電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)和誤差調(diào)整

湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李麗霞

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁流量計(jì)的技術(shù)也在一天比一天進(jìn)步，它應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越多，比較的廣泛。特別是其對(duì)液體有比較強(qiáng)的適應(yīng)性，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，它的應(yīng)用范圍尤其廣，它幾乎是測(cè)量液體流量的首選儀表，如測(cè)煤漿用的煤漿電磁流量計(jì)。

二、流量測(cè)量的意義

流量測(cè)量是一門(mén)迅速發(fā)展的技術(shù)，為了滿足各行各業(yè)、各種工況的各種流體的流量測(cè)量需要，儀表研究機(jī)構(gòu)研究開(kāi)發(fā)了各種原理的流量計(jì)，制造廠每年都有新型流量計(jì)供應(yīng)市場(chǎng)。過(guò)去難以解決的流量測(cè)量問(wèn)題，如今有的獲得了解決。尤其是近30年以來(lái)，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)入流量測(cè)量?jī)x表，使流量?jī)x表出現(xiàn)一次飛躍，儀表的功能更加豐富，可靠性得到顯著提高，測(cè)量精確度獲得大幅度的提升，于是0.1級(jí)科氏力質(zhì)量流量計(jì)、精確度優(yōu)于±0.3%R的電磁流量計(jì)等相繼問(wèn)世。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上能買(mǎi)到的流量計(jì)種類已達(dá)百種以上，各種不同類型的流量計(jì)相互競(jìng)爭(zhēng)，并以各自特有的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著一定的市場(chǎng)份額。直至今日，凡是被人們應(yīng)用的類型，都是因?yàn)樗鼈冊(cè)谀承┓矫嬗邢鄬?duì)優(yōu)勢(shì)，而在競(jìng)爭(zhēng)中取勝的后起之秀也并非十全十美，不能期望用一種流量計(jì)覆蓋所有的應(yīng)用領(lǐng)域。

三、關(guān)于電磁流量計(jì)特點(diǎn)、工作原理和量程范圍

（一）電磁流量計(jì)

能源計(jì)量用流量計(jì)往往跟企業(yè)的效益有直接的聯(lián)系，是進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，進(jìn)行能源的科學(xué)管理、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。電磁流量計(jì)圖1（Electromagnetic Flowmeter）是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表，采用單片機(jī)嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字勵(lì)磁，同時(shí)在電磁流量計(jì)上采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線。它是由直接接觸管道介質(zhì)的傳感器和上端信號(hào)轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，是基于法拉第電磁感應(yīng)定律工作的，用來(lái)測(cè)量電導(dǎo)率大于5μs/cm的導(dǎo)電液體的流量，同時(shí)也是一種測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)流量的儀表。除了可以測(cè)量一般導(dǎo)電液體的流量外，還可以用于測(cè)量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性液體和均勻含有液固兩相懸浮的液體，如泥漿、礦漿、紙漿等。

（二）電磁流量計(jì)的分類

電磁流量計(jì)的種類：一體式、插入式、分體式。

效驗(yàn)方法：管道標(biāo)定。

工作原理：是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，再與測(cè)量管軸線和磁力線相垂直的管壁上安裝了一對(duì)檢測(cè)電極，當(dāng)導(dǎo)電液體沿測(cè)量管軸線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。主要有在線和離線校驗(yàn)兩種。

在線校驗(yàn)：采用外夾式超聲波流量計(jì)對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量的管道進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)，驗(yàn)證電磁流量計(jì)是否偏差過(guò)大。這種方法精度偏低，只能定性的判定結(jié)果。

離線檢驗(yàn)：就是在標(biāo)定裝置上進(jìn)行檢驗(yàn)，一般介質(zhì)為水。標(biāo)定裝置有容積式標(biāo)準(zhǔn)裝置、稱重式標(biāo)準(zhǔn)裝置兩大類。通過(guò)標(biāo)定就可以準(zhǔn)確地得出被測(cè)的電磁流量計(jì)精度了。

按流量傳感器與管道連接方式分類，有螺紋連接(油任連接的高壓電磁流量計(jì))、夾持型(電磁流量計(jì))、法蘭型、衛(wèi)生型(電磁流量計(jì))、插入型(電磁流量計(jì))。按轉(zhuǎn)換器與傳感器組裝方式分類，有分體型和一體型。

按流量傳感器電極是否與被測(cè)液體接觸分類，有接觸型和非接觸型。

按流量傳感器結(jié)構(gòu)分類，有短管型和插入型（電磁流量計(jì)）。

按用途分類，有防侵水型、防爆型、衛(wèi)生型、通用型和用于明渠流量測(cè)量的潛水型（明渠流量計(jì)）。

電磁流量計(jì)按激磁電流方式分為直流激磁，交流激磁，低頻矩形波激磁，雙頻激磁。

電磁流量計(jì)按輸出信號(hào)連接和激磁(或電源)連線制式分為四線制，二線制。

電磁流量計(jì)是應(yīng)用導(dǎo)電體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又和流量大小成正比，通過(guò)測(cè)電動(dòng)勢(shì)來(lái)反映管道流量的原理而制成的。其測(cè)量精度和靈敏度都較高。工業(yè)上多用以測(cè)量水、礦漿等介質(zhì)的流量。可測(cè)最大管徑達(dá)2m，而且壓損極小。但導(dǎo)電率低的介質(zhì)，如氣體、蒸汽等則不能應(yīng)用。

電磁流量計(jì)造價(jià)較高，且信號(hào)易受外磁場(chǎng)干擾，影響了在工業(yè)管流測(cè)量中的廣泛應(yīng)用。為此，產(chǎn)品在不斷改進(jìn)更新，向微機(jī)化發(fā)展。

圖1 電磁流量計(jì)

表1 準(zhǔn)確度等級(jí)和最大允許誤差

圖2 電磁流量計(jì)工作原理

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，流動(dòng)工質(zhì)的溫度、壓力等運(yùn)行參數(shù)不斷提高，在高溫高壓的情況下，由于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等方面的原因，直接式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用遇到困難，而間接式質(zhì)量流量計(jì)由于密度計(jì)受濕度和壓力適用范圍的限制，往往也不好實(shí)際應(yīng)用。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的是溫度壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)。可把它看作一種間接式質(zhì)量流量計(jì)，不是配用密度計(jì)，而是利用溫度、壓力與密度間的關(guān)系，用溫度、壓力信號(hào)經(jīng)函數(shù)運(yùn)算為密度信號(hào)，與容積流量相乘而得到質(zhì)量流量.目前溫度、壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)雖已實(shí)用化，但當(dāng)被測(cè)介質(zhì)參數(shù)變化范圍很大或很迅速時(shí)，正確地補(bǔ)償將很困難或不可能，因此進(jìn)一步研究在實(shí)際生產(chǎn)中適用的質(zhì)量流量計(jì)和密度計(jì)還是一個(gè)課題。

（三）電磁流量計(jì)的工作原理

電磁流量計(jì)測(cè)量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。流量計(jì)的流量管內(nèi)壁襯上了絕緣材料，是一種非導(dǎo)磁合金短管。兩只電極沿著管徑方向穿通管壁從而固定在測(cè)量管上。它的電極頭與襯里內(nèi)表面基本上是齊平的。歷次線圈由雙向方波脈沖勵(lì)磁時(shí)，將在與測(cè)量管軸線垂直的方向上產(chǎn)生一磁通量密度為B的工作磁場(chǎng)。這個(gè)時(shí)候，如果具有一定電導(dǎo)率的流體經(jīng)過(guò)測(cè)量管時(shí)，將會(huì)切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)E。電動(dòng)勢(shì)E與磁通量彌補(bǔ)B成正比關(guān)系，測(cè)量管內(nèi)徑d與平均流速v的乘積。電動(dòng)勢(shì)E（流量信號(hào)）由電極檢測(cè)出并通過(guò)電纜送至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將接收到的流量信號(hào)放大進(jìn)行處理后，即可顯示流體流量，同時(shí)能輸出脈沖，模擬電流信號(hào)，用于流量的調(diào)節(jié)和控制。

E=KBdv，式中：E-電極間的信號(hào)電壓(v)；B-磁通密度(T)；d-測(cè)量管內(nèi)徑(m)；V-平均流速(m/s)。K，d為常數(shù)，由于勵(lì)磁電流是保持恒流的，故B也是常數(shù)，則由E=KBdv可知，體積流量Q與信號(hào)電壓E成正比，即流速感應(yīng)的信號(hào)電壓E與體積Q成線性關(guān)系。因此只要測(cè)量出E就可以確定流量Q，這就是電磁流量計(jì)的基本工作原理。

該電磁流量計(jì)的工作原理可以如下圖2所示：

（四）電磁流量計(jì)的量程范圍

一般工業(yè)用電磁流量計(jì)被測(cè)介質(zhì)流速以2-4m/s為宜，在特殊情況下，最低流速應(yīng)不小于0.2m/s，最高應(yīng)不大于8m/s。若介質(zhì)中含有固體顆粒，為防止襯里和電極的過(guò)分磨擦，常用流速應(yīng)小于3m/s，對(duì)于電磁流量計(jì)粘滯流體，流速可選擇大于2m/s，較大的流速有助于自動(dòng)消除電極上附著的粘滯物的作用，有利于提高測(cè)量精度。

四、電磁流量計(jì)流量時(shí)易產(chǎn)生誤差的原因及解決辦法

1.準(zhǔn)確度等級(jí)。流量計(jì)在規(guī)定的流量范圍內(nèi)準(zhǔn)確度等級(jí)、最大允許誤差應(yīng)符合表1的規(guī)定。流量計(jì)誤差表示使用相對(duì)示值誤差。

2.引用誤差。對(duì)于用于瞬時(shí)流量指示的流量計(jì)誤差表示也可使用引用誤差，其最大允許誤差系列應(yīng)符合表1規(guī)定，其檢定結(jié)果的標(biāo)書(shū)中不再給出準(zhǔn)確等級(jí)，而使用其最大允許誤差表示，且還應(yīng)在最大允許誤差后標(biāo)注FS，如±0.5%FS。

3.誤差表示方法和選取原則。在一臺(tái)流量計(jì)的一次檢定中，應(yīng)按照準(zhǔn)確度等級(jí)和引用誤差之中的一種給出流量計(jì)誤差表示方法；對(duì)于使用相對(duì)示值誤差和引用誤差組合表示誤差的流量計(jì)，一次檢定中也應(yīng)統(tǒng)一使用一種方法表示其誤差。

4.重復(fù)性。流量計(jì)的重復(fù)性不得超過(guò)相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)規(guī)定的最大允許誤差絕對(duì)值的1/3。電磁測(cè)量計(jì)的局限性在于其傳感器輸出的訊號(hào)比較微弱，只有幾微伏到幾毫伏的電壓，這就說(shuō)明了在安裝電磁流量計(jì)時(shí)要具備很高的技術(shù)，同時(shí)被測(cè)介質(zhì)與周圍環(huán)境對(duì)電磁流量計(jì)的測(cè)量精度也有很大的影響。

不同的介質(zhì)對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量會(huì)有誤差，對(duì)現(xiàn)實(shí)工況條件下流量的修定方法，當(dāng)前瞬時(shí)流量為Q1，K系數(shù)為K1時(shí)，要調(diào)整當(dāng)前流量，可以通過(guò)修改當(dāng)前K系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)際想要的流量為Q2時(shí)，就需要修改當(dāng)前K系數(shù)K1的值。

假定新的K系數(shù)值為K2，K2就等于實(shí)際想要的流量Q2除以瞬時(shí)流量為Q1，乘以當(dāng)前的k系數(shù)K1。

即：K2=(Q2/Q1)*K1

例：表上顯示當(dāng)前瞬時(shí)流量為Q1=3.1821，表內(nèi)K系數(shù)K1=0.831(各個(gè)表不同，實(shí)際想要的流量Q2=3.8258，則可以通過(guò)修改K1來(lái)得到實(shí)際想要的流量即：K2=(Q2/Q1)*K1=（3.8258/3.1821)×0.831=0.999，將得到的K2，重新輸入表中，替代原來(lái)的K1，將得到新的瞬時(shí)流量Q2。

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