電磁流量計

電磁流量計(Electromagnetic   flowmeter)是根據Faraday 電磁感應理論。它使用當磁場施加到導電流體時產生的電動勢來測量導電流體的流量。電磁流量計的主要結構包括傳感器、轉換器和顯示儀表。一般按組成結構可分為分離式電磁流量計和集成式電磁流量計，電磁流量計按勵磁方式和用途不同可分為多種類型。電磁流量計具有結構簡單的優點、測量幾乎不會造成壓力損失、反應靈敏等諸多優點。它不僅可用于常規水流量的測量，也可用于化學工業中腐蝕性液體的測量、冶金的高溫礦漿、電磁流量計在醫藥衛生等流體流量測量方面也有明顯的優勢。但仍有一些問題不能用于低電導率和低壓流體的測量、并且容易受到電磁干擾的限制。

1832年，法拉第（Faraday）在滑鐵盧橋的兩邊放置兩根金屬桿作為電極，用大地電磁儀測量河流的流速這是世界上第一個電磁流量計實驗。

1917年，史密斯和斯皮里安（Charles  g   Smith Joseph   Leppien）應用基于電磁感應原理的船速測量技術，提出交流勵磁技術克服海水的極化影響，開啟了電磁流體測速技術的先河。

1930年，生物學家威廉姆斯（Williams）將硫酸銅溶液放入不導電的圓形管道中，用它來測量管道兩端的DC電壓發現測量電壓與流速成正比。為電磁流量計奠定了理論基礎。 

1950年，荷蘭人首次使用電磁流量計測量挖泥船上的泥沙流量。隨后，電磁流量計在美國被用于一般工業生產。

1955年左右，日本、前蘇聯、英國、德國也成功開發了電磁流量計。 

20世紀80年代以來，隨著微電子技術和計算機技術的快速發展，電磁流量計的生產技術水平不斷提高，大大拓寬了其應用范圍。

電磁流量計由傳感器組成、轉換器和顯示儀表由三部分組成

傳感器部分

電磁流量計的傳感器部分是其核心，由磁路系統組成、測量管道、絕緣襯里、電極、外殼和干擾調節器。

1)磁路系統

磁路系統的作用是產生均勻的DC或交流磁場。DC磁路由永磁體實現，具有結構簡單受外界交流磁場干擾小的優點，但會引起被測液體的電解電極上的極化，破壞原有的測量條件。當管道直徑較大時，永磁體相應地較大笨重且不經濟。因此，電磁流量計一般采用50HZ工頻交變勵磁，但易受外界電磁干擾。另外還有低頻方波恒流勵磁和雙頻勵磁，進一步克服了交流勵磁的缺點。

2)測量導管

測量管道的作用是讓被測導電液體通過。為了在磁力線穿過測量導管時分流或短路磁通量，測量導管必須是非磁性的、低導電率、由導熱系數低且有一定機械強度的材料制成，可選用不導磁的不銹鋼、玻璃鋼、高強度塑料、鋁等。

3)電極

電極的功能是提取與測量值成比例的感應電勢信號。電極一般由非磁性不銹鋼制成，并要求與內襯齊平，使流體能暢通無阻地通過。其安裝位置應在管道的垂直方向，以防止泥沙在其上堆積，影響測量精度。電極要求耐腐蝕性能高，被測介質不允許嚴重、迅速腐蝕，否則儀器將無法正常工作，甚至造成嚴重事故。

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4)外殼

由鐵磁材料制成，是配電系統勵磁線圈的外罩，隔離外界磁場的干擾。

5)襯里

內襯是測量導管內壁上的耐磨層、耐腐蝕、耐高溫絕緣材料。可以增加測量導管的耐磨性和耐腐蝕性，防止測量導管管壁短路。襯里材料大多耐腐蝕、耐高溫、耐磨聚四氟乙烯塑料、陶瓷等。

轉換器部分

液體流動產生的感應電位信號很弱，受各種干擾因素影響很大轉換器的作用是將感應電位信號放大轉換成統一的標準信號，抑制主要干擾信號。它的任務是將電極檢測到的感應電勢信號轉換成統一的標準DC信號。

顯示儀表

顯示和輸出轉換器處理后的流量數據

電磁流量計是根據Faraday 電磁感應理論。

當外部磁場作用于被測管道時，管道內的流體會隨著沿管道方向的運動而切割磁力線，從而在傳感器的檢測電極上輸出感應電壓。電壓信號被轉換器接受后，會被進一步放大、校正、轉換，然后顯示在顯示儀表上。

根據傳感器和轉換器的組成

分離式電磁流量計是電磁流量計的主流類型。流量計的傳感器和轉換器是分開的，放置在不同的位置。通常，傳感器放置在管道中；變頻器放置在儀表室內，或靠近易于放置和操作的傳感器。

優點：該轉換器可以避免在惡劣的野外環境下工作，便于檢查調整電子設備和設置測量參數。

缺點：抗電磁干擾能力弱，需要嚴格進行布線安裝。

集成電磁流量計顧名思義，是一種集傳感器和轉換器于一體的電磁流量計。可以通過測量管道來直接產生標準電流信號，以反映管道中流體的流動。

優點：傳感器與變頻器之間的電流信號與勵磁線的連接距離變短，不需要外接電線，家用電器的接線更容易，成本更低。

缺點：很容易受到管線布置的限制，如果設置在難以到達的地方，維護起來非常不方便。另外，變頻器中的電子元件安裝在管道中，容易受到管道中液體溫度和管道振動的干擾。

按勵磁方式分類

直流勵磁型

磁場由永久磁鐵提供或由直流電激發。測得的流量很小，只適用于液態金屬如水銀在室溫下的溫度測量。

交流工頻勵磁型 

磁場是由工頻電激發的。抗電磁干擾能力弱，存在零點漂移。主要用于泥漿礦漿等兩相流體的流量測量。

低頻矩形波激勵型

磁場是由DC和交流電的相互作用激發的。具有功率損耗小、零穩定的優點應用最廣泛。

雙頻勵磁型

磁場由高、低頻矩形波電流疊加激勵。穩定性優異、無流量引起的噪聲干擾，響應特性好。

按連接方式分類

根據傳感器與管道的連接方式，可分為法蘭連接、Can t形卡箍連接和螺紋連接等。

按用途分類

通用 

用于冶金、石化、造紙、輕、排水、水處理以及醫藥、食品、生物和精細化工行業中的通用電磁流量計是電磁流量計的主要類型。被測介質的電導率有一個范圍的要求，一般不能超過其上限和下限。

防爆型 

在有爆炸性氣體的場所，為了避免爆炸的危險，采用了具有防爆功能的電磁流量計。在結構上，傳感器通常采用隔爆型主體和安全火花電極信號電路的復合結構；也可以做成一體化電磁流量計，安裝在有爆炸危險的地方

衛生型

用于醫療衛生食品加工生化等行業的電磁流量計必須滿足相關衛生條件，包括定期消毒和便于拆卸清洗。 

抗浸入型 

用于安裝在地下的傳感器，可以承受短時間的洪水。

潛水型

其特征在于傳感器位于明渠水閘底部，在水中長時間工作；主要用于測量自由水面的水流，如地面明渠或水面不足的地下管道。

插件 

插入式電磁流量計屬于侵入式流量測量，通過管壁上的開口將傳感器伸入管道內。插電式電磁流量計測得的流量不是實際流量，而是由測得的本地流量換算出來的流量，所以精度不高，但價格便宜。通常用于管道直徑較大的場合，適合在控制系統中使用。

優點

電磁流量計的測量管是光滑的直管，沒有阻流檢測器因為不容易堵塞，所以適用于紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿污水和其他含有固體雜質或纖維的液體-測量固體和兩相液體。

電磁流量計不會因為檢測流量而造成壓力損失，儀表的阻力只是沿同一長度管道的阻力，節能效果明顯，適用于大口徑供水管道，阻力損失小。

在測量過程中，被測介質的密度不受影響、黏度、溫度、壓力和電導率變化，由于傳感器感應電壓信號與平均流量成線性關系，測量精度高。

與大多數其他流量計相比，前直管段的要求較低。

傳感器結構簡單。

電磁流量計無機械慣性，響應靈敏，既能測量脈動流量，又能測量正流量、向相反方向流動。

測量管道中通暢的部分，這樣就沒有額外的壓力損失；測量管路中沒有運動部件，因此傳感器的使用壽命極長。

由于感應電壓信號是在充滿磁場的整個空間內形成的，并且是管道載體表面的平均值，所以傳感器要求的直管段較短，長度為管道直徑的5倍。

缺點

Can 不能用于低傳導性流體：電磁流量計對被測流體的電導率有一定的要求，因此可以 t測量導電性差的液體，如石油產品、有機溶劑、氣體、水蒸氣和含有大量氣泡的液體。

高溫、低溫流體的限制：測試受內襯、由于電氣絕緣等因素的影響，通用電磁流量計不適用于高溫流體。此外，傳統的電磁流量計可以 t用于測量低溫流體，因為在低溫下，測量的是凝結在測量管中的露水（或霜凍），會破壞設備的絕緣性能。

不能用于非牛頓流體：固體顆粒含量高的流體，如鉆井泥漿、鉆探固井水泥漿、紙漿等這些流體實際上是非牛頓流體。因為這些固體顆粒隨流體流動，流體與固體顆粒之間存在滑移，存在速度差，會造成附加差。當顆粒含量過高時，流量計將失效。

不能用于低壓流體：由于電磁流量計采用的是電磁感應原理，對被測流體的流量下限有一定的限制，這就要求流體的工作壓力不能太低。

電磁流量計的準確度等級、引用誤差、重復性等指標是衡量電磁流量計性能的重要參數。

流量范圍：是指在規定的基本誤差范圍內，從流量計的最小流量到最大流量的范圍。

量程和量程比：流量范圍內的最大流量和最小流量之差稱為流量計的量程。最大流量與最小流量的比值稱為流量計的量程比，也稱為流量計的量程。

允許誤差：流量計在規定的正常工作條件下的最大允許誤差(誤差的極限值)稱為流量計的允許誤差。允許誤差可以用絕對誤差和相對誤差來表示。

絕對誤差=指示值-標準器的值(檢定值)

相對誤差=絕對誤差/檢定值；

流量計的允許誤差通常用相對誤差來表示。

準確度等級：流量計的指示值接近被測流量值的能力稱為流量計的準確度。滿足某些計量要求并將流量計誤差保持在規定范圍內的流量計分類、該水平被稱為流量計的準確度水平。

流量計的精度等級可以用流量計的允許誤差來表示，即去掉流量計的允許誤差

±”和“例如，符號后的數字表示精度等級為 0.二級流量計指示其測量誤差不超過0.2%

引用誤差：電磁流量計的基準誤差是指在標準流量條件下，測量結果與真值之間的最大誤差。通常要求引用誤差小于準確度水平的一半。

重復性：電磁流量計的重復性是指在相同流量條件下多次測量結果之間的偏差。重復性越好，電磁流量計的穩定性越高。

這些指標是評價電磁流量計性能的重要指標，不同的應用場景需要不同的指標要求。對于一些需要高精度流量測量的場合，這些指標的要求會更加嚴格。

智能化：隨著微處理器的發展，電磁流量計也在向智能化發展。其智能化方向可分為智能信號處理和智能控制，兩者共同作用形成智能電磁流量計。其主要技術包括軟件技術、自診斷功能、程控放大器技術、微處理器抗干擾技術等。

高精度化：隨著科學技術的不斷進步，電磁流量計的測量精度和穩定性有了顯著提高。通過改進信號處理方法和電路結構，可以有效降低干擾，提高信噪比，從而提高精度。

應用范圍的拓寬：通過改進電磁流量計的結構和激勵方式，不僅可以將電磁流量計的應用范圍擴大到未充滿管道易發生電極表面極化的流體介質，而且可以擴大測量范圍。

遠程通信和數據處理：隨著物聯網技術的快速發展，電磁流量計的遠程通信和數據處理能力也得到了提高，使得電磁流量計能夠實現在線監測和遠程控制，提高了計量的可靠性和實用性。