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谈电磁流量计的选用 |
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作者：巨化工程有限公司仪表厂 董高峰 |
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1、 引 言
电磁流量计（简称EMF）是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。20世纪50年代初EMF实现了工业化应用，近年来在世界范围内，EMF产量约占工业流量仪表总数的5%～6.5%，特别是2000年以来，这个数值有逐年上升的趋势。电磁流量计作为工业流量测量仪表的一种，在其选用方面有一些技巧和注意事项，在这里结合我一些切身经验和大家讨论，希望能对电磁流量计的正确选用作出贡献。
2、 电磁流量计选用
2.1 应用概况
电磁流量计应用领域非常广泛。按应用场合有大口径、中小口径、小口径和微小口径之分，其中大口径电磁流量计较多应用于给排水工程，中小口径常应用于固液双相等难测流体或高要求场所，如测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液、钢铁工业高炉风口冷却水控制、长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制等，而小口径和微小口径常应用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。
2.2 精度等级和功能
市场上通用型EMF的性能有较大差别，有些精度高、功能多，有些精度低、功能简单。精度高的仪表基本误差为（±0.5%～±1%）R，精度低的仪表则为（±1.5%～±2.5%）FS，两者价格相差1～2倍。因此测量精度要求不很高的场所（例如非贸易核算仅以控制为目的，只要求高可靠性和优良重复性的场所）选用高精度仪表在经济上是不合算的。
有些型号仪表声称有更高的精确度，基本误差仅（±0.2%～±0.3%）R，但有严格的安装要求和参比条件，例如环境温度20～22℃，前后直管段长度要求分别大于10D和3D（通常为5D和2D），甚至提出流量传感器要与前后直管组成一体在流量标准装置上作实流校准，以减少夹装影响。因此在多种型号选择比较时不要单纯只看高指标，要详细阅读制造厂样本或说明书做综合分析。
市场上EMF的功能差别也很大，简单的就只是测量单向流量，只输出模拟信号带动后位仪表；多功能仪表有测双向流、量程切换、上下限流量报警、空管和电源切断报警、小信号切除、流量显示和总量计算、自动核对和故障自诊断、与上位机通信和运动组态等。有些型号仪表的串行数字通信功能可选多种通信接口和专用芯片（ASIC），以连接HART协议系统、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF现场总线等。
2.3 流速、满度流量、范围度和口径
选定仪表口径不一定与管径相同，应视流量而定。流程工业输送水等粘度不同的液体，管道流速一般是经济流速1.5～3m/s。EMF用在这样的管道上，传感器口径与管径相同即可。
EMF满度流量时液体流速可在1～10m/s范围内选用，范围是比较宽的。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建议不超过5m/s，除非衬里材料能承受液流冲刷，实际应用很少超过7m/s，超过10m/s则更为罕见。满度流量的流速下限一般为1m/s，有些型号仪表则为0.5m/s。有些新建工程运行初期流量偏低或在流速偏低的管系，从测量精度角度考虑，仪表口径应改用小于管径，用异径管连接之。
用于有易粘附、沉积、结垢等物质的流体，选用流速不低于2m/s，最好提高到3～4m/s或以上，起到自清扫、防止粘附沉积等作用。用于矿浆等磨耗性强的流体，常用流速应低于2～3m/s ，以降低对衬里和电极的磨损。
在测量接近阈值（即下限值）的低电导液体，尽可能选定较低流速（小于0.5～1m/s），因流速提高流动噪声会增加，而出现输出晃动现象。
EMF的范围度是比较大的，通常不低于20，带有量程自动切换功能的仪表，可超过50～100。国内可以提供的定型产品的口径从10mm到3000mm，随然实际应用还是以中小口径居多，但与大部分其他原理流量仪表（如容积式、涡轮式、涡街式或科里奥利质量式等）相比，大口径仪表占有较大比重。某企业近万台仪表中，50mm以下小口径、65～250mm中口径、300～900mm大口径、1000mm以上超大口径分别占37%、45%、15%和3%。
2.4 液体电导率
使用EMF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甚至不能使用，超过阈值即使变化也可以测量，示值误差变化不大，通用型EMF的阈值在10-4～（5×10-6）S/cm之间，视型号而异。使用时还取决于传感器和转换器间流量信号线长度及其分布电容，制造厂使用说明书中通常规定电导率相对应的信号线长度。非接触电容耦合大面积电极的仪表则可测电导率低至5×10-8S/cm的液体。
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情况，这类杂质增加了电导率。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℃时的电导率
 根据使用经验，实际应用的液体电导率最好要比仪表制造厂规定的阈值至少大一个数量级。因为制造厂仪表规定的下限值是在各种使用条件较好状态下可测量的最低值，是受一些使用条件的限制，如电导率均匀性、连接信号线、外界噪声等，否则会出现输出晃动现象等。我们就多次遇到测量低度蒸馏水或去离子水，其电导率接近阈值5×10-6S/cm，使用时出现输出晃动。
2.5 液体中含有混入物
混入成泡状流的微小气泡仍可正常工作，但测得的是含气泡体积的混合体积流量；如气体含量增加到形成弹（块）状流，因电极可能被气体盖住使电路瞬时断开，出现输出晃动甚至不能正常工作。
含有非铁磁性颗粒或纤维的固液双相流体同样可测得二相的体积流量。固体含量较高的流体，如钻井泥浆、钻探固井水泥浆、纸浆等实际上已属非牛顿流体。由于固体在载体液中一起流动，两者之间有滑动，速度上有差别，单相液体校验的仪表用于固液双相流体会产生附加误差。虽然还未见到EMF应用于固液双相流体中固形物影响的系统实验报告，但国外有报告称固形物含量有14%时误差在3%范围以内；我国黄河水利委员会水利科学研究所的实验报告称，测量高沙含量水的流量，含沙量体积比17%～40%（沙中值粒径0.35mm），仪表测量误差小于3%。
在浆液内有较大颗粒擦过电极表面，在频率较低的矩形激磁的EMF中会产生尖峰状浆液噪声，使流量信号不稳，就要选用较高频率的仪表或有较强抑制浆液噪声能力的仪表，也可选用交流激磁的仪表或双频激磁的仪表。
含有铁磁性物质的流体对通常的EMF，因测量管内磁导率受铁磁体的不同含量而变化，会产生测量误差。但在磁路中置有磁通检测线圈补偿的EMF，可减小混入铁磁体的影响。上海光华仪表厂在交流激磁仪表的实验报告中称，水中含有液固重量比约4：1，颗粒度≤0.15mm铁精矿石的矿浆，以80mm口径仪表作清水和浆液对比流量试验，通常的仪表示值变化7%～10%，装有磁通检测线圈的仪表，示值误差在±2%FS以内。
对含有矿石颗粒的矿浆应用，应注意对传感器衬里的磨损程度，测量管内径扩大会产生附加误差。这种场合应选用耐磨性较好的陶瓷衬里或聚氨酯橡胶衬里，同时建议传感器安装在垂直管道上，使管道磨损均匀，消除水平安装下半部局部磨损严重的缺点，也可以在传感器进口端加装喷嘴形护套，相对延长使用期。
2.6 附着和沉淀
测量易在管壁附着和沉淀物质的流体时，若附着的是比液体电导率高的导电物质，信号电势将被短路而不能工作，若是非导电层则首先应注意电极的污染，譬如选用不易附着尖形或半球形突出电极、可更换式电极、刮刀式清垢电极等。刮刀式电极可在传感器外定期手动刮出沉垢。国外产品曾有电极上装超声波换能器，以清除表面垢层，但现已少见。也有暂时断开测量电路，在电极间断时间内流过低压大电流，焚烧清除附着油脂类附着层。易产生附着的场所可提高流速以达到自清扫的目的，还可以采取较方便的易清洗的管道连接，可不拆卸清洗传感器。
非接触型电极 EMF附着非导电膜层，仪表仍能工作，但若为高导电层则同样不能工作。
2.7 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（或绝缘材料制成的测量管）、电极、接地环和密封垫片，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强。
（1） 衬里材料（或直接与介质接触的测量管）
常用衬里材料有氟塑料、聚氨酯橡胶、氯丁橡胶和陶瓷等。近年有采用高纯氧化铝99.99%AI2O3)陶瓷制成衬里的，但只限中小口径传感器。氯丁橡胶和玻璃钢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。氟塑料具有优良的耐化学腐蚀性，但耐磨性差，不能用于测量矿浆液。氟塑料中最早应用的是聚四氟乙烯，因与测量管间仅靠压贴，无粘结力，不能用于负压管道，后开发各种改性品种，实现注塑成形，与测量管有较强结合力，可用于负压。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、介质温度低于40～60/70℃的场合。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，安装夹紧时易碎，可用于较高温度（120～140/180℃）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℃，升温150℃ 要有10min时间。 通用型EMF几种材料的压力、温度大体适用范围可参阅下图。
图 流体温度压力范围
（2）电极和接地环材料
电极对测量介质的耐腐是选择材料首先考虑的因素，其次考虑是否会产生钝化等表面效应和所形成的噪声。
①选择耐腐蚀材料
EMF电极的耐腐蚀性要求很高，常用金属材料有含钼耐酸钢1Cr18Ni12Mo2Ti，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。此外还有适用于浆液等的低噪声电极，它们是导电橡胶电极、导电氟塑料电极和多孔性陶瓷电极，或包覆这些材料的金属电极。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或以往的经验来确定。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，可以得出比较可靠的结论。
②避免电极表面效应
电极的耐腐蚀性是选择材料的重要因素，但有时候电极材料对被测介质有很好的耐腐蚀性，却不一定就是适用的材料，还要避免产生电极表面效应。电极表面效应分为表面化学反应、电化学和极化现象以及电极的触媒作用三个方面。
化学反应效应如电极表面与被测介质接触后，形成钝化膜或氧化层。他们对耐腐蚀性能可能起到积极保护作用，但也有可能增加表面接触电阻。例如钽与水接触就会被氧化，生成绝缘层。对于避免或减轻电极表面效应的介质----电极材料匹配，还没有像腐蚀性那样有充足的资料可查，只有一些有限经验，尚待在实践中积累。
接地环连接在塑料管道或衬绝缘衬里金属管道的流量传感器两端，他们的耐腐蚀要求比电极低，通常选用耐酸钢或哈氏合金。因其体积大，从经济上考虑较少采用钽、铂等贵重金属。如金属工艺管道直接与流体接触就不需要接地环。
3、 结论
随着企业全面走向市场，企业生产经营管理将进一步深化，流量计量越显重要，电磁流量计作为工业流量测量仪表的一种，要发挥其作用，第一步要做好的工作就是选用好电磁流量计。因此，自动化仪表专业人员在具备一定的专业知识的前提下，有必要在其选用方面掌握一定的技巧和注意事项，只有如此，才能满足企业的要求，使流量计量发挥重要作用。
参考文献
[1] 梁国伟，蔡武昌主编《流量测量技术及仪表》北京：机械工业出版社，2002.06
[2] 吴永生，方可人主编《热工测量及仪表》 北京：水利电力出版社，1995
[3] 王绍纯主编《自动检测技术》（第二版）[M] 北京：冶金工业出版社，1995 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(4/22/2005) |
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