電磁流量計
1 概述
電磁流量計（以下簡稱emf）是利用法拉第電磁感應定律製成的一種測量導電液體體積流量的儀表。50年代初emf實現了工業化應用，近年來世界範圍emf產量約佔工業流量儀表台數的5%～6.5%。
70年代以來出現鍵控低頻矩形波激磁方式，逐漸替代早期應用的工頻交流激磁方式，儀表效能有了很大提高，得到更為廣泛的應用。
2 原理與機構
emf的基本原理是法拉第電磁感應定律，即導體在磁場中切割磁力線運動時在其兩端產生感應電動勢。如圖1所示，導電性液體在垂直於磁場的非磁性測量管內流動，與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢，電動勢的方向按「弗來明右手規則」，其值如下式
emf由流量感測器和轉換器兩大部分組成。感測器典型結構示意如圖2，測量管上下裝有激磁線圈，通激磁電流後產生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸，引出感應電勢，送到轉換器。激磁電流則由轉換器提供。
3優點emf的測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管，因不易阻塞適用於測量含有固體顆粒或纖維的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和汙水等。
emf不產生因檢測流量所形成的壓力損失，儀表的阻力僅是同一長度管道的沿程阻力，節能效果顯著，對於要求低阻力損失的大管徑供水管道最為適合。
emf所測得的體積流量，實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率（只要在某閾值以上）變化明顯的影響。
與其他大部分流量儀表相比，前置直管段要求較低。
emf測量範圍度大，通常為20：1～50：1，可選流量範圍寬。
滿度值液體流速可在0.5～10m/s內選定。有些型號儀表可在現場根據需要擴大和縮小流量（例如設有4位數電位器設定儀表常數）不必取下作離線實流標定。
emf的口徑範圍比其他品種流量儀表寬，從幾公釐到3m。可測正反雙向流量，也可測脈動流量，只要脈動頻率低於激磁頻率很多。儀表輸出本質上是線性的。
易於選擇與流體接觸件的材料品種，可應用於腐蝕性流體。
4 缺點
emf不能測量電導率很低的液體，如石油製品和有機溶劑等。不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。
通用型emf由於襯裡材料和電氣絕緣材料限制，不能用於較高溫度的液體；有些型號儀表用於過低於室溫的液體，因測量管外凝露（或霜）而破壞絕緣。
5 分類
6 選用考慮要點
6.1 應用概況
emf應用領域廣泛。大口徑儀表較多應用於給排水工程。中小口徑常用於固液雙相等難測流體或高要求場所，如測量造紙工業紙漿液和黑液、有色冶金業的礦漿、選煤廠的煤漿、化學工業的強腐蝕液以及鋼鐵工業高爐風口冷卻水控制和監漏，長距離管道煤的水力輸送的流量測量和控制。
小口徑、微小口徑常用於醫藥工業、食品工業、生物工程等有衛生要求的場所。
6.2精度等級和功能
市場上通用型emf的效能有較大差別，有些精度高、功能多，有些精度低、功能簡單。精度高的儀表基本誤差為（±0.5%～±1%）r，精度低的儀表則為（±1.
5%～±2.5%）fs，兩者**相差1～2倍。因此測量精度要求不很高的場所（例如非**核算僅以控制為目的，只要求高可靠性和優良重複性的場所）選用高精度儀表在經濟上是不合算的。
有些型號儀表聲稱有更高的精確度，基本誤差僅（±0.2%～±0.3%）r，但有嚴格的安裝要求和參比條件，例如環境溫度20～22℃，前後置直管段長度要求分別大於10d,3d（通常為5d,2d）甚至提出流量感測器要與前後置直管組成一體在流量標準裝置上作實流校準，以減少夾裝不善的影響。
因此在多種型號選擇比較時不要單純只看高指標，要詳細閱讀製造廠樣本或說明書做綜合分析。
市場上emf的功能差別也很大，簡單的就只是測量單向流量，只輸出模擬訊號帶動后位儀表；多功能儀表有測雙向流、量程切換、上下限流量報警、空管和電源切斷報警、小訊號切除、流量顯示和總量計算、自動核對和故障自診斷、與上位機通訊和運動組態等。有些型號儀表的序列數字通訊功能可選多種通訊介面和專用晶元（asic），以連線hart協議系統、proftbus、modbus、config、ff現場匯流排等。
6.3流速、滿度流量、範圍度和口徑
選定儀表口徑不一定與管徑相同，應視流量而定。流程工業輸送水等粘度不同的液體，管道流速一般是經濟流速1.5～3m/s。emf用在這樣的管道上，感測器口徑與管徑相同即可。
emf滿度流量時液體流速可在1～10m/s範圍內選用，範圍是比較寬的。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建議不超過5m/s，除非襯裡材料能承受液流沖刷，實際應用很少超過7m/s，超過10m/s則更為罕見。滿度流量的流速下限一般為1m/s，有些型號儀表則為0.
5m/s。有些新建工程執行初期流量偏低或在流速偏低的管系，從測量精度角度考慮，儀表口徑應改用小於管徑，以異徑管連線之。用於有易粘附、沉積、結垢等物質的流體，選用流速不低於2m/s，最好提高到3～4m/s或強的流體，常用流速應低於2～3m/s ，以降低對襯裡和電極的磨損。
在測量接近閾值的低電導液體，盡可能選定較低流速（小於0.5～1m/s），因流速提高流動雜訊會增加，而出現輸出晃動現象。emf的範圍度是比較大的，通常不低於20，帶有量程自動切換功能的儀表，可超過50～100。
國內可以提供的定型產品的口徑從10mm到3000mm，隨然實際應用還是以中小口徑居多，但與大部分其他原理流量儀表（如容積式、渦輪式、渦街式或科里奧利質量式等）相比，大口徑儀表占有較大比重。某企業近萬台儀表中，50mm以下小口徑、65～250mm中口徑、300～900mm大口徑、1000mm以上超大口徑分別佔37%、45%、15%和3%。
6.4液體電導率
使用emf的前提是被測液體必須是導電的，不能低於閾值（即下限值）。電導率低於閾值會產生測量誤差直至不能使用，超過閾值即使變化也可以測量，示值誤差變化不大，通用型emf的閾值在10-4～（5×10-6）s/cm之間，視型號而異。使用時還取決於感測器和轉換器間流量訊號線長度及其分布電容，製造廠使用說明書中通常規定電導率相對應的訊號線長度。
非接觸電容耦合大面積電極的儀表則可測電導率低至5×10-8s/cm的液體。
工業用水及其水溶液的電導率大於10-4s/cm，酸、鹼、鹽液的電導率在10-4～10-1s/cm之間，使用不存在問題，低度蒸餾水為10-5s/cm也不存在問題。石油製品和有機溶劑電導率過低就不能使用。表1列出若干液體的電導率。
從資料上查到有些純液或水溶液電導率較低，認為不能使用，然而實際工作中會遇到因含有雜質而能使用的例項，這類雜質對增加電導率有利。對於水溶液，資料中的電導率是用純水配比在實驗室測得的，實際使用的水溶液可能用工業用水配比，電導率將比查得的要高，也有利於流量測量。
表1 若干液體在20℃時的電導率
根據使用經驗，實際應用的液體電導率最好要比儀表製造廠規定的閾值至少大乙個數量級。因為製造廠儀表規範規定的下限值是在各種使用條件較好狀態下可測量的最低值。是受到一些使用條件限制，如電導率均勻性、連線訊號線、外界雜訊等，否則會出現輸出晃動現象等。
我們就多次遇到測量低度蒸餾水或去離子水，其電導率接近閾值5×10-6s/cm，使用時出現輸出晃動。
6.5液體中含有混入物
混入成泡狀流的微小氣泡仍可正常工作，但測得的是含氣泡體積的混合體積流量；如氣體含量增加到形成彈（塊）狀流，因電極可能被氣體蓋住使電路瞬時斷開，出現輸出晃動甚至不能正常工作。含有非鐵磁性顆粒或纖維的固液雙相流體同樣可測得二相的體積流量。固體含量較高的流體，如鑽井泥漿、鑽探固井水泥漿、紙漿等實際上已屬非牛頓流體。
由於固體在載體液中一起流動，兩者之間有滑動，速度上有差別，單相液體校驗的儀表用於固液雙相流體會產生附加誤差。雖然還未見到emf應用於固液雙相流體中固形物影響的系統實驗報告，但國外有報告稱固形物含量有14%時誤差在3%範圍以內；我國黃河水利委員會水利科學研究所的實驗報告稱，測量高沙含量水的流量，含沙量體積比17%～40%（沙中值粒徑0.35mm），儀表測量誤差小於3%。
在漿液內有較大顆粒擦過電極表面，在頻率較低的矩形激磁的emf中會產生尖峰狀漿液雜訊，使流量訊號不穩，就要選用較高頻率的儀表或有較強抑制漿液雜訊能力的儀表，也可選用市電交流激磁的儀表或雙頻激磁的儀表。含有鐵磁性物質的流體對通常的emf，因測量管內磁導率受鐵磁體的不同含量而變化，會產生測量誤差。但在磁路中置有磁通檢測線圈補償的emf，可減小混入鐵磁體的影響。
上海光華儀表廠在交流激磁儀表的實驗報告中稱，水中含有液固重量比約4：1，顆粒度≤0.15mm鐵精礦石的礦漿，以80mm口徑儀表作清水和漿液對比流量試驗，通常的儀表示值變化7%～10%，裝有磁通檢測線圈的儀表，示值誤差在±2%fs以內。
對含有礦石顆粒的礦漿應用，應注意對感測器襯裡的磨損程度，測量管內徑擴大會產生附加誤差。這種場合應選用耐磨性較好的陶瓷襯裡或聚氨酯橡膠襯裡，同時建議感測器安裝在垂直管道上，使管道磨損均勻，消除水平安裝下半部區域性磨損嚴重的缺點。也可以在感測器進口端加裝噴嘴形護套，相對延長使用期。
6.6 附著和沉澱
測量易在管壁附著和沉澱物質的流體時，若附著的是比液體電導率高的導電物質，訊號電勢將被短路而不能工作，若是非導電層則首先應注意電極的汙染，譬如選用不易附著尖形或半球形突出電極、可更換式電極、刮刀式清垢電極等。刮刀式電極可在感測器外定期手動刮出沉垢。國外產品曾有電極上裝超聲波換能器，以清除表面垢層，但現已少見。
也有暫時斷開測量電路，在電極簡短時間內流過低壓大電流，焚燒清除附著油脂類附著層。易產生附著的場所可提高流速以達到自清掃的目的，還可以採取較方便的易清洗的管道連線，可不拆卸清洗感測器。非接觸型電極 emf附著非導電膜層，儀表仍能工作，但若為高導電層則同樣不能工作。
6.7 與流體接觸零部件材料的選擇
與流體接觸的感測器零部件有襯裡（或絕緣材料製成的測量管）、電極、接地環和密封墊片，其材料的耐腐蝕性、耐磨耗性和使用溫度上限等影響儀表對流體的適應性。由於零部件少，形狀簡單，材料選擇靈活，電磁流量感測器對流體的適應性強。
（1） 襯裡材料（或直接與介質接觸的測量管）常用襯裡材料有氟塑料、聚氨酯橡膠、氯丁橡膠和陶瓷等。近年有採用高純氧化鋁999.7%ai2o3)陶瓷製成襯裡的，但只限中小口徑感測器。
氯丁橡膠和玻璃鋼用於非腐蝕性或弱腐蝕性液體，如工業用水、廢汙水及弱酸鹼，**最為低廉。氟塑料具有優良的耐化學腐蝕性，但耐磨性差，不能用於測量礦漿液。氟塑料中最早應用的是聚四氟乙烯，因與測量管間僅靠壓貼，無粘結力，不能用於負壓管道，後開發各種改性品種，實現注塑成形，與測量管有較強結合力，可用於負壓， 聚氨酯橡膠有極好的耐磨耗性，但耐酸鹼的腐蝕性較差。
它的耐磨性相當於天然橡膠的10倍，適用於煤漿、礦漿等；介質溫度要低於40～60/70℃。氧化鋁陶瓷有極好的耐磨耗性和對強酸鹼的耐磨腐蝕性，耐磨性約為聚氨酯橡膠的10倍，適用於具有腐蝕性的礦漿；但性脆，安裝夾緊時疏忽易碎，可用於較高溫度（120～140/180℃）但要防止溫度劇變，如通蒸汽滅菌，一般溫度突變不能大於100℃，公升溫150℃ 要有10min時間。通用型emf幾種材料的壓力溫度大體適用範圍可參閱圖4。
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