表，可解決一些問題外，有時(shí)還需要清除內(nèi)壁附著物，則可按圖6所示，不卸下傳感器就地清除。 對(duì)于管徑大于1.51.6m的管系在EMF 附近管道上，預(yù)置入孔，以便管系停止運(yùn)行時(shí)清洗傳感器測(cè)量管內(nèi)壁。 （5） 負(fù)壓管系的安裝 氟塑料襯里傳感器須謹(jǐn)慎地應(yīng)用于負(fù)壓管系；正壓管系應(yīng)防止產(chǎn)生負(fù)壓，例如液體溫度高于室溫的管系，關(guān)閉傳感器上下游截止閥停止運(yùn)行后，流體冷卻收縮會(huì)形成負(fù)壓，應(yīng)在傳感器附近裝負(fù)壓防止閥，如圖7所示。有制造廠規(guī)定PTFE 和PFA 塑料襯里應(yīng)用于負(fù)壓

9、管系的壓力可在200C、1000C、1300C時(shí)使用的絕對(duì)壓力必須分別大于27、40、50KPa. （6） 接地 傳感器必須單獨(dú)接地（接地電阻100以下）。分離型原則上接地應(yīng)在傳感器一側(cè)，轉(zhuǎn)換器接地應(yīng)在同一接地點(diǎn)。如傳感器裝在有陰極腐蝕保護(hù)管道上，除了傳感器和接地環(huán)一起接地外，還要用較粗銅導(dǎo)線（16mm2）饒過傳感器跨接管道兩連接法蘭上，使陰極保護(hù)電流于傳感器之間隔離。 有時(shí)后雜散電流過大，如電解槽沿著電解液的泄漏電流影響 EMF 正常測(cè)量，則可采取流量傳感器與其連接的工藝之間電氣隔離的辦法。同樣有陰極保護(hù)的管線上，陰極保護(hù)電流影響 EMF 測(cè)量時(shí)，也可以采取本方法。 轉(zhuǎn)換器安裝和連接電纜轉(zhuǎn)換器安裝和連接電纜 一體型 EMF 無單獨(dú)安裝轉(zhuǎn)換器；分離型轉(zhuǎn)換器安裝在傳感器附近或儀表室，場(chǎng)所選擇余地較大，環(huán)境條件比傳感器好些，其防護(hù)等級(jí)是 IP65 或 IP64 （防塵防濺級(jí)）。安裝場(chǎng)所的要求與傳感器安裝要求各條相同，環(huán)境溫度受電子件限制，使用溫度范圍比7）規(guī)定所列要窄些。 轉(zhuǎn)換器和傳感器間距離受制于被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率和信號(hào)電纜型號(hào)，即電纜的分布電容、導(dǎo)線截面和屏蔽層數(shù)等。要用制造廠