刍议电磁流量计在钢铁行业中的应用

引言

电磁流量计是20世纪60年代随着电子技术发展而迅速开发的新型流量测量仪表。它根据法拉第电磁感应定律制成，用来测量导电流体的体积流量，由于其独特的优点，目前已广泛地应用于国内钢铁行业中的各种导电液体的测量。

随着生产企业对工艺设备进行大规模的自动化改造，大部分工艺设备都实现了基础级设备自动化和过程控制自动化，多数自动化设备采用了国外先进的PLC或DCS系统，过程自动化对设备进行全面的信息监控，将检测仪表系统采集的高精度电磁流量计数据传送到中央控制室。

电磁流量计在使用过程中常出现一些故障，有的是由于仪表本身元器件损坏引起的故障，有的是由于选用不当、安装不妥、环境条件、流体特性等因素造成的故障等。因此，合理选择与正确安装电磁流量计，并进行有效维护，对于保证测量准确度、提高使用寿命都是很重要的。

1 电磁流量计的原理和结构

1.1 主要特点

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律，测量导电液体的流量。

它的主要特点：测量通道是光滑直管，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；不产生因检测流量所形成的压力损失；不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率变化影响；对前置直管段要求较低；测量范围大，通常为20：1～50：1；不能用于较高温度的液体测量。

电磁流量计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。

1.2 基本原理

测量原理是基于法拉第电磁感虚定律。即：导电液体在磁场中作切割磁力线运动，导体中产生感应电动势，其感应电动势E为

式中：E为感应电动势，即流量信号，V；K为仪表常数系数；B为磁感应强度，T；D为测量管的内径值，m；υ为测量管界面的平均流速，m/s。

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，且与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，设置液体的体积流量时，则式（1）中K=4B/（ぇD）。

图1 流量测量的原理图

在管道直径确定，磁感应强度不变的条件下，体积流量与电磁感应电势有一一对应的线性关系，而与流体密度、黏度、温度、压力和电导率无关。

1.3 电磁流量计的流量传感器

电磁流造计由流鲢传感器和转换器两大部分组成。

流量传感器由以下部分构成：外壳，磁路系统，测量管，衬里，电极。

传感器典型结构示意如图2所示，测量管上下装有励磁线圈，通过励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。

图2 流量传感器示意图

传感器各部分的主要功能如下：

（1）外壳。由铁磁材料制成，保护励磁线圈，隔离外磁场的干扰。

（2）磁路系统。产生均匀的直流或交流磁场，直流磁场可用永久磁铁来实现，结构简单，工业现场电磁流量计，一般都采用交变磁场。 [page]

（3）测量管。流过被测流体，两端设有法兰，用作连接管道。测量导管采用由不导磁、低导电率、低导热率并具有一定机械强度的材料制成，一般可选用不锈钢、玻璃钢、铝及其他高强度的材料。

（4）衬里。增加测量导管的耐磨性与抗腐蚀性，防止感应电势被金属测量导管壁所短路。在测量导管的内壁有一层耐磨、耐腐蚀、耐高温的绝缘材料。

（5）电极。正确引出感应电势信号用不锈钢非导磁材料制成，安装时要求与衬里齐平。

1.4 电磁流量计的转换器

转换器的主要功能是放大感应电势、抑制主要的干扰信号。

它采用交变磁场克服了极化现象，但增加了电磁正交干扰信号，正交干扰信号的相位和被测感应电势相差900。

消除正交干扰的方法是将信号引出线进行自动补偿。转换器的放大电路具有反馈补偿。

电磁流量转换器的作用是把电磁流量计变送器输出的毫伏信号放大，并转化成与介质体积流量成正比的0～5V或4～20mA的标准电流信号或0～10kHz的频率信号，以便于显示，并可和电动单元组合仪表或PLC配套使用。

2 电磁流量计的选择与安装

选择时主要考虑的是安装口径，电磁流量计在大口径仪表系列中，较多应用于给排水工程。中小口径的常用于固、液双相流等较难测流体或高要求场所，如高炉水处理系统的流量控制和检测，以及高炉冷却壁进出水的流量控制和监漏。

2.1 电磁流量计选择的要素

2.1.1 测量精度。通用型电磁流量计的性能有较大差别，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％）FS，精度低的仪表则为（±1.5％-±2.5％）FS（全量程），两者价格相差1～2倍。因此测量精度要求不很高的场所（例如非经济核算仅以控制为目的，只要求高可靠性和重复性的场所），选用高精度仪表在经济上是不合算的。

例如：在连铸机的生产工艺过程中，对于二冷水水量检测和控制，直接关系到连铸机的冷却效果，我们选用了精度较高的流量计。

2.1.2 液体流速。选定电磁流量计的口径不一定与管径相同，要视流量而定。工业输送水等黏度不同的液体，管道流速一般是经济流速，即1.5～3m/s。电磁流量计用在这样的管道上，传感器口径与管径相同即可。满度流量时，液体流速可在1～10m/s范围内选用。用于有易黏附、沉积、结垢等物质的流体，选用流速不低于2m/s，并带自清扫、防止黏附沉积等作用。

2.1.3 管径口径。电磁流量计的口径范围为1O～3000mm，实际应用还是以中小口径居多，与大部分其他原理检测流量仪表（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。

例如：在50t高阻抗电弧炉中，对于水冷炉盖和水冷炉壁的冷却水量检测和控制，考虑到这两部分冷却设备有不间的消耗量，我们分别选用了两种不同口径的流量计。

2.1.4 液体电导率。使用电磁流量计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屋误差直至不能使用，不超过阈值即使变化也可以测量，示值误差变化不大，通用型电磁流量计的阈值在10-4～（5×10-6）S/cm之间，视型号而异。使用时还取决于传感器与转换器间流量信号线长度及其分布电容。

2.2 电磁流量计传感器的安装

2.2.1 安装场所。尽可能避免测量管内变成负压；选择震动小的安装场所，特别对一体型仪表；避免附近有大电机、大变压器等引起的电磁场干扰；易于实现传感器单独接地的场所；尽可能避开周围环境有高浓度腐蚀性气体；环境温度在-25/-10～50/60℃范围内；环境相对湿度在10％～90％范围内；尽可能避免受阳光直照；避免雨水浸淋，不会被水浸没。

2.2.2 直管段长度要求。长度与大部分其他流量仪表相比要求较低。900弯头、T形管、同心异径管、全开闸阀后通常认为只要离电极中心线5倍直径（5D）长度的直管段，不同开度的阀则需10D；下游直管段为2～3D或无要求；各标准或检定规程所提出上下游直管段长度亦不一致，要求比通常要求高。这是由于为保证达到当前0.5级精度流量仪表的要求。

例如：在50t高阻抗电弧炉中，对于水冷炉盖和水冷炉壁的冷却水量检测，由于工厂管网接口法兰与电弧炉冷却水设备的水分配器之间弯道较多，直管段长度未能达到流量仪表的要求，导致冷却水量的检测数值波动很大，无法准确计量，后来调整了流量仪表的检测点，电弧炉冷却水的流量数据才稳定下来。

2.2.3 安装仪表的接口方向不受限制。

2.2.4 接地。传感器必须单独接地，保持等电位，以保证稳定地进行测量，变送器外壳与金属管两端应有良好的接地，转换器外壳也应接地。接地电阻<10Ω。为了避免干扰信号，变送器和转换器之间的信号必须用屏蔽导线传输，不允许把信号电缆和电源线平行放在同一电缆钢管内敷设。

3 电磁流量计的使用和维护

3.1 安装调试

3.1.1 安装方面。通常是电磁流量传感器的安装位置不正确引起的故障，常见的如将传感器安装在易积聚气体的管路最高点；或安装在自上而下的垂直管上，可能出现排空；或传感器后无背压，流体直接排人大气而形成测量管内非满管。

3.1.2 环境方面。通常主要是管道杂散电流干扰，空间强电磁波干扰，大型电机磁场干扰等。管道杂散电流干扰通常采取良好的单独接地保护就可获得满意结果，但如遇到强大的杂散电流，尚需采取另外措施和流量传感器与管道绝缘等。

3.1.3 流体方面。被测液体中含有均匀分布的微小气泡通常不影响电磁流量计的正常工作，但随着气泡的增大，电磁流量计输出信号会出现波动，若气泡大到足以遮盖整个电极表面时，随着气泡流过电极会使电极回路瞬间断路而使输出信号出现更大的波动。

3.2 工作运行运行期间故障一般由电磁流量计传感器内壁附着层、雷电打击以及环境条件变化等因素引起。

3.2.1 传感器内壁附着层。由于电磁流量计常用来测量工业用水等流体，运行一段时间后，常会在传感器内壁积聚附着层而产生故障。所以，应及时清除电磁流量计测量管内的附着结垢层。

3.2.2 雷电打击。雷击容易在仪表线路中感应出高电压和浪涌电流，使电磁流量计损坏。它主要通过电源线或励磁线圈或传感器与转换器之间的流量信号线等途径引入，尤其是从控制室电源线引入占绝大部分。

3.2.3 环境条件变化。在调试期间由于环境条件尚好，电磁流量计工作正常，此时往往容易疏忽安装条件。在这种情况下，一旦环境条件变化，运行期间出现新的干扰源，就会干扰仪表的正常工作，电磁流量计的输出信号就会出现波动。

4 结束语

综上所述，电磁流量计作为流量测量仪表，在钢铁领域得到了越来越广泛的应用，特别是近年来从国外引进的智能化电磁流量计，内置微处理器和程序控制，且带通信接口，功能更强，编程方便，因而具有更强的生命力。但是如果设计选型及安装不当，不仅无法发挥其优越性，还会给企业带来损失，从而会阻碍电磁流量计的应用和推广。因此，在工程应用中，电磁流量计的正确选型及安装是极为重要的两大环节，必须引起高度重视。同时再采取有效的措施加以维护，就能避免或减少故障的发生，并保证测量的准确度、提高电磁流量计的使用寿命。(end)