電磁流量計(jì)(Electromagnetic Flowmeters)，是依據(jù)邁克爾·法拉第電磁感應(yīng)理論設(shè)計(jì)的一種新型電磁式流量測量儀表。它利用在導(dǎo)電流體外加磁場時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢來測量導(dǎo)電流體的流量。電磁流量計(jì)主要結(jié)構(gòu)包括傳感器、轉(zhuǎn)換器和顯示儀表三部分。通常按照組成結(jié)構(gòu)可以分為分離型電磁流量計(jì)和一體型電磁流量計(jì)，而根據(jù)不同的勵(lì)磁方式和用途，電磁流量計(jì)可以劃分為多種多樣的類型。電磁流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、測量幾乎不造成壓力損失、反應(yīng)靈敏等諸多優(yōu)點(diǎn)。不僅可以用于常規(guī)水流流量的測量，對于化工的腐蝕性液體、冶金的高溫礦漿、醫(yī)藥衛(wèi)生等流體流量的測量，電磁流量計(jì)也具有顯著優(yōu)勢。但仍存在無法用于低電導(dǎo)率和低壓流體的測量、以及容易受電磁干擾的限制等問題。
發(fā)展歷史
1832年，邁克爾·法拉第（Faraday）在滑鐵盧大橋兩側(cè)放置了兩根金屬桿作為電極，利用地球的磁場，來測定河流的流速，是世界上首次進(jìn)行了電磁流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)。
1917年，史密斯與斯皮雷安（Charles G Smith&Joseph Slepian）申請了基于電磁感應(yīng)原理的船體速度測量技術(shù)，提出了利用交流勵(lì)磁技術(shù)克服海水的極化影響，開啟了電磁式流體速度測量技術(shù)的先河。
在1930年，生物學(xué)家威廉斯（Williams）把硫酸銅溶液放入一根不導(dǎo)電的圓形管道中，用它來測量管道兩端的直流電壓，發(fā)現(xiàn)測得的電壓與流速度成比例。并為電磁流量計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
1950年，荷蘭人首次在挖泥船上利用電磁流量計(jì)來測定泥沙的流量。隨后，電磁流量計(jì)被用于美國普通的工業(yè)生產(chǎn)。
1955年前后，日本、前蘇聯(lián)、英國、德國也相繼成功研制出電磁流量計(jì)。
20世紀(jì)80年代以來，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電磁流量計(jì)的生產(chǎn)工藝水平得到不斷提升，極大地拓寬了其應(yīng)用范圍。
結(jié)構(gòu)組成
電磁流量計(jì)由傳感器、轉(zhuǎn)換器和顯示儀表三部分組成
傳感器部分
電磁流量計(jì)的傳感器部分是其核心，它由磁路系統(tǒng)、測量管道、絕緣襯里、電極、外殼和干擾調(diào)整機(jī)組成。
(1)磁路系統(tǒng)
磁路系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生均勻的直流或交流磁場。直流磁路用永久磁鐵來實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，受外界交流磁場的干擾較小，但它易使通過測量導(dǎo)管內(nèi)的電解質(zhì)液體極化，使正電極被負(fù)離子包圍，負(fù)電極被正離子包圍，即電極的極化現(xiàn)象，并導(dǎo)致兩電極之間內(nèi)阻增大，因而嚴(yán)重影響儀表正常工作。當(dāng)管道直徑較大時(shí)，永久四氧化三鐵相應(yīng)也很大，笨重且不經(jīng)濟(jì)。所以電磁流量計(jì)一般采用50HZ工頻的交變勵(lì)磁，但它存在易受外界電磁干擾。此外，還有低頻矩形波恒流勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁，它們又進(jìn)一步克服了交流勵(lì)磁的缺點(diǎn)。
(2)測量導(dǎo)管
測量管道的作用是讓被測導(dǎo)電性液體通過。為了使磁力線通過測量導(dǎo)管時(shí)磁通量被分流或短路，測量導(dǎo)管必須采用不導(dǎo)磁、低電導(dǎo)率、低導(dǎo)熱率和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的材料制成，可選用不導(dǎo)磁的不銹鋼、玻璃鋼、高強(qiáng)度塑料、鋁等。
(3)電極
電極的作用是引出和被測量成正比的感應(yīng)電勢信號(hào)。電極一般用非導(dǎo)磁的不銹鋼制成，且被要求與襯里齊平，以便流體通過時(shí)不受阻礙。它的安裝位置宜在管道的垂直方向，以防止沉淀物堆積在其上面而影響測量精度。電極對耐腐蝕要求很高，不允許被測量介質(zhì)嚴(yán)重、快速腐蝕，否則將使儀表無法正常工作，甚至造成嚴(yán)重事故。
(4)外殼
應(yīng)用鐵磁材料制成，是分配制度勵(lì)磁線圈的外罩，并隔離外磁場的干擾。
(5)襯里
襯里是測量導(dǎo)管內(nèi)壁的一層耐磨、耐腐蝕、耐高溫的絕緣材料。它能增加測量導(dǎo)管的耐磨性和耐腐蝕性，防止測量導(dǎo)管壁短路。襯里材料多為耐腐蝕、耐高溫、耐磨的聚四乙烯塑料、陶瓷等。
轉(zhuǎn)換器部分
由液體流動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢信號(hào)十分微弱，受各種干擾因素的影響很大，轉(zhuǎn)換器的作用就是將感應(yīng)電勢信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)并抑制主要的干擾信號(hào)。其任務(wù)是把電極檢測到的感應(yīng)電勢信號(hào)Ex轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)。轉(zhuǎn)換器采用國際最新最先進(jìn)的單片機(jī)（MCU）和表面貼裝技術(shù)（SMT），性能可靠，精度高，功耗低，零點(diǎn)穩(wěn)定，參數(shù)設(shè)定方便。流量范圍度可達(dá)150：1。點(diǎn)擊中文顯示LCD，顯示累積流量、瞬時(shí)流量、流速、流量百分比等。
顯示儀表
將轉(zhuǎn)化器處理后的流量數(shù)據(jù)顯示并輸出
工作原理
電磁流量計(jì)是20世紀(jì)50~60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。
當(dāng)所測量的管道上有一個(gè)外加的磁場作用時(shí)，管路內(nèi)的流體會(huì)隨沿著管路方向運(yùn)動(dòng)而切割磁力線，從而在傳感器的檢測電極上輸出感應(yīng)電壓。電壓信號(hào)被轉(zhuǎn)化器接受后，會(huì)進(jìn)一步放大、校正、轉(zhuǎn)換，然后在顯示儀表上顯示出來。
測得的電壓信號(hào)大小由表示為，進(jìn)一步可以計(jì)算導(dǎo)電液體的流量
其中
：表示兩電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電壓；
：管道直徑；
：電磁流量計(jì)外加的磁場強(qiáng)度；
：流體的流速；
：流體的體積流量。
通過這一個(gè)公式，不難發(fā)現(xiàn)測量得體積流量Qv與感應(yīng)電動(dòng)勢U和測量管內(nèi)徑d成線性關(guān)系，與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，而與其它物理參數(shù)無關(guān)。這就是電磁流量計(jì)的測量原理。
另外，上述公式是粗略的計(jì)算公式，要使公式嚴(yán)格成立，必須使電磁流量計(jì)測量條件滿足下列假定：
①磁場是均勻分布的恒定磁場;
②被測流體的流速是軸對稱分布均勻分布;
③被測液體是非磁性的;
電磁流量計(jì)的分類
按傳感器和轉(zhuǎn)換器的組成分類
分離型
分離型電磁流量計(jì)是一種主流類型的電磁表。流量傳感器的傳感器和轉(zhuǎn)換器被分開，放在不同的位置。通常，傳感器被安置在管道中；變頻器被安置在儀器房中，或者靠近容易被安置和操縱的傳感器旁邊。
優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換器可以避免在野外苛刻的環(huán)境下工作，便于對汽車傳感器進(jìn)行檢查調(diào)整，便于測量參數(shù)的設(shè)置。
缺點(diǎn)：抗電磁干擾能力較弱，需要嚴(yán)格地進(jìn)行布線安裝。
一體型
一體型電磁流量計(jì)，顧名思義，是將傳感器和轉(zhuǎn)換器一體化設(shè)計(jì)的一類電磁流量計(jì)。可通過測量管路直接產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)來反應(yīng)管道中的流體的流量。
優(yōu)點(diǎn)：使傳感器與變頻器間的電流訊號(hào)與激磁導(dǎo)線的連結(jié)距離變得更短，不需要外部這樣的導(dǎo)線，所以家用電器的配線更容易，而且成本更低。
缺點(diǎn)：容易受到管道布局的制約，而且若設(shè)置在比較難觸及的地方，維修起來十分不便。另外，變頻器內(nèi)的電子元件安裝于管路上，容易受到管路內(nèi)液體的溫度及管路的震動(dòng)的干擾。
按勵(lì)磁方式分類
直流勵(lì)磁型
磁場由永久磁鐵提供或者由直流電所激勵(lì)。測量的流量很小，且僅適用于室溫下的汞等液態(tài)金屬的溫度測定。
交流工頻勵(lì)磁型
磁場由工頻電所激勵(lì)。抗電磁干擾能力弱，并且存在零點(diǎn)漂移。主要用于泥漿和礦漿等兩相流體的流量測量。
低頻矩形波勵(lì)磁型
磁場由直流電和交流電共同作用所激勵(lì)。具有功率損耗小、零點(diǎn)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛。
雙頻勵(lì)磁型
磁場由高、低頻的矩形波電流疊加所激勵(lì)。穩(wěn)定性優(yōu)異、沒有流動(dòng)造成的噪聲干擾，響應(yīng)特性好。
按連接方式分類
按傳感器與管道的連接方式可分為法蘭連接、無法蘭夾裝連接和螺紋聯(lián)結(jié)等幾種。
按用途分類
通用型
用于冶金、石化、造紙、輕、排水、水處理以及醫(yī)藥、食品、生物和精細(xì)化工等工業(yè)領(lǐng)域中的一般電磁流量計(jì)，是電磁流量計(jì)的主要類型。對被測介質(zhì)的電導(dǎo)率有一范圍要求，一般不能超過其上下限范圍。
防爆型
在有易爆氣體的地方，為了避免燃爆的風(fēng)險(xiǎn)，所采用的一類具有防爆功能的電磁流量計(jì)。結(jié)構(gòu)上，傳感器通常采用隔爆型的主體和安全火花型的電極信號(hào)電路這一復(fù)合結(jié)構(gòu)；也可以做成一體型電磁流量計(jì)，將其安裝于有燃爆風(fēng)險(xiǎn)的地方工作
衛(wèi)生型
用于醫(yī)藥衛(wèi)生，食品加工，生物化工等行業(yè)的電磁式流量計(jì)，必須滿足相關(guān)的衛(wèi)生條件，包括定時(shí)消毒，便于拆卸和清洗。
防浸水型
用于安裝在地面下的傳感器，可承受短時(shí)間的水浸沒。
潛水型
特點(diǎn)是傳感器位于明渠攔河閘的底部，并在水中工作很久；主要是用來測定自由水面的水流量，如地上明渠或者水面未滿的地下暗管。
插入型
插入式電磁流量計(jì)屬于侵入式流量測量，它通過在管壁上的開孔，將傳感器從開孔處伸入管道里面。插入式電磁流量計(jì)所測得的流量并非實(shí)際流量大小，它是利用所測量的局部流速換算出來的流量，因此精度不高，但價(jià)格便宜。通常用于管道直徑較大的場合，適合在控制系統(tǒng)中使用。
特點(diǎn)及應(yīng)用
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
故障查找
電磁流量計(jì)在運(yùn)行中產(chǎn)生的故障有兩種，一是儀表本身故障，即儀表結(jié)構(gòu)件或元器件損壞引起的故障；二是由外部原因引起的故障，如安裝不當(dāng)、外部電磁干擾、電極沉積和結(jié)垢等。因此首先應(yīng)根據(jù)儀表輸出信號(hào)對電磁流量計(jì)進(jìn)行故障排查定位，然后針對具體故障進(jìn)行分析并解決。
通常由于儀表本身故障會(huì)導(dǎo)致儀表無流量信號(hào)輸出、測量值與實(shí)際不符、輸出信號(hào)超滿度量程；而由于外部原因會(huì)導(dǎo)致儀表輸出值波動(dòng)、零點(diǎn)不穩(wěn)、以及測量值與實(shí)際不符。
管道內(nèi)介質(zhì)未滿管
外界電磁干擾造成
測量電極結(jié)垢及測量電極短路
管道流體中含有氣泡
測量電極遭腐蝕
技術(shù)要求
電磁流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級、引用誤差、重復(fù)性等指標(biāo)是衡量電磁流量計(jì)性能的重要參數(shù)。
流量范圍：是指流量儀表在規(guī)定的基本誤差內(nèi),最小流量至最大流量的范圍。
量程和量程比：流量范圍的最大流量和最小流量值之差稱為流量計(jì)的量程。最大流量與最小流量的比值稱為流量計(jì)的量程比，亦稱為流量計(jì)的范圍度。
允許誤差：流量計(jì)在規(guī)定的正常工作條件下允許的最大誤差(誤差的極限值)稱為流量計(jì)的允許誤差。允許誤差可用絕對誤差和相對誤差表示。
絕對誤差=指示值-標(biāo)準(zhǔn)器的值(檢定值)；
相對誤差=絕對誤差/檢定值；
流量傳感器的允許誤差多用相對誤差表示。
準(zhǔn)確度等級：流量計(jì)的示值接近被測流量值的能力，稱為流量計(jì)的準(zhǔn)確度。在符合一定的計(jì)量要求使流量計(jì)的誤差保持在規(guī)定的極限內(nèi)的流量計(jì)的等別、級別稱為流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級。
流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級，可以用流量計(jì)的允許誤差的大小表示，即用流計(jì)的允許誤差去掉
“±”和“%”符號(hào)后的數(shù)字表示，例如，準(zhǔn)確度等級為 0.2級的流量計(jì)表示其測量誤差不超過士0.2%。
引用誤差：電磁流量計(jì)的引用誤差是指在標(biāo)準(zhǔn)流量條件下，測量結(jié)果與真實(shí)值之間的最大誤差。通常要求引用誤差小于準(zhǔn)確度等級的一半。
重復(fù)性：電磁流量計(jì)的重復(fù)性是指在相同的流量條件下，多次測量結(jié)果之間的偏差。重復(fù)性越好，說明電磁流量計(jì)的穩(wěn)定性越高。
這些指標(biāo)是評估電磁流量計(jì)性能的重要指標(biāo)，不同應(yīng)用場景需要有不同的指標(biāo)要求。對于一些要求高精度流量測量的場合，這些指標(biāo)的要求會(huì)更加嚴(yán)格。
發(fā)展趨勢
智能化：隨著微處理器的發(fā)展，電磁流量計(jì)也在朝著智能化方向發(fā)展。其智能化方向可分為信號(hào)處理智能化和控制智能化，兩者共同作用構(gòu)成了智能電磁流量計(jì)。 其主要技術(shù)包括軟件技術(shù)、自診斷功能、程控放大器技術(shù)、微處理器抗干擾技術(shù)等。
高精度化：隨著科技的不斷進(jìn)步，電磁流量計(jì)的測量精度和穩(wěn)定性得到了顯著提高。通過對信號(hào)處理方法以及電路結(jié)構(gòu)的改良，可以有效地降低干擾，提高信噪比，從而提高精度。
應(yīng)用范圍的拓寬：通過改進(jìn)電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)以及勵(lì)磁方式，不僅可以將電磁流量計(jì)的應(yīng)用拓寬到非滿管以及容易產(chǎn)生電極表面極化現(xiàn)象的流體介質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)測量范圍的拓寬。
遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)處理：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，電磁流量計(jì)的遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)處理能力也得到了提升，這使得電磁流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，提高了測量的可靠性和實(shí)用性。
參考資料 >