自动化仪表的认识

目录

1 引言 (1)

2 原理与结构 (1)

3 电磁流量计的认识 (2)

3.1 优点 (2)

3.2 缺点 (2)

3.3 分类 (2)

3.4 精度等级及功能 (3)

3.5 流速、满度流量、范围度和口径 (4)

3.6 液体电导率 (4)

4 结论 (5)

参考文献 (5)

电磁流量计的认识

1 引言

电磁流量计（以下简称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。50年代初EMF实现了工业化应用，近年来世界范围EMF产量约占工业流量仪表台数的5%～6.5%。70年代以来出现键控低频矩形波激磁方式，逐渐替代早期应用的工频交流激磁方式，仪表性能有了很大提高，电磁流量计由于具有可靠性高、耐腐蚀性强、测量精度高、容易变更测量范同等特点，目前在石油、化工、冶金、造纸等行业仍得到广泛应用，并且各类电磁流量计的发展与应用得以进一步深化，其市场仍有很大的扩展空间。

2 原理与结构

EMF的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。如图1所示，导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则”，其值如下式

式中E-----感应电动势，即流量

信号，

k-----系数；

B-----磁感应强度，T；

D----测量管内径，m；

--- 平均流速，m/s。

设液体的体积流量为

，则

式中K 为仪表常数，K= 4 KB/πD 。

EMF由流量传感器和转换器两大部分组成。传感器

典型结构示意如图2，测量管上下装有激磁线圈，通激

磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内

壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。激磁电

流则由转换器提供。

3 电磁流量计的认识

3.1 优点

EMF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。

EMF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。

EMF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。EMF测量范围度大，通常为20：1～50：1，可选流量范围宽。满度值液体流速可在0.5～10m/s内选定。有些型号仪表可在现场根据需要扩大和缩小流量（例如设有4位数电位器设定仪表常数）不必取下作离线实流标定。

EMF的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3m。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。仪表输出本质上是线性的。

易于选择与流体接触件的材料品种，可应用于腐蚀性流体。

3.2 缺点

EMF不能测量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶剂等。不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。

通用型EMF由于衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用于较高温度的液体；有些型号仪表用于过低于室温的液体，因测量管外凝露（或霜）而破坏绝缘。

3.3 分类

市场上通用型产品和特殊型仪表可以从不同角度分类。

如按激磁电流方式划分，有直流激磁、交流（工频或其他频率）激磁、低频矩

形波激磁和双频矩形波激磁。几种激磁方式的波形见图3.3。

图3.3 激励方式波形

按输出信号连线和激磁（或电源）连线的制式分类，有四线制和二线制。

按转换器与传感器组装方式分类，有分离型和一体型。

按流量传感器与管道连接方法分类，有法兰连接、法兰夹装连接、卫生型连接

和螺纹连接。

按流量传感器电极是否与被测液体接触分类，有接触型和非接触型。按流量传

感器结构分类，有短管型和插入型。

按用途分类，有通用型、防爆型、卫生型、防侵水型和潜水型等。

3.4 精度等级及功能

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℃，前后置直管段长度要求分别大于10D,3D（通常为5D,2D）甚至提出流量传感器要与前后置直管组成一体在流量标准装置上作实流校准，以减少夹装不善的影响。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。

3.5 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，以异径管连接之。

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%。

3.6 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直至不能使用，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。

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。因为制造厂仪表规范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。是受到一些使用条件限制，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。

4 结论

通过本次的论文写作使我不仅在对电磁流量计方面的工作原理、结构、优缺点、精度等级、选型等方面获得了足够多的知识，而且还有进一步明白了工业生产线的对电磁流量计的工艺要求，更重要的是也让我明白了学科之间的交叉学习和运用的重要性。在查阅大量的网络图书资料的前提下对电磁流量计有了较全面的了解这将使我在未来的工作打下坚实的基础，也使我对毕业设计有了初步的了解。总之，通过此次电磁流量计的资料搜集使我获益颇丰。

参考文献

[1] 王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表[M] .北京：机械工业出版社，2006

[2] 黄智伟.电机控制技术[M].北京航空航天大学出,2010.6

[3] 赵燕.传感器原理及应用[M].北京大学出版社,2007.6

[4] 费业泰.误差理论与数据处理[M].合肥工业大学出版社,2003.6