吐血分享电磁流量计结构、工作原理、安装要求、维护和保养

你知道为什么家里的水龙头一打开你家的水表就会转吗？这里面其实是有一个电磁流量计的器件在起作用，当然具体的产品会有一些不同，生产的标准和外观、计费会有差别，但是结构和原理是一样的。电磁流量计（Electromagnetic Flowmeters，简称EMF）简单说是由流量传感器变送器组成的。它们广泛地适用于石油化工、钢铁冶金、给水排水、水利灌溉、水处理、环保污水总量控制、造纸、医药、食品等工、农业部门的生产过程流量测量和控制；并适用于导电液体的总量计量与贸易交接。 电磁流量计结构简单，造价也便宜，应用非常广泛，工作原理很简单，其实就是应用电磁感应原理， 根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器。

　　电磁流量计的结构主要由磁路系统、测量导管、电极、外壳、衬里和转换器等部分组成。

　　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。

　　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。

　　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。

　　外壳：应用铁磁材料制成，是分配制度励磁线圈的外罩，并隔离外磁场的干扰。

　　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。

　　转换器：由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主要的干扰信号。其任务是把电极检测到的感应电势信号Ex经放大转换成统一的标准直流信号。

　　电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。电磁流量计的优点是压损极小，可测流量范围大。最大流量与最小流量的比值一般为20：1以上，适用的工业管径范围宽，最大可达3m，输出信号和被测流量成线性，精确度较高，可测量电导率≥5μs/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆、纸浆等的流体流量。但它不能测量气体、蒸汽以及纯净水的流量。

　　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。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，V；

　　B—磁感应强度，T

　　D—管道内径，m

　　v—液体的平均流速，m/s

　　然而体积流量qv等于流体的流速v与管道截面积（πD²）/4的乘积，将式（1）代入该式得：

　　Qv=（πD/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。

　　注：不同电磁流量计参数略有差异，使用时请务必查看说明书。

　　根据法拉第电磁感应定律，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v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，两电极之间产生感生电动势：

　　e=KBDv （3-36）

　　式中，v为管道截面上的平均流速，k为仪表常数。由此可得管道的体积流量为：

　　qv= πeD/4KB （3-37）

　　由上式可见，体积流量qv与感应电动势e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。

　　需要说明的是，要使式（3—37）严格成立，必须使电磁流量计测量条件满足下列假定：

　　①磁场是均匀分布的恒定磁场;

　　②被测流体的流速轴对称分布;

　　③被测液体是非磁性的;

　　④被测液体的电导率均匀且各向同性。

　　一、 在选择电磁流量计时，管道壁厚、外径，测量介质，测量介质的温度，精度要求，测量介质为气体时，还需要知道气体的压力等，除此之外，还应根据用户实际情况和测量需要合理选型。

　　1、管径大小

　　如测量的管径底于DN15mm以下，最好选择进口超声波流量计，目前国产超声波流量计对于小管径测量，达不到技术要求。

　　2、介质温度

　　当测量的介质为常温时，可选择国产超声波流量计，温度在120度到200度时，也应选择进口超声波流量计，高于200度以上时，应该选择德国FLEXIM超声波流量计，这款超声波流量计测量的温度可达到550度。

　　3、精度要求

　　如用户对精度要求高时，侧应进口超声波流量计。

　　4、气体超声波流量计

　　如用户测量的介质为气体或含有少量的水时，侧需选择气体两用的超声波流量计。

　　5、固定式或手持式超声波流量计

　　如果有足够的安装空间，和外接电源，固定式超声波流量计比较经济实惠，而手持式超声波流量计便于巡检、携带。

　　二、电磁流量计的安装

　　1、测量管道比较老旧的工矿，尽量不要使用2声层（V法）安装传感器，应选用1声层（Z法），这样的安装方法，对超声波流量计的流量传感器发出的超声波，很容易被对测的流量传感器接收，而超声波流量计主机的信号强度得到保证，并能保证高精度的测量值。

　　2、在测量新管道时，当遇到有油漆或渡锌管道的时候，可以用粗纱先处理管道表面，然后再用细纱继续处理，这样保证超声波流量计的流量传感器安装点光滑、平整，超声波流量计的流量探头可以良好的与所测量管道外壁接触。

　　3、当管道是竖直向上的走向时，如果管道内的流体是自下向上流的，可以测量，如果液体是自上而下的流，这个管道是不适合做流量数据采集的。

　　4、另外在对某管道进行流量数据采集前，一定要自己去测量管道的外周长（用卷尺）、壁厚（用测厚仪）、管道外壁的温度（表面温度测量仪）等。

　　5、除去安装段内保温层和保护层，并把换能器按装处的壁面打磨干净。避免局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。

　　6、对于垂直设置的管道，若为单声道传播时间法仪表，传感器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内，以获得弯管流场畸变后较接近的平均值。

　　7、超声波流量计的传感器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝。

　　8、超声波流量计的传感嘎啦安装处的管道衬里和垢层不能太厚。衬里、锈层与管壁间不能有间隙。对于锈蚀严重的管道 ，可用手锤震击管壁，以震掉壁上的锈层，保证声波正常传播。但必须注意防止击出凹坑。

　　9、传感器工作面与管壁之间保持有足够的耦合剂，不能有空气和固体颗粒，以保证耦合良好。

　　1、日常维护

　　仅需对仪表作周期性直观检查，检查仪表周围环境，扫除尘垢，确保不进水和其他物质，检查接线是否良好，检查仪表附近有否新装强电磁场设备或有新装电线横跨仪表。

　　若是测量介质容易沾污电极或在测量管壁内沉淀、结垢、应定期作清垢、清洗。

　　2、故障查找

　　流量计开始投运或正常投运一段时间后发现仪表工作不正常，应首先检查流量计外部情况，如电源是否良好、管道是否泄露或处于非满管状态、管道内是否有气泡、信号电缆是否损坏、转换器输出信号（即后位仪表输入回路）是否开路。切记盲目拆修流量计。

　　3、传感器检查

　　测试设备：500MΩ绝缘电阻测试仪一台，万用表一只。 测试步骤：

　　（1） 在管道充满介质的情况下，用万用表测量接线端子A、B与C之间的电阻值，A-C、B-C之间的阻值应大至相等。若差异在1倍以上，可能是电极出现渗漏、测量管外壁或接线盒内有冷凝水吸附。 （2） 在衬里干燥情况下，用MΩ表测A-C、B-C之间的绝缘电阻（应大于200MΩ）。再用万用表测量端子A、B与测量管内二只电极的电阻（应呈短路连通状态）。若绝缘电阻很小，说明电极渗漏，应将整套流量计返厂维修。若绝缘有所下降但仍有50MΩ以上且步骤（1）的检查结果正常，则可能是测量管外壁受潮，可用热风机对外壳内部进行烘干。

　　（3） 用万用表测量X、Y之间的电阻，若超过200Ω，则励磁线圈及其引出线可能开路或接触不良。拆下端子板检查。

　　（4） 检查X、Y与C之间的绝缘电阻，应在200MΩ以上，若有所下降，用热风对外壳内部进行烘干处理。实际运行时，线圈绝缘性下降将导致测量误差增大、仪表输出信号不稳定。

　　（5） 如判定传感器有故障，一般现场无法解决，需到厂家维修，当然如果有合适的传感器可以替换也是可以的。

　　4、转换器检查

　　如判定是转换器故障，经检查外部原因没问题的情况下，一般会采取更换线路板的方式解决。