電磁流量計(jì)的特點(diǎn)和不足

1 前言

由于電磁流量計(jì)具有可靠性高、耐腐蝕性強(qiáng)、容易變更測量范圍等特點(diǎn)，在國內(nèi)外好多行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用并重點(diǎn)對(duì)它進(jìn)行開發(fā)。

2 使用情況

在我們所涉及的工程，例如輕工行業(yè)中電磁流量計(jì)常應(yīng)用在食品、造紙、精細(xì)化工和污水處理等行業(yè)，用來測量乳液、番茄醬、啤酒、紙漿、填料、黑液、其他化學(xué)品等液體或具有氣液、液固兩相的液體流量。這些液體中除干凈液體外，大多為易粘、易堵、含氣泡、含固體顆粒，有的還具有強(qiáng)腐蝕性。

目前，電磁流量計(jì)具有傳感器、轉(zhuǎn)換器一體型和分離型二種結(jié)構(gòu)形式，高達(dá)IP68的防護(hù)等級(jí)，多種可選的耐腐耐磨忖里和電極材料，精度可達(dá)0.2級(jí)，這使得電磁流量計(jì)基本上能滿足上述工況的流量測量需要。

3 電磁流量計(jì)的特點(diǎn)和不足

3.1 特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)簡單，無活動(dòng)部件和阻礙被測介質(zhì)流動(dòng)的擾動(dòng)件或節(jié)流件，對(duì)易黏附和固液二相介質(zhì)不易發(fā)生管道堵塞、磨損等問題?？蓮浹a(bǔ)質(zhì)量流量計(jì)不易測量此類介質(zhì)的不足。

（2）電磁流量計(jì)是一種測量體積流量的儀表，其測量不受流體的密度、溫度、壓力、粘度、雷諾數(shù)以及在一定范圍內(nèi)電導(dǎo)率的變化的影響。電磁流量計(jì)只需用水作為試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定，而不需要作附加修正就可用來測量其它導(dǎo)電性液體。這是其他流量計(jì)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

（3）電磁流量計(jì)測量范圍很大，有的產(chǎn)品測量范圍達(dá)1000:1。對(duì)同一口徑傳感器，其滿量程只要介質(zhì)流速在0.3~15m/s范圍內(nèi)可任意設(shè)定。電磁流量計(jì)的測量范圍可涵蓋紊流和層流狀態(tài)兩種速度分布狀態(tài)，這是差壓式流量計(jì)、渦輪式、渦街等流量計(jì)不能與之相比擬的。

（4）測量原理上是線性的，測量準(zhǔn)確度高，而且完全電信號(hào)輸出，測量的反映速度快，可測脈動(dòng)流量和快速累積總量。

（5）耐腐蝕性能好。

（6）原理上是測量過水?dāng)嗝娴钠骄魉伲瑢?duì)流速分布的要求較低。因此，傳感器前后的直管段要求比其他流量計(jì)短。

（7）可測正、反兩個(gè)方向的流動(dòng)流體。

3.2 不足之處

（1）電磁流量計(jì)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(jì)目前還不能用來測量導(dǎo)電率很低的液體介質(zhì)，被測液體介質(zhì)的電導(dǎo)率不能低于10-5S/cm（相當(dāng)于蒸餾水的電導(dǎo)率）。對(duì)石油制品或者有機(jī)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(jì)還不能測量高溫高壓流體。

（4）電磁流量計(jì)受流速分布影響，在軸對(duì)稱分布的條件下，流量信號(hào)與平均流速成正比。所以，電磁流量計(jì)前后也必須有一定長度的前后直管段。

（5）電磁流量計(jì)易受外界電磁干擾的影響。

4 勵(lì)磁對(duì)測量的影響

電磁流量計(jì)在使用中的效果受諸多因素影響。測量的真實(shí)、可靠及精度除了與轉(zhuǎn)換器有關(guān)外，更主要是取決于傳感器，而傳感器的勵(lì)磁技術(shù)對(duì)流量檢測影響很大。

了解勵(lì)磁技術(shù)發(fā)展過程，對(duì)我們選用、維護(hù)電磁流量計(jì)很有現(xiàn)實(shí)意義。

4.1 直流勵(lì)磁

上個(gè)世紀(jì)初，歐洲國家曾研制出用直流勵(lì)磁的電磁流量計(jì)，并開始其工業(yè)應(yīng)用。

直流勵(lì)磁技術(shù)是利用永磁體或者直流電源給電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組供電，以形成恒定的勵(lì)磁磁場，如圖1所示。直流勵(lì)磁技術(shù)的zui大問題是直流感應(yīng)電動(dòng)勢在兩電極表面上形成固定的正負(fù)極性，引起被測流體介質(zhì)電解，導(dǎo)致電極表面極化現(xiàn)象。

4.2 工頻正弦波勵(lì)磁

為了消除直流勵(lì)磁中電極極化效應(yīng)等弊病，在以后的幾十年中，發(fā)達(dá)國家又提出了用工頻正弦波勵(lì)磁，如圖2所示。是利用工頻50Hz正弦波電源給電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組供電。其主要特點(diǎn)是能夠基本消除電極表面的極化現(xiàn)象，降低電極電化學(xué)電勢的影響和傳感器的內(nèi)阻。

但是，工頻正弦波勵(lì)磁技術(shù)的采用會(huì)帶來一系列電磁感應(yīng)干擾和噪聲。

上個(gè)世紀(jì)七，八十年我國代造紙行業(yè)在使用國產(chǎn)電磁流量計(jì)中，發(fā)現(xiàn)電磁流量計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)零點(diǎn)和示值不穩(wěn)。嚴(yán)格的接地和遠(yuǎn)離電磁干擾源也不能完全解決，影響了生產(chǎn)。這與工頻勵(lì)磁的弱點(diǎn)有關(guān)。

4.3 低頻矩形波勵(lì)磁

為了徹底解決電磁流量計(jì)工頻干擾問題，提高流量測量精度，介于直流勵(lì)磁和工頻交流勵(lì)磁之間的低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)被提出。此項(xiàng)勵(lì)磁技術(shù)，如圖3所示，既具有直流勵(lì)磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、變壓器效應(yīng)（正交干擾）的特點(diǎn)，又具有工頻正弦波勵(lì)磁基本不產(chǎn)生極化效應(yīng)，便于放大信號(hào)處理，而能避免直流放大器零點(diǎn)漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問題的優(yōu)點(diǎn)，以及有較好的抗干擾性能，得以在電磁流量計(jì)中廣泛應(yīng)用。

由于矩形波勵(lì)磁的這些優(yōu)點(diǎn)，上個(gè)世紀(jì)八十年代中，使以引進(jìn)此種勵(lì)磁技術(shù)的合資產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用。

4.4 雙頻矩形波勵(lì)磁

上世紀(jì)80年代后期國外制造廠商又推出雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)。成功地解決了電磁流量計(jì)零點(diǎn)穩(wěn)定性和對(duì)液固兩相導(dǎo)電性流體以及低導(dǎo)電率流體流量的適應(yīng)性，開拓了電磁流量計(jì)新的應(yīng)用領(lǐng)域，開始了雙頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

低頻矩形波勵(lì)磁雖然具有優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性，但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時(shí)，固體顆粒擦過電極表面導(dǎo)致電極的接觸電勢突然變化，電磁流量傳感器輸出信號(hào)出現(xiàn)尖峰狀脈沖，具有1/f的頻譜特征；在測量低導(dǎo)電率流體流量時(shí)，電極的電化學(xué)電勢定期變動(dòng)，產(chǎn)生幅值隨頻率成反比的噪聲（即1/f噪聲），導(dǎo)致低頻矩形波勵(lì)磁電磁流量計(jì)輸出搖擺，如圖4所示。前者稱為泥漿干擾，后者稱為流動(dòng)噪聲。

研究分析表明，泥漿干擾和流動(dòng)噪聲具有1/f的頻譜特征。低頻時(shí)幅值大，高頻時(shí)幅值小，如果采用較高頻率的低頻矩形波勵(lì)磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級(jí)。因此提高勵(lì)磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動(dòng)噪聲，提高傳感器輸出信號(hào)的信噪比。近十幾年來，低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)的采用，提高電磁流量計(jì)抗干擾的能力、降低勵(lì)磁功率以提高勵(lì)磁的經(jīng)濟(jì)性，zui明顯地表現(xiàn)在單位流速信號(hào)電勢降低從1mV/ms-1到0.6mV/ms-1、0.4mV/ms-1、0.2mV/ms-1、0.1mV/ms-1。如果隨著單位流速信號(hào)電勢幅值比現(xiàn)有技術(shù)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，則泥漿干擾和流動(dòng)噪聲的影響明顯增強(qiáng)，為了進(jìn)一步提高抗干擾能力，必須采用較高頻率矩形波勵(lì)磁。

綜上所述，要保證電磁流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性，zui好采用低頻矩形波勵(lì)磁；為了能較準(zhǔn)確地測量液固兩相導(dǎo)電性流體和低導(dǎo)電率流體的流量，又必須采用較高頻率的矩形波勵(lì)磁。采用如圖5所示的雙頻矩形波勵(lì)磁的方法是zui佳方案。

隨著造紙產(chǎn)品的多樣化，我們又曾碰到對(duì)于高濃紙漿及具有一定雜質(zhì)的漿液的測量，電磁流量計(jì)的輸出出現(xiàn)飄忽不定現(xiàn)象。雙頻勵(lì)磁的機(jī)理使我們明白了產(chǎn)生此類現(xiàn)象的原因。而雙頻勵(lì)磁的產(chǎn)品的出現(xiàn)也正好解決了測量這種液體流量的難題。

4.5 另外，有些電磁流量計(jì)生產(chǎn)商現(xiàn)在正在研制新穎交流勵(lì)磁技術(shù)。它既保持了矩形勵(lì)磁的零點(diǎn)穩(wěn)定性又具有高頻勵(lì)磁優(yōu)良的雜波去除功能，還有良好的抗50Hz工頻干擾性能。能很好的測量固體顆粒含量多達(dá)30%的二相液體。流量計(jì)的精度可達(dá)0.1%。

造紙行業(yè)還有一項(xiàng)內(nèi)涵，就是廢紙的再利用和環(huán)境保護(hù)。在廢紙制漿和污水處理中，需用電磁流量計(jì)測量含有數(shù)量不少的泥砂及各種雜粒的廢紙漿量，和含有大量油墨、污泥的污水量以及大設(shè)備的電器所造成的電磁干擾。它們對(duì)電磁流量計(jì)會(huì)有更苛刻的要求。這種新穎交流勵(lì)磁方式又為我們提供了適應(yīng)這種工況的計(jì)量設(shè)備。

在敘述了各種勵(lì)磁技術(shù)后，這里應(yīng)該指出，國產(chǎn)的電磁流量計(jì)經(jīng)過幾代科技人員艱苦不懈的努力，在性能和可靠性方面具備了很高的水平，在國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)使用中占了相當(dāng)?shù)姆蓊~。

5 使用中應(yīng)注意的問題

這些問題大家已經(jīng)很熟悉了，把它羅列出來是想進(jìn)一步發(fā)掘更有效的使用經(jīng)驗(yàn)。

（1）電磁流量計(jì)是容積式液體流量計(jì)，在測量時(shí)應(yīng)保證流量計(jì)內(nèi)的液體是充滿管道的。為使流速平穩(wěn)，流量計(jì)前后應(yīng)有大于5D和2D的直管段。流量計(jì)口徑大小的選擇應(yīng)使zui小zui大流量時(shí)的流速在保證測量精度的范圍內(nèi)。

（2）當(dāng)不得不裝在自上而下的垂直管道上時(shí)，流量計(jì)應(yīng)裝在管道的下部，且流量計(jì)下游裝有節(jié)流閥門使下游產(chǎn)生一背壓。

（3）當(dāng)測量容易積渣附著的介質(zhì)時(shí)，不要將流量計(jì)安裝在傾斜管道的zui低點(diǎn)。在管低端安裝清洗閥或盲板，定期清洗內(nèi)壁附著物。

（4）在振動(dòng)劇烈的現(xiàn)場應(yīng)將傳感器和轉(zhuǎn)換器分開安裝?？趶街痢軩N350的流量計(jì)兩端應(yīng)設(shè)支架或吊架。

（5）安裝在塑料管道或帶內(nèi)襯管道上必須使用接地環(huán)。

如接地環(huán)和測量電極由不同材料制成，會(huì)引起電化學(xué)腐蝕損壞電極。電極材質(zhì)選配不當(dāng)，被測介質(zhì)會(huì)使電極極化而減弱信號(hào)的電勢。因此，電極材料的選擇也應(yīng)引起注意，可參閱說明書及與制造廠商量。

（6）有些工況需在管道內(nèi)注入化學(xué)藥品，注入后會(huì)導(dǎo)致液體導(dǎo)電率不勻?qū)﹄姶帕髁坑?jì)輸出信號(hào)產(chǎn)干擾。對(duì)此，可采用在流量計(jì)下游注入，如需在上游注入則注入點(diǎn)應(yīng)與流量計(jì)保持一定距離，使液體混合均勻。

（7）分體式電磁流量計(jì)的傳感器和轉(zhuǎn)換器間zui大電纜長度與導(dǎo)電率有關(guān)。椐資料介紹導(dǎo)電率為5μs/cm時(shí)長度不超過10m，100μs/cm 時(shí)長度不超過100m，不然會(huì)引起測量信號(hào)的失真。

（8）電磁流量計(jì)應(yīng)避免安裝在大功率的電氣設(shè)備和開關(guān)柜傍以減少電磁干擾。

（9）發(fā)生雷擊時(shí)在線路中產(chǎn)生的過電壓和浪涌電流會(huì)通過儀表室的電源線進(jìn)入儀表（電磁流量計(jì)）使之損壞。目前，這個(gè)問題已被越來越多的自控人員所認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)時(shí)在儀表用總電源進(jìn)線端，甚至在單個(gè)儀表的電源端裝過壓和浪涌電流吸收裝置，防止它們對(duì)儀表的損壞。

（10）新的延伸。

目前有的生產(chǎn)廠對(duì)接地極采取了新的措施。在傳感器襯里上嵌入導(dǎo)電橡膠，既省去了接地環(huán)或接地法蘭、降低了成本，也方便安裝。

采用高性能PEEK材料作為電極絕緣密封之用，提高了電極絕緣的穩(wěn)定度和可靠度。確保在高濕惡劣環(huán)境下，電極的絕緣電阻也能達(dá)到200MΩ以上。

根據(jù)電容效應(yīng)原理設(shè)計(jì)流量空管報(bào)警功能。它的靈敏度高，但不受管壁殘留液的影響。

流量計(jì)的勵(lì)磁技術(shù)不斷發(fā)展體現(xiàn)了：生產(chǎn)的需要促進(jìn)了科研，科研的成果又推動(dòng)了生產(chǎn)的發(fā)展。這也說明了發(fā)展科技能更好興國。