电磁流量计讲稿详述.docx
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电磁流量计讲稿详述
电磁流量计
1.工作原理
1．1传感器
电磁流量计是一种应用法拉第电磁感应定律的流量计,用于测量封闭管道中导电液体和浆液的体积流量。
电磁流量计由电磁流量传感器和电磁流量转换器两大部分组成。
图1为传感器工作原理图示：
图1电磁流量计工作原理示意
图中：
B：
磁通密度，和励磁线圈中通过的双向脉冲恒定励磁电流成正比，是一常数。
D：
导管内径，常数。
UE：
信号电压
v：
导电介质的平均流速
如图1所示，根据电磁感应定律，导电性液体介质在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，在与流动方向垂直的方向上产生与流速成比例的感应电势，即在信号电极上产生信号电压UE。
U=BLVU可测，B一定，L一定.
UE∝B*D*vD，B均为常数，故可计算出流速，进而计算出流量Qv：
s=πR2
Qv=（π/4）*D2*v
1．2转换器工作原理
通用的仪器仪表不能检测电极上感应的信号,只能由配套转换器完成。
从传感器电极输出的流量信号有以下特点：
①是以介质为参考点（0V）的差动信号。
故必须把介质电位作为信号地（0V）传输到转换器。
传感器法兰和管道法兰必须“电气“连通，流量计在塑料管道等非金属管道使用时,必须加接地环或接地发兰，或传感器加接地电极。
②信号微弱。
UE∝B*D*vD为常数；
B∝InIn为励磁线圈的安匝数；
在一定流速下,欲增大流量信号,仅能增大磁通密度B.而B又正比于励磁电流I和励磁线圈n.但增大励磁电流I不符合节能的原则,增加励磁线圈匝数n会使传感器变得笨重,线圈电阻的增加又影响励磁电流的恒流性能。
现在厂家通常用几百mA～几十mA的励磁电流产生0.X～0.0XmV（V=1m/s时）信号。
而电子技术和电子元件的发展使接收如此微弱的信号成为可能。
3信号内阻大。
传感器作为流量信号的电压源，其内阻R0为：
R0=
R0,传感器的信号内阻,Ω;
σ,介质电导率,S/cm;
d,电极直径,cm,通常d=1cm.
自来水:
σ≈200μs/cm=2×10-4s/cm,R0=5KΩ
高档电磁流量计允许的电导率下限:
σ≈5μs/cm=5×10-6s/cm，R0=200KΩ
传感器作为流量信号的电压源有如此之高的内阻,对信号的传输和接收都提出了较高的要求.
4干扰多,幅度大。
如:
共摸干扰,微分干扰等。
共摸干扰:
由静电感应引起的在两个电极上产生的大小相等,方向相同的干扰电压：
a.励磁线圈对电极存在绝缘电阻和分布电容,此分布阻抗和流体内阻构成了分压回路,两电极上就产生了励磁电压的分压值;b.在传感器与转换器地线之间存在着接地电阻,杂散电流在接地电阻上的压降,使两电极对转换器输入端形成电位差,即共摸干扰.杂散电流以50Hz工频电流居多.
微分干扰:
变压器效应引起的.由一电极引线--一电极---流体内阻--另一电极--另一电极引线构成了一匝回路;而通过电极的测量管假想剖面不可能完全垂直,总有少许磁力线通过这个剖面,即通过上述一匝回路,感应出电压.此电压沿两引线传输至转换器输入端,但它并不反映流量变化,是一种干扰,并与励磁电流的变化率成正比,称微分干扰。
图2微分干扰
干扰有的是外部引入的,如.杂散电流引起的共摸干扰;有的是电磁流量计结构特点和工作原理引起的,如微分干扰.
根据上述电磁流量传感器的工作原理和信号特点，电磁
流量转换器的电子线路通常包含以下几部分：
①抑制干扰，接收,放大,转换流量信号。
根据流量信号为差动信号,且内阻大,具有共摸干扰的特点,输入级采用高输入阻抗,高共摸抑制比,低噪声,低飘移的运算放大器,构成差动放大输入电路。
高档的转换器可达到
输入阻抗Ri=1010Ω，
共模抑制比CMRR=120db。
图3传感器内阻
图3表示:
传感器可以看成具有内阻Ro的信号电压源,当转换器输入放大级的输入阻抗Ri＞＞Ro时,才能精确检测信号电压Ue。
分离型信号传输采用多重屏蔽电缆,且内层屏蔽采用屏蔽驱动技术,使内层屏蔽与芯线等电位,外层屏蔽接地以防止干扰。
如此,内层屏蔽与芯线间的分布电容对信号不分流,防止信号的衰减。
更重要的是,避免了两路信号不对称的衰减,使共摸干扰变为差动干扰.而差动干扰信号更难抑制。
如开封厂E-magE型转换器上标有“DS1“和“DS2“的端子，意即“屏蔽驱动“，“DRIVESCREEN“之缩写;
图4屏蔽驱动
又因为存在微分干扰及励磁线圈电感的积分作用,每半个励磁周
期的起始阶段不稳定,所以对流量信号沿每半周期的后半段取样，即所谓同步采样技术（图5）。
图5同步采样
转换器将流量信号放大转换后,在经相应的电路处理，可显示流量、总量等参数，并能输出脉冲、模拟电流等信号。
2向传感器提供励磁电流的高效恒流源。
励磁波形的改进是电磁流量计更新换代的标志之一.由原来的
工频正旋波励磁发展到现在的矩形波励磁,三值波励磁,双频励磁,以至多频励磁,使功耗降低,零点稳定性提高,干扰减少,并更能适应桨液测量。
励磁电源为双向脉冲恒流源,稳定性要求较高,长期工作电流
值的漂移不应超过万分之五;而不同仪表恒流源的不一致性,可以用转换器增益系数补偿;此为工厂系数,用户不可访问。
3智能化的转换器一般还包括：
a.对信号进行智能化的处理,转换和显示，如自诊断,自动增益控制,自稳零,自动剔除粗大误差等。
b.提供智能化的操作界面：
参数设置,输出信号智能化-----不用多个电位器,开关等,用几个按键,磁键设置所有参数,选择范围宽。
磁键设置可以不开盖,适于防爆仪表现场带电操作。
图6E-magE智能转换器
c.数字通讯-----RS232,RS485,HART,PROFIBUS等。
图7E-magE转换器的RS232通讯接口
下面是E-magE型电磁流量转换器的框图，具有一定的代表性：
输入部分的局部放大图：
图8E-magE型电磁流量转换器的框图
转换器采用新颖励磁方式，使得流量计具有优越的零点稳定性和测量精确度。
转换器向传感器提供精确的、频率可变的、双向恒流驱动电流，以驱动传感器励磁线圈。
本身工作频率由单片机计算机控，不受电源频率变化的影响。
励磁电路在磁场倒向时由能量恢复系统提供一个高的反向电压，加速克服反向时的磁场阻力，降低功耗。
流经流量计的流量在传感器电极上产生一个微弱的差分信号，输入至转换器的测量系统。
经高输入阻抗放大器放大、滤波和自动零点调整及增益控制后，再经高性能、高精度SVFC转换，将模拟信号转换为数字量。
单片机计算机将数字信号采样后，计算出流速以及期望得到的各测量值、模拟输出、脉冲输出值等。
LCD液晶显示器显示各测量值。
2．电磁流量计的特点
根据上述电磁流量计的工作原理和结构特点,可以看出:
电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞,适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。
电磁流量计不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力，节能效果显著，对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。
电磁流量计所测得的体积流量，实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率（只要在某阈值以上）变化明显的影响。
与其他大部分流量仪表相比，前置直管段要求较低。
测量范围度大，可选流量范围宽。
满度值液体流速可在0.5～10m/s内选定，有些可达15m/s。
智能仪表在出厂标定后，可在现场根据需要扩大和缩小流量范围，不必取下再作离线实流标定。
仪表输出本质上是线性的。
电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3m（图9）。
可测正反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率很多。
图9开封仪表厂生产的2600mm电磁流量计
易于选择与流体接触件的材料品种，即电极材料，衬里材料和接地法兰材料，可应用于腐蚀性及具有一定磨蚀型流体。
电磁流量计不能测量电导率低于5μs/cm的液体，如石油制品,
有机溶剂等。
不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。
3.电磁流量计的技术数据
厂家在说明书和选型样本中有详细叙述,下面仅选几项解释。
3．1产品技术标准
我国的产品标准是JB/T9248-1999《电磁流量计》，JB/T57196-1999《电磁流量计产品质量分等》开封仪表厂执行该标准及其他相关标准。
3．2精确度
精度高的电磁流量计基本误差为（±0.2%～±0.5%）R，精度低的则为（±1%～±2.5%）FS。
后跟R的是用仪表的示值误差除以被测量约定真值，并以的百分数表示的基本误差限，也称相对误差；后跟FS的是用仪表的示值误差除以范围上限值，并以的百分数表示的基本误差限,也称引用误差。
比较正规的制造厂都有自己受控的产品实流校验规程，如开封仪表有限公司规程规定，0.3级的流量计其测量精度为±0.3%R，在参比工作条件下，流量计实流校验测量精度控制在±0.28%R内，优于行业标准。
测量精度可用误差曲线直观地表示，制造厂给出的误差曲线表示流量计在其测量范围内线性度变化的趋势，与给出的精确度指标是相对应的。
以开封仪表厂的DN15～DN600电磁流量计为例：
（见图10）
图10误差曲线
精确度为：
示值的±0.3%（流速≥1m/s）；
或±3mm/s（流速<1m/s）。
显然，曲线在1mm/s处存在一拐点，当流速小于1m/s时，误差用±3mm/s的测速误差表示，如折算成相对误差，则随流速的减小而增大，如：
在0.5m/s时，流量计允许±0.6%R的误差；
在0.3m/s时，流量计允许±1.0%R的误差。
故在小流速（<1m/s）时，用相对误差或引用误差表示的基本误差是一个变数；而用测速误差则可以简洁地用一常数表示。
此种表示方法符合国家标准GB/T13283-91的规定，称为“示值误差”，同时也是国内外知名厂商的惯例。
如ROSEMOUNT的8700系列，在低流速时的误差提为±0.005ft/s或0.015ft/s。
电磁流量计制造厂所给出的流量计精度与误差曲线均指参比工
作条件下的技术指标，用户应注意到与实际应用工况条件是有所区别的。
按行业标准规定的参比工作条件是：
环境温度：
20℃±2℃；
相对湿度：
60%～70%；
供电电源：
额定电压±1%；
安装条件：
上游直管段长度>10D；
下游直管段长度>5D；
预热时间：
>15min。
流量计在工况条件下，因各种因素的影响，测量精度可能与制造厂在参比条件下给出的实流校验精度有所区别。
如按照行业标准，温度每变化10℃，输出变化不应大于仪表基本误差限的1/2，当温度变化20℃时，精度±0.3%的仪表可允许再有±0.3%的附加误差。
开封仪表厂的电磁流量计采用ABBKENT公司技术，减小了环境温度变化的影响量：
转换器：
<±0.08%/10℃;
模拟输出：
<±0.08%/10℃;
传感器：
<±0.03%/10℃。
用户在流量计运行过程中，应考虑到噪声干扰、安装条件的限制、环境温度变化、湿度变化（在长期的潮湿环境下，流量计绝缘强度降低。
）等因素对流量计测量精度的影响。
3．3电导率
使用电磁流量计的前提是被测液体必须是导电的，不能低于阈值（即下限值）。
电导率低于阈值会产生测量误差直至不能使用，通用型电磁流量计的阈值在10-4～（5×10-6）S/cm之间，视型号而异。
开封仪表厂规定电导率阈值为5×10-6S/cm=5μS/cm。
工业用水及其水溶液的电导率大于10-4S/cm，酸、碱、盐液的电导率在10-4～10-1S/cm之间，使用不存在问题，低度蒸馏水为10-5S/cm也不存在问题。
石油制品和有机溶剂电导率过低就不能使用。
表1列出若干液体的电导率。
从资料上查到有些纯液或水溶液电导率较低，认为不能使用，然而实际工作中会遇到因含有杂质而能使用的实例，这类杂质对增加电导率有利。
对于水溶液，资料中的电导率是用纯水配比在实验室测得的，实际使用的水溶液可能用工业用水配比，电导率将比查得的要高，也有利于流量测量。
表1若干液体在20°C时的电导率（S/cm）
液体名称
电导率
石油
（3～5）×10-13
不可测
丙酮
（2～6）×10-8
高度蒸馏水
4×10-8
苯
7.6×10-8
液氨
1.3×10-7
甲醇
（4.4～7.2）×10-7
饮用水
≈10-4
可测
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）
氢氧化钠（4%～50%）
（1.6×10-1）～（8×10-2）
食盐水（2.5%）
2×10-1
3.4壳体防护
电磁流量计的壳体防护功能用GB4208-1993《外壳防护等级》规定的IP代码表示,常采用的是（以●表示）:
传感器
转换器
一体型
IP65:
尘密,防溅
●
●
●
IP67:
尘密,可短时浸水
●
●
●
IP68:
尘密,可连续浸水
●
具体代码有厂家规定;
转换器和一体型具有IP67级防护时,转换器通常为圆柱型外壳。
3.5电源和功耗
由于采用了开关电源,现在电磁流量计对电源电压和频率的要求放宽了,如E-magE交流型:
允许85～265V,45～400Hz;而老式电磁流量计采用线性电源,一般指标是220V+10%-15%;47～63Hz.
由于励磁波形的改进及微功耗等电子技术和器件的发展,一般电磁流量计功耗均在20VA以下。
Kent公司甚至生产出电池供电的电磁流量计，所谓电子水表。
有些技术数据,在其它章节提及,这里不再叙述。
4．电磁流量计的选型
应根据环境条件和被测流体的温度、压力、腐蚀性、磨损性等特性选择相应的压力等级,衬里材料,电极材料及仪表结构形式。
4.1推荐使用的流速
虽然流速上限可达10m/s甚至15m/s,但是：
a.从准确确性、经济性和耐用性方面考虑，推荐使用的流速
范围为1～5m/s之间。
在这个范围内，流量计测量精度高、线性好，动力损耗较小，流体介质对流量计衬里和电极的磨损也较小。
b.含有固体颗粒的流体介质，推荐使用的流速范为1～3m/s
之间。
这样的选择有助于避免流速过高造成悬浮固体颗粒对流量计衬里和电极的过度磨损。
c.管道中可能造成沉积物的流体介质，推荐使用的流速范围为2～5m/s之间。
较高的流速易于消除过多的沉积物。
将流量计垂直安装，易于消除过多的沉积物。
另外,在b,c两种情况下,用户可选用浆液型电磁流量计。
4．2口径的确定
a.电磁流量计能够连续测量较宽流量范围的流量，在规定流量（流速）范围（0.5～10m/s）内，可任意调整测量量程。
一般情况下，选择流量计口径等于工艺管道口径，可以满足工况需求，而且安装方便，没有压力损失。
当
流量Q的单位=（m3/h）
公称通径D的单位=（mm）；
介质流速V的单位=（m/s）。
流量、流速与口径三者关系如下式：
Q=0.0028274×D2×v
v=Q/（0.0028274×D2）
b.在有些工况条件下（如流体介质可能在传感器中造成沉积物,且流速偏低）,为使仪表工作在合适的流速范围，在工艺流量较稳定，且允许一定的压力损失时，可选择仪表口径小于工艺管道口径，在仪表前后加异径管，使仪表内局部流速提高。
c.对于大口径工艺管道，在管道内流速偏低，工艺流量较稳定时，
可选择口径较小的仪表，在仪表前后加异径管，一方面可降低仪表
费用，另一方面也可使仪表运行在线性较好的流速范围。
c.为了保证仪表测量精确度，异径管的中心锥角应不大于15°，且异径管接头的上游侧至少应有５倍工艺管径的直管段。
4.3与流体接触零部件材料的选择
与流体接触的传感器零部件有衬里、电极、接地法兰和密封垫片，其材料的耐腐蚀性、耐磨耗性和使用温度上限等影响仪表对流体的适应性。
由于零部件少，形状简单，材料选择灵活，电磁流量传感器对流体的适应性较强。
a．衬里材料
常用衬里材料有氟塑料、聚氨酯橡胶、聚氯丁橡胶和陶瓷等。
聚氯丁橡胶用于非腐蚀性或弱腐蚀性液体，如工业用水、废污水及弱酸碱，价格最为低廉。
用于衬里氟塑料主要有聚四氟乙烯（F4），聚全氟已丙烯（F46），聚氟合乙烯（FS），具有优良的耐化学腐蚀性，但耐磨性，抗负压性差。
后开发各种改性品种，实现注塑成形，并在衬里（F46）中加金属网，与测量管有较强结合力，改善了抗负压性能。
聚氨酯橡胶有极好的耐磨耗性，但耐酸碱的腐蚀性较差。
它的耐磨性相当于天然橡胶的10倍，适用于煤浆、矿浆等；
近年有采用高纯氧化铝（99.97%AI2O3）陶瓷制成衬里的，但只限中小口径传感器。
氧化铝陶瓷有极好的耐磨耗性和对强酸碱的耐磨腐蚀性，耐磨性约为聚氨酯橡胶的10倍，适用于具有腐蚀性的矿浆；但性脆，安装夹紧时疏忽易碎，可用于较高温度（120～140/180°C）但要防止温度剧变，如通蒸汽灭菌，一般温度突变不能大于100°C，升温150°C要有10min时间。
常用衬里允许介质温度范围见下表：
衬里材料
最高介质温度
一体型
分离型
聚四氟乙烯（F4）
70°C
100，150°C
聚全氟已丙烯（F46）
100，150°C
聚氟合乙烯（FS）
80°C
聚氯丁橡胶
80°C，120°C
聚氨酯橡胶
80°C
氧化铝陶瓷
120～180°C
介质温度上限不仅取决于衬里材料，还受限于变送器的线包、封灌材料等的耐温，还受限于转换器（一体型）的耐温。
b.电极材料
电极对测量介质的耐腐和抗磨蚀是选择材料考虑的因素。
常用金属材料有含钼耐酸钢Icr18Ni12Mo2Ti，哈氏合金（耐蚀镍基合金）B、C、钛、钽、铂铱合金，几乎可覆盖全部化学液。
由于介质种类繁多,其腐蚀性又受温度、浓度、流速等复杂因素影响而变化,故生产厂仅能给出很粗略的各种电极的适应范围。
在原则上电极材料的选择应从使用者借鉴该介质在其他设备的应用实际和以往的经验来确定。
有时要做必要的实验，如现场取液体样品在实验室做待用材料的腐蚀性试验。
最好的实验是现场挂片，这是最接近实际应用条件的腐蚀性试验，可以得出比较可靠能否适用的结论。
不锈钢涂覆碳化物电极用于无腐蚀性,但磨损型强的介质。
c.接地法兰材料
工艺管道为塑料管道或衬绝缘衬里金属管时，需安装接地法兰，以便电磁流量计取得参考电位（0V）。
允许有少许腐蚀，但要定期更换。
通常选用不锈钢，20#合金钢或哈氏合金。
因体积大从经济上考虑较少采用钽铂等贵重金属。
装有接地电极的传感器，就不需装接地法兰了，接地电极即可以取得参考电位，又可以和信号电极采用相同的材料，拓宽了适应范围。
5．安装注意事项
首先,吊装设备的安全载荷及防护措施应符合有关规定。
禁止在转换器箱体（一体型流量计）或接线盒（分离型流量计）处用绳拴结起吊仪表。
图11吊装
在管线上的安装方位，见图12。
图12在管线上的安装方位
安装场所选择，见图13。
图13安装场所的选择
传感器（含一体型）与管道的连接要求：
首先要注意传感器本身不能作为荷重支撑点,它不能支撑毗连的工作管道,应由夹持它的管道承重。
同时,传感器安装时应当使其不受过大的拉紧应力,应考虑消除毗连管道因热膨胀产生的应力影响。
图14合理支撑
安装传感器时,应保证测量管与工艺管道同轴。
DN≤50的传感器,其轴线偏离不超过1.5mm；
DN65～DN300的传感器不得超过2mm；
DN≥350的传感器不得超过4mm;
法兰之间加装的法兰垫圈,应有良好的耐腐蚀性能,该垫圈不得伸入管道内部;
图15垫圈对中，避免涡流
在传感器邻近管道进行焊或为焰切割时,要采取隔离措施,防止衬里受热
图16远离火焰
6．接液和接地
流量信号是以介质为参考点（0V）的差动信号,传感器内部已将信号参考点（0V）与金属测量管连通，即与传感器法兰连通。
一般通过管道法兰与仪表法兰的连接螺栓虽然能使流量计取得介质电位（0V）,但正规的方法是加装电气连线,如图17,确保以介质为0V的流量信号可靠输出。
KENT公司在说明书中说”Donotrelytheflangeboltsorstudsforelectricalconnection.”即”电器连接不能依靠法兰螺栓或双头螺栓.”非金属管道和内有衬里的管道加装的接地法兰，或选用带接地电极传感器，也是由于上述原因。
“接地法兰”和“接地电极”称为“接液××”或“接零××”更为确切。
当然，传感器还应加接大地连线,接地电阻应小于10Ω。
地线和信号电缆的外层屏蔽相连，起屏蔽干扰的作用。
传感器和转换器外壳和大地相连，同时也是保护接地。
图17与金属管道连线和接地
图18与非金属管道连线和接地
图19与非金属管道连线和接地（传感器装有接地电极）
7.使用中的几个问题
7.1测量量程
电磁流量计的流量范围比较宽，对应的流速范围为0～10m/s，有些厂家的流量计为0～15m/s。
从理论上讲，改变量程不会影响流量计的测量精度和线性，但选择合适的量程有助于提高4～20mA模拟输出信号单位分辨率。
如果100m3/h量程能够满足用户要求，就不要选择200m3/h量程，否则模拟输出信号单位分辨率将降低一半。
7.2系统零点
电磁流量计的系统零点,在传感器充满介质且不流动时出现。
空管时，模拟电路的电磁流量计输出是一个随机值，甚至是满刻度，一般不是零位；智能电磁流量计可以检测到空管，并通过预先编制的程序强迫输出为零。
但这是人为的零点，不能在这种状态下观察和调整系统零点。
这就是强调传感器的安装位置必须始终保证介质充满传感器的原因。
正常运行情况下，电磁流量计的系统零点随着系统的长期运行，因元器件老化、励磁线包绝缘强度降低、测量电极极化与污染、系统接地电阻（电位）增加等因素，会造成系统零点的变化与漂移，用户应定期检查流量计的系统零点，进行调整与维护。
对应于1m/s的流量来说，如果系统有±5mm/s的零点，将造成±0.5%的附加误差。
一般情况下，流量较小时，系统零点造成的附加误差越大。
由于系统零点误差总是或多或少存在的，制造厂在流量计出厂实流标定时，会依照规程调整到最小。
用户在应用现场，也可根据需要进行调整。
系统零点的调整,应在传感器充满介质且不流动时进行。
7．3电磁流量计的校验
根据行业标准JB/T9248,制造厂采用标准容器法、称重法或标准表法等量值传递方式，实流校验电磁流量计，校验装置应经过国家授权计量单位认证。
目前，还没有见到计量行政部门认可的电磁流量计在线校验方法和设备。
ABBKent公司向用户提供一种叫做“CalMaster”的装置，是一种电磁流量计的专家评估系统，能够对Kent公司制造的电磁流量计进行在线评估，根据产品出厂时的历史参数记录与在线时产品运行状态参数对比，给出电磁流量计与原出厂时实流标定的测量精度相比，存在多大的可能误差。
另外，对于电磁流量计转换器也可向用户提供“VMESimula
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