電磁流量計的基本原理
（一）測量原理
根據(jù)法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場中運動切割磁力線時，在導體的兩端即產(chǎn)生感生電勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應強度B，導體在磁場內(nèi)的長度L及導體的運動速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則
e＝Blu （3－35）
與此相仿．在磁感應強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內(nèi)徑為D的不導磁管道，當導電液體在管道中以流速u流動時，導電流體就切割磁力線．如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極（圖3—17）則可以證明，只要管道內(nèi)流速分布為軸對稱分布，兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動勢：
e＝BD （3－36）
式中， 為管道截面上的平均流速．由此可得管道的體積流量為：
qv＝ ＝ （3－37）
由上式可見，體積流量qv與感應電動勢e和測量管內(nèi)徑D成線性關系，與磁場的磁感應強度B成反比，與其它物理參數(shù)無關．這就是電磁流量計的測量原理．
需要說明的是，要使式（3—37）嚴格成立，必須使測量條件滿足下列假定：
①磁場是均勻分布的恒定磁場；
②被測流體的流速軸對稱分布；
③被測液體是非磁性的；
④被測液體的電導率均勻且各向同性。
圖3－17 電磁流量計原理簡圖
1－磁極；2－電極；3－管道
（二）勵磁方式
勵磁方式即產(chǎn)生磁場的方式．由前述可知，為使式（3—37）嚴格成立，*個必須滿足的條件就是要有一個均勻恒定的磁場．為此，就需要選擇一種合適的勵磁方式。目前，一般有三種勵碰方式，即直流勵磁、交流勵磁和低頻方波勵磁．現(xiàn)分別予以介紹．
1．直流勵磁
直流勵磁方式用直流電產(chǎn)生磁場或采用*磁鐵，它能產(chǎn)生一個恒定的均勻磁場．這種直流勵磁變送器的大優(yōu)點是受交流電磁場干擾影響很小，因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響．但是，使用直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場中被電解，產(chǎn)生正負離子．在電場力的作用下，負離子跑向正極，正離子跑向負極．如圖3—18所示．這樣，將導致正負電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴重影響儀表的正常工作．所以，直流勵磁一般只用于測量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等．
圖3－18 直流勵磁方式
2．交流勵磁
目前，工業(yè)上使用的電磁流量計，大都采用工頻（50Hz）電源交流勵磁方式，即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場也是一個交變磁場．交變磁場變送器的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化于擾．另外，由于磁場是交變的，所以輸出信號也是交變信號，放大和轉換低電平的交流信號要比直流信號容易得多．
如果交流磁場的磁感應強度為
B＝Bm sin t （3－38）
則電極上產(chǎn)生的感生電動勢為
e＝Bm D sin t （3－39）
被測體積流量為
qv= D （3－40）
式中 Bm――磁場磁感應強度的大值；
――勵磁電流的角頻率， ＝2 f；
t――時間；
f――電源頻率．
由式（3－40）可知，當測量管內(nèi)徑D不變，磁感應強度Bm為一定值時，兩電極上輸出的感生電動勢e與流量qv成正比．這就是交流磁場電磁流量變送器的基本工作原理．
值得注意的是，用交流磁場會帶來一系列的電磁干擾問題．例如正交干擾．同相干擾等，這些干擾信號與有用的流量信號混雜在一起．因此，如何正確區(qū)分流量信號與干擾信號，并如何有效地抑制和排除各種干擾信號，就成為交流勵磁電磁流量計研制的重要課題。
3．低頻方波勵磁
直流勵磁方式和交流勵滋方式各有優(yōu)缺點，為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點，盡量避免它們的缺點，70年代以來，人們開始采用低頻方波勵磁方式．它的勵磁電流波形如圖3—19所示，其頻率通常為工頻的1／4－l／10．
圖3－19 方波勵磁電流波形
從圖3－19可見，在半個周期內(nèi)，磁場是恒穩(wěn)的直流磁場，它具有直流勵磁的特點，受電磁干擾影響很小．從整個時間過程看，方波信號又是一個交變的信號，所以它能克服直流勵滋易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象．因此，低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式，目前已在電磁流量計上廣泛的應用．概括一下，它具有如下幾個優(yōu)點：
①能避免交流磁場的正交電磁干擾；
②消除由分布電容引起的工頻干擾；
③抑制交流磁場在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流；
④排除直流勵磁的極化現(xiàn)象．
電磁流量計
電磁流量計是60年代隨著電子技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表．它根據(jù)法拉第電磁感應定律制成，用來測量導電流體的體積流量。由于其*的優(yōu)點，目前已廣泛地應用于工業(yè)上各種導電液體的測量．例如，測量各種酸、堿、鹽等腐蝕液體；各種易燃，易爆介質(zhì)；各種工業(yè)污水，紙漿，泥漿等。
電磁流量計的主要特點是：
①電磁流量計的變送器結構簡單，沒有可動部件，也沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流部件，所以當流體通過時不會引起任何附加的壓力損失，同時它不會引起諸如磨損，堵塞等問題，特別適用于測量帶有固體顆粒的礦漿，污水等液固兩相流體，以及各種粘性較大的漿液等．同樣，由于它結構上無運動部件，故可通過附上耐腐蝕絕緣襯里和選擇耐腐材料制成電極，起到很好的耐腐蝕性能，使之可用于各種腐蝕性介質(zhì)的測量．
②電磁流量計是—種體積流量測量儀表，在測量過程中，它不受被測介質(zhì)的溫度．粘度、密度以及電導率（在一定范圍內(nèi)）的影響．因此，電磁流量計只需經(jīng)水標定以后，就可以用來測量其它導電性液體的流量，而不需要附加其它修正．
③電磁流量計的量程范圍極寬，同一臺電磁流量計的量程比可達1：100．此外，電磁流量計只與被測介質(zhì)的平均流速成正比，而與軸對稱分布下的流動狀態(tài)（層流或紊流）無關．
④電磁流量計無機械慣性，反應靈敏，可以測量瞬時脈動流量，而且線性好．因此，可將測置信號直接用轉換器線性地轉換成標準信號輸出，可就地指示，也可遠距離傳送．
電磁流量計雖具有上述優(yōu)良特性，但目前它還有一些不足之處，以致在使用上受到一定限制．主要有如下幾點：
①電磁流量計不能用于測量氣體、蒸氣以及含有大量氣體的液體．
②電磁流量計目前還不能用來測量電導率很低的液體介質(zhì)，被測液體介質(zhì)的電導率不能低于10－5（S／cm），相當于蒸餾水的電導率．對石油制品或者有機溶劑等還無能為力。
③由于測量管絕緣襯里材料受溫度的限制，目前工業(yè)電磁流量計還不能測量高溫高壓流體。
④電磁流量計受流速分布影響，在軸對稱分布的條件下，流量信號與平均流速成正比．所以，電磁流量計前后也必須有一定長度的前后直管段．
⑤電磁流量計易受外界電磁干擾的影響．
電磁流量計的選用與安裝
合理選用與正確安裝電磁流量計，對保證測量準確度、延長儀表的使用壽命都是很重要的．下面就電磁流量計的選用原則，安裝條件與使用注意事項做簡單介紹．
（一）電磁流量計的選用原則
電磁流量計的選用，主要是變送器的正確選用，而轉換器只需要與之配套就可以．
1．口徑與量程的選擇
變送器口徑通常選用與管道系統(tǒng)相同的口徑．如果管道系統(tǒng)有待設計，則可根據(jù)流量范圍和流速來選擇口徑．對于電磁流量計來說，流速以2—4m／s較為適宜．在特殊情況下，如液體中帶有固體顆粒，考慮到磨損的情況，可選常用流速≤3m／s，對于易附管理的流體．可選用流速≥2m／s．流速確定以后，可根據(jù)qv＝ D2 來確定變送器口徑．
變送器的量程可以根據(jù)兩條原則來選擇：一是儀表滿量程大于預計的大流量值；二是正常流量大于儀表滿量程的50％，以保證一定的測量精度．
2．溫度和壓力的選擇
電磁流量計能測量的流體壓力與溫度是有一定限制的．選用時，使用壓力必須低于該流量計規(guī)定的工作壓力．目前，國內(nèi)生產(chǎn)的電磁流量計的工作壓力規(guī)格為：
小于 50mm口徑，工作壓力為1．6MPa；
900 mm口徑，工作壓力為1MPa；
大于 1000mm口徑，工作壓力為0．6MPa．
如對變送器耐壓有特殊要求，則可與生產(chǎn)廠家具體磋商．有的廠家已能制造耐壓為32MPa的電磁流量變送器．
電磁流量計的工作溫度取決于所用的襯里材料，一般為5—70℃．如做特殊處理，可以超過上述范圍，如天津自動化儀表三廠生產(chǎn)的耐磨耐腐蝕電磁流量計．變送器允許被測介質(zhì)溫度為—40一十130℃．
3．內(nèi)襯材料與電極樹料的選擇
變送器的內(nèi)襯材料及電極材料必須根據(jù)介質(zhì)的物理化學性質(zhì)來正確選擇，否則儀表會由于襯里和電極的腐蝕而很快損壞，而且腐蝕性很強的介質(zhì)一旦泄漏容易引起事故．因此，必須根據(jù)生產(chǎn)過程中的具體測量介質(zhì)，慎重地選擇電極與襯里的材料．
（二）電磁流量計的安裝
要保證電磁流量計的測量精度，正確的安裝是很重要的．
①變送器應安裝在室內(nèi)干燥通風處．避免安裝在環(huán)境溫度過高的地方，不應受強烈振動，盡量避開具有強烈磁場的設備，如大電機，變壓器等．避免安裝在有腐蝕性氣體的場合．安裝地點便于檢修．這是保證變送器正常運行的環(huán)境條件．
②為了保證變送器測量管內(nèi)充滿被測介質(zhì)，變迭器垂直安裝，流向自下而上．尤其是對于液固兩相流，必須垂直安裝．若現(xiàn)場只允許水平安裝，則必須保證兩電極在同一水平面
③變送器兩端應裝閥門和旁路．
④電磁流量變送器的電極所測出的幾毫伏交流電勢，是以變送器內(nèi)液體電位為基礎的．為了使液體電位穩(wěn)定并位變送器與流體保持等電位，以保證穩(wěn)定地進行測量，變送器外殼與金屬管兩端應有良好的接地，轉換器外殼也應接地．接地電阻不能大于10 ，不能與其它電器設備的接地線共用。如果不能保證變送器外殼與金屬管道良好接觸，應用金屬導線將它們連接起來．再可靠接地．
⑤為了避免干擾信號，變送器和轉換器之間的信號必須用屏蔽導線傳輸．不允許把信號電纜和電源線平行放在同一電纜鋼管內(nèi)．信號電纜長度一般不得超過30 m．
⑥轉換器安裝地點應避免交、直流強磁場和振動，環(huán)境溫度為—20一50℃，不含有腐蝕性氣體，相對濕度不大于80％．
⑦為了避免流速分相對測量的影響，流量調(diào)節(jié)閥應設置在變送器下游．對于小口徑的變送器來說，因為從電極中心到流量計進口端的距離已相當于好幾倍直徑D的長度，所以對上游直管可以不做規(guī)定．但對口徑較大的流量計，一般上游應有5D以上的直管段，下游一般不做直管段要求．
