电磁式流量传感器的用途

一电磁式流量传感器的工作原理及使用
导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。
图1是电磁式流量传感器的工作原理图。在励磁线圈通以励磁电压后，绝缘导管便处于磁力线密度为B的均匀磁场中，当平均流速为v的导电性液体流经绝缘导管时，那么在导线内径为D的管道壁上设置的一对电极中，便会产生如下式所表示的电动势e，即
式中v——液体的平均流速（m/s）
B——磁场的磁通密度（T）
D——导管的内径（m）
液体流动的容积流量
根据上式可以看出，容积流量Q与电动势e成正比。如果我们事先知道导管内径和磁场的磁通密度B，那么就可以通过对电动势的测定，求出容积的流量。
虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。
(1)没有机械可动部分。
(2)由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。
(3)能够得到与容积流量成正比的输出信号。
(4)测量结果不受流体粘度的影响。
(5)由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小。
(6)测量范围宽，可以从0005——190000m3/h。
(7)测量精度高，可达±05%。
使用电磁流量传感器时应注意以下几点：
[1]由于管道是绝缘体，电流在流体中流动很容易受杂波的干扰，因此必须在安装流量传感器管道的两端设置接地环，使流体接地。
[2]虽然流速对精度影响不大，为消除这种影响，应保证上流道有足够的直线长度。
[3]使用电磁流量计时，必须使管道内充满液体。最好是把管道垂直设置，让被测液体从上至下流动。
[4]测定电导率较小的液体时，由于两电极间的内部阻抗比较高，所以信号放大器要有100MΩ的输入阻抗。为保证传感器正常的工作，液体的电导率必须保证在5s/cm以上。
电磁流量传感器可以广泛应用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥、化学药品、食品、矿浆等流体的检测。

一．流量计的分类
按测量原理分有：力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。
按流量计的结构原理进行分类，即分为：容积式流量计、压差式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计。
二．常用流量计的工作原理及应用
1压差式流量计
差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件和检测件与管道的集合尺寸来计算流量的仪表。
应用：差压式流量计应用范围特别广泛,在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用，如流体方面：单相、混相、洁净、脏污、粘性流等；工作方面：常压、高压、真空、常温、高温、低温等；管径方面：从几毫米到几米；流动方面：亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4～1/3。
2浮子流量计
浮子流量计又称转子流量计，是变面积式流量计的一种，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力式由液体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。
应用：浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围宽广的一类流量计，特别在小、微流量方面有举足轻重的作用
3容积式流量计
容积式流量计，又称定排量流量计，简称PD流量计，在流量仪表中是精度的一类，它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。
应用：容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量的流量计，常应用于昂贵介质（油品、天然气等）的总量测量。
4涡轮流量计
涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速，从而且推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪器两部分组成，也可做成整体式。
应用：涡轮流量计在测量石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体获得广泛应用。
5电磁流量计
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。
应用：电磁流量计有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。
6涡街流量计
涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体，流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。当通过流截面一定时，流速与导容积流量成正比。因此，测量振荡频率即可测得流量。
应用：涡街流量计发展迅速，目前已成为通用的一类流量计。
7超声波流量计
超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流量计按测量原理可分为时差式和多普勒式。
应用：传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、怪液、液化天然气等；气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验；多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体，如未处理污水、工厂排放液、脏流程液，通常不适用于非常清洁的液体。
8质量流量计
质量流量计分直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量；间接式质量流量计是用密度计与体积流量间接相乘求得质量流量的。
应用：在现代工业生产中在高温高压的情况下，由于材质和结构等方面的原因，直接式质量流量计的应用遇到困难；而间接式质量流量计由于密度受湿度和压力适用范围的限制，也不好实际应用。
9插入式流量计
插入式流量计工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。
应用：发电及热电联产、供热行业；航空、航天、造船、核能及兵器行业；机械、冶金、煤矿及汽车制造行业；石油、化工行业；医药、食品及烟洒制造行业；森工、农垦及轻工行业等。
10探针式流量计
探针流量计基本原理是将总、静压力通过探针孔和导压管传导至差压、压力传感器内，只要探针孔不堵塞，即使有杂物、挂垢，仍能准确传导压力而不影响精度。因导压管内介质不流动，杂物不易进去堵塞，所以能保持长时间的高精度。
应用：适用范围广。一是适用介质范围广：可测水蒸汽（饱和、过热）、空气、煤气、天然气、各种化工物料气、液、水、各种溶液、油等；介质温度充许650摄氏度、压力允许25Mpa。二是适用流量范围广：介质流量小可测量01吨/时，可测量5000吨/时。三是适用介质管道截面形状范围广：该流量计对介质管道截面的几何形状无要求，如圆形、椭圆形、方形、长方形、菱形等均适用。

天然气流量：在一个标准大气压、20℃的条件下，天然气通过管道气量测算的仪器。根据压力、温度等条件的不同，流量计有不同的型号。按计量天然气流量的多少可分16方等；按类型分有涡轮流量计和皮膜流量计等等。它的功能就是计量天然气使用情况或者天然气小时流量。功能类似于我们家庭使用水表、电表等。

多通道超声波气体流量计的原理及标定
对超声波流量计的研究已有近30年的历史，由于技术条件的限制，以前人们研究的主要是超声波液体流量计。90年代以来，随着科学技术特别是电子技术及传感器技术的发展，超声波气体流量计才日益受到人们的重视，并开始逐步走向实用化、广泛化。
多通道超声波速差法气体流量计采用声速差法，通过精确测量超声波沿气流顺向及逆向传播的声速差，测量各种口径管道内稳态或脉动气流的双向流速、流量。具有测量快速、对气体无流阻、无压力损失、量程宽、测量结果不受气体声速随成分、压力、温度变化的影响、对大管径及脉动气流也能进行正确测量等优点，解决了目前大口径大流量气体缺乏精确、便捷计量手段的难题[1]。
2 多通道超声波速差法气体流量计的原理
采用超声检测技术，通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的声速差、压力和温度，算出气体流速及标准状态下气体的流量。其原理如图1所示；
图中，假设管道内径为D，两换能器间的超声传播
距离为L，超声传播方向与轴线之间的夹角为θ，则管道内换算成标准工况下的气体流量Q可表示为：
图1 流量计原理图
式中，t1、t2分别为超声波顺向传播声时和逆向传播声时，τ1、τ2分别为超声顺向传播和逆向传播时电路、电缆及换能器等产生的声延时，P、T分别为管道中实测的气体压力和温度，P0、T0分别为标准工况下气体的压力和温度。
在实际应用中，流量计采用了多声道的方法来消除流速分布不均匀的影响。
流量计由于采用了获得发明专利的“随机地多次测量时间间隔后平均”、“过零电平检测”、“提高超声发射接收能力”、“尽可能高的时标频率”及多通道等技术自措施，从而大大提高了仪器的测时及流量测试精度。
3 超声波流量计的静态试验
为了检验多通道超声波流量计的稳定性，在安装换能器的超声标准测量短截两端密封(即气体零流速)的情况下进行了为期7天的静态稳定性试验。
7天内流量计的流速测量显示平均值：0002Om/s，标准误差：±00017m/s，流速最大值：00021m/s，流速最小值：－00060m/s。
4 超声波流量计的动态标定
采用与标准长颈喷嘴串接标定的方法。
41 长颈喷嘴流量测量装置
长颈喷嘴流量测量装置如图2所示。当气体在管道中流动而进入喷嘴时，由于流通面积缩小，流线束产生局部收缩，流速加快。其结果导致静压的降低。因而在喷嘴前后产生了静压差，这个静压差与气体流速有关，通过测量此静压差可以求出流量。
图2 长颈喷嘴法流量测量装置示意图
实验中，考虑到喷嘴流速太低时雷诺数太小，气体不为紊流状态，流速太高时，空气又有压缩性，因此喷嘴流速不能太低也不能太高。实验中喷嘴喉部流速基本限制在15~36米/秒之间。此时，通过分析，长颈喷嘴流量测量装置的流量测试精度为±06%[3]。
42 长颈喷嘴法流量标定系统装置
系统框图如图3所示。
图3 长颈喷嘴法流量标定系统示意图
图中，风机由变频调速电机驱动，通过变频调节电机转速或喷嘴打开的个数可以调节流量。喷嘴隔板上共有6个直径为D13Omm的长颈喷嘴，由于喷嘴流速限制在15~36米/秒之间，因此风量范围为700~10000米3/小时，对于D700mm管道，折算到管道内的流速范围为05~70米/秒左右。
在喷嘴测量段，喷嘴隔板前后的静压差由同济大学声学所自行研制的YC-2型数字化超声波微压差计测量，其测量精度经北京中国计量科学研究院标定，在0~500mm水柱范围内为±003%。
5 长颈喷嘴法标定结果
在管道内流速分别为05、10、20、30、40、50、60、70m/s的情况下，对超声波气体流量计进行了正反向流速下的5次重复标定实验。
不同流速下用长颈喷嘴及超声流量计多次重复测量的结果如表1所示。
表1 长颈喷嘴及流量计多次重复测量结果比较表
管道内流速测量
平均值（m/s）
喷嘴流量/超声流量
平均值、标准误差
喷嘴流量/超声
流量的极大值
喷嘴流量/超声
流量的极小值
0561
0990±0005 0996
0985
-0571
0983±0008 0996
0977
0999
0993±0004 0999
0990
-1013
0990±0001 0992
0988
2062
0988±0003 0993
0984
-2054
0990±0003 0994
0987
3043
0995±0004 0998
0990
-3062
0999±0001 1000
0997
3977
0992±0002 0993
0989
-3989
0992±0004 0997
0987
4889
0993±0004 0996
0986
-4907
0993±0004 0996
0986
5904
0997±0002 0999
0994
-5918
0997±0003 1002
0993
6924
0999±0002 1001
0997
-6931
1000±0004 1004
0993
从表1可以看出，超声波气体流量计的重复性很好，在不作任何修正的情况下，-70~70m/s流速范围内16个流速测量点的超声实测流量和标准喷嘴流量的偏差在0~+16%之间，标准误差小于082%。若根据标定结果对流量计进行修正，误差在±08%以内。
6 结论
由超声波气体流量计的静态标定及喷嘴法动态标定的实验结果表明：超声波气体流量计的稳定性、重复性均很好，有巨大的应用前景。

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