电磁流量计的测量原理及其在工程设计中的应用

张皓，杨金城

(1. 中国五环工程有限公司 电控室， 武汉 430223；2. 中石化扬子石油化工股份有限公司 烯烃厂， 南京 210048)

在石化、化工、电力、冶金、市政、制药等行业，流量测量的技术难度和复杂程度都相当高，研究流量测量对于提高产品质量、降低企业的经营成本、解决节能环保起到重要作用。电磁流量计具有无阻力，无压损的优点，可以充分减小管道内的阻力，符合节能降耗的要求，因而电磁流量计在业界得到广泛的重视。笔者介绍了电磁流量计的测量原理、特点和适用场合，提出了在工程设计中选用电磁流量计需考虑的因素及电磁流量计的安装要求。

1 测量原理

电磁流量计的测量原理是根据法拉第电磁感应定律测量流速，再测量流通截面液位高度得流通面积，两者相乘得到所测流量[1]，电磁流量计测量原理如图1所示，电磁流量计实际测量介质流速，是一种速度式流量计。电磁流量计的测量原理依据以下公式表述：

图1 电磁流量计测量原理

Ue=kBLv

(1)

qV=L2vπ/4

(2)

因此

Ue=4kBqV/πL

(3)

式中：Ue—感应电动势，即流量信号,V；B—磁感应强度,T；L—电极间距,即测量管内径,m；v—液体平均流速,m/s；qV—液体体积流量，m3/s。

2 适用范围和优点

电磁流量计广泛用于导电液体或液固两相介质的体积流量测量，如其他仪表不能测量的各种酸、碱、盐等高腐蚀性、易结晶的溶液的流量，泥浆、矿浆、水煤浆、纸浆、浆料等液固介质和纯水、污水等相对简单的导电介质的流量。电磁流量计要求被测介质电导率一般应大于5 μS/cm。电磁流量计由流量传感器和转换器两部分组成，与其他类型的流量计相比，其优点如下：

1) 传感器测量管是一段无阻流检测件的直管，因而检测流量时不会造成压力损失，节能效果好。

2) 适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固两相流体，如纸浆、煤粉浆、矿浆、污水及酸、碱、盐溶液等具有一定电导率的液体，所测体积流量不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率的影响。

3) 测量范围大，量程比一般大于10∶1，最高可达100∶1。流速范围一般为1～6 m/s，也可扩展到0.5～10.0 m/s。测量管径范围为2 mm～3 m[2]。

4)Ue与qV成线性关系，故仪表具有均匀刻度，且所测得流体的体积流量与介质的物性(如温度、压力、密度、黏度)无关，所以电磁流量计只需用水标定后，即可用来测量其他导电介质的体积流量，无需修正[2]。

5) 测量口径大，适用于大管径液体流量的测量。

6) 与其他大部分流量仪表相比，所要求的前置直管段较低。

3 工程设计中需考虑的因素

3.1 工艺过程条件

选用电磁流量计通常需要考虑的工艺条件如下：

1) 被测介质电导率。电磁流量计测量的流体必须是导电的，一般只要电导率超过阈值，即使变化也不影响测量值，但低于阈值将会增大测量误差；通常要求液体电导率不小于5 μS/cm， 去离子水电导率不小于20 μS/cm。

2) 被测介质温度。根据被测工艺介质的温度范围，选择测量管内衬材料及传感器线圈的漆包线的耐温等级，即衬里材料应与介质温度相适应，常用测量管衬里材料建议根据表1选择。

表1 常用衬里材料的适用温度范围 ℃

3) 被测介质压力。根据被测工艺介质的压力，结合介质的设计温度来确定电磁流量计传感器的过程连接法兰压力等级，常用标准压力等级有PN40，PN16，PN10，PN6；美国标准ASME B16.5 Class 150，Class 300。选用电磁流量计时还需注意压力等级与流量计口径有关。

4) 工艺介质流量范围及工艺管道的管径。根据管道口径和介质流速确定电磁流量计传感器的标称口径。通常选用与管道相同或略小的口径，管道内平均流速根据情况而定，一般工业输水管道为经济流速1.5～3 m/s，易黏附沉积结垢物质流速宜为3～4 m/s，矿浆等磨蚀性强的介质流速宜为2～3 m/s，电磁流量计液体流速可在1～10 m/s选用[1]。

5) 介质状态。介质含有固体颗粒对传感器内衬及电极有磨蚀作用，如果被测介质含有固体颗粒，衬里需选用高耐磨性材料，如陶瓷或聚氨酯橡胶[1]。

6) 介质的腐蚀性。由于电极和衬里与介质直接接触，电极和衬里的耐腐蚀特性应与介质的腐蚀性相匹配。

7) 工艺管道材质。根据安装电磁流量计所在的管道材质是金属还是绝缘材料，确定是否采用接地法兰。

3.2 环境条件

1) 根据安装区域是否属于爆炸危险区域，确定是否选择防爆型电磁流量计，并按照爆炸危险区域划分等级选择满足仪表所在区域防爆要求的电磁流量计。

2) 根据电磁流量计的实际安装地理位置，并按照GB 4208—2008《外壳防护等级(IP代码)》或IEC529—2001Degressofprotectionprovidedbyenclosures(IPCode)，确定电磁流量计的类型及防护等级。若仪表安装在地面以下，易被水淹没，宜选用分体型电磁流量计，且传感器防护等级应选用IP68的仪表；若仪表安装在地面以上，防护等级可选用IP65到IP67；同时，对分体型电磁流量计所提供电缆长度应根据实际安装位置确定。

3.3 材 料

1) 测量管材料。测量管材料应为非磁性材料，通常为1.4301不锈钢或1.4306/304L不锈钢。

2) 法兰。过程连接法兰材料通常为A105，F316L(1.4571/316L)。

3) 电极材料。电极材料应根据被测介质的成分及金属的耐腐蚀性选用。

4) 衬里材料。衬里材料应根据被测介质的腐蚀性、磨损性及介质的最高温度来选择。

5) 接地环(或接地电极)。接地环或接地电极的材质应根据介质的成分及金属耐腐蚀性选择，常用的接地环或接地电极材料： 316L不锈钢、哈氏合金、钽。通常接地电极的材质与测量电极相同。

4 安 装

在工程实际应用中，为了确保电磁流量计的正常运行及测量精度，接地极的正确安装是极为重要的一个环节。

4.1 接 地

由于电磁流量计测量的是微弱电势，需排除一切外界干扰才能准确测量，因而良好的接地是保障电磁流量计稳定工作的必要条件。通常接地是通过接地环或传感器内的参考电极和管路系统的接地连接来实现。

1) 当电磁流量计安装在已接地的金属管道上，通过电磁流量计变送器上的接地端子实现系统电势平衡，即通过截面积不小于6 mm2的铜芯电线连接至接地端子上。

2) 当电磁流量计安装在未接地的金属管道上，2个法兰均通过截面积至少为6 mm2的铜芯电线与管道法兰相连接，并接地；将变送器或传感器接线盒连接至接地端子上，实现系统电势平衡。

3) 当电磁流量计安装在塑料管道或带绝缘内衬的管道上，通过附加接地环实现系统电势平衡，接地环通过截面积至少为6 mm2的铜芯电线连接至接地端子上。

4.2 直管段要求

为了保证电磁流量计的正常运行，减少测量误差，电磁流量计前后应符合一定的直管段要求。根据JJG 1033—2007《电磁流量计核定规程》测试标准要求，通常前直管段应达到10D，后直管段应为5D；根据实际经验，在大部分应用场合，流量计前直管段最少不小于5D，后直管段最少不小于3D。

4.3 安装位置

通常，电磁流量计设计时需特别注意以下几点：

1) 变送器要选择在任何时候测量导管内都能充满液体的位置进行安装，以防止由于测量导管内没有液体而产生指针不在零点引起的错觉。最好是垂直安装，减少由于液体流过在电极上产生气泡而造成的误差。

2) 电磁流量计测量管中出现气体积聚或有气泡现象时，会增大测量误差，所以要避免将电磁流量计传感器安装在管道的最高点。

3) 电磁流量计传感器不应安装在泵的入口侧，避免抽液时形成负压损坏测量管内衬。

4) 尽量避免安装在有振动的地方，若不可避免，应加固管路系统和传感器，当振动十分剧烈时，宜选用分体式电磁流量计，将变送器和传感器分开安装。在高空管道上，也要尽量选用分体式电磁流量计，将传感器安装在高空管道上，将变送器安装在地面上的易观察处，方便巡查和维修。

5) 电磁流量计信号微弱，在满量程时只有2.5～8.0 mV，流量很小时，输出只有几微伏。要避免将电磁流量计安装在有电磁场和电磁场变化剧烈的地方，如大型变压器、电机等强电磁设备附近。

6) 变送器和二次仪表必须使用电源中的同一根相线，否则会由于检测信号和反馈信号相位差120°，导致仪表不能正常工作[3]。

7) 对于含固颗粒的液体流量测量，电磁流量检测器宜垂直安装，并且流体的流向应自下而上。

4.4 选型中需要注意的问题

电磁流量计的测量管内衬材料有多种，其中耐腐蚀性能好的是聚四氟乙烯，目前最新的技术成果开发了陶瓷内胆衬里，此种材料既防腐蚀又耐磨。电极材料的选择要严格按照选型要求进行，应以满足需要为原则，不盲目选择贵金属。在化工生产中铂是一种性能很好的催化剂，某些介质在一定的条件下与铂接触后易发生化学反应，铂电极的电磁流量计在测量双氧水时，会在电极表面生成气雾，流量为零时，输出也会波动[4]。

由于腐蚀性介质的种类多种多样，提供腐蚀性介质给制造厂商进行研究，由制造厂商提供试用材料，在规定的条件上挂片试验样机。

5 应用案例分析

5.1 在循环冷却水站及尿素装置中的应用

2012年1月建成并投运的某项目的循环冷却水站及尿素装置液体流量测量点的特点： 循环冷却水站的工艺管径大、压力低、水中含有氯化物等腐蚀性介质，而且工艺管道敷设在地面以下；尿素装置流量测量介质有熔融尿素、甲氨溶液等，具有腐蚀性强、易结晶的特点。同时要求仪表测量精度优于±0.5%。鉴于上述工况特点及要求，选用德国Khrone公司的电磁流量计，表2为该项目工况条件及电磁流量计的性能指标。其中，循环冷却水站的电磁流量计选用分体型，检测器的防护等级为IP68，信号转换器的防护等级为IP67；尿素装置所用电磁流量计的防护等级为IP67，仪表运行至今效果良好。

表2 循环水站及尿素装置电磁流量计的性能指标及对应的工况

5.2 在乙烯碱洗塔系统中的应用

乙烯碱洗塔系统中采用20%质量分数的离子碱注入塔内，与塔内的洗涤水液混合形成三段不同质量分数的碱液，对裂解气压缩机Ⅲ段出来的裂解气进行洗涤，从而脱除乙烯裂解气中的H2S和CO2等杂质，经过三段洗涤后，在最后一段杂质生成碳酸氢钠后排出塔。洗涤后的裂解气进入压缩机的高压段继续压缩并进入后系统进一步分离处理。

由于离子碱具有较强的腐蚀性，测量难度大。原设计采用差压变送器测量方案，在使用过程中因引压管和三阀组内的物料结晶频繁，无法正常工作。经过多方评估，最后选择了德国Khrone公司的铂金电极的电磁流量计，该流量计具有强抗腐蚀的铂金电极和PTFE内衬，刚开始仪表指示正常，但不久均失灵，经多方面查找原因，系内衬损坏导致电极被腐蚀损坏，仪表无法工作。经过多方调研和交流，在再次改造中选择了横河电机公司的电容式无电极电磁、配置陶瓷内胆的电磁流量计，该流量计以外壁作为测量电极，配以内部陶瓷内胆，具有极高的耐磨性和防腐蚀性能，彻底改变了原有电磁流量计配备专用电极的局限性，很好地解决了该工况中的测量问题。

6 结束语

综上所述，电磁流量计因其独特的优点，在石化、化工等行业得到广泛应用。用户在选用电磁流量计时应充分掌握测量工况的各项条件及其安装要求，了解电磁流量计安装所处的环境条件，以确保正确地选用电磁流量计，提高测量仪表的准确性和稳定性。

参考文献：

[1] 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M]. 3版.北京： 化学工业出版社，2000.

[2] 乐嘉谦.仪表工手册[M].北京： 化学工业出版社，1998.

[3] 乐嘉谦，王立奉，邵勇.化工仪表维修工[M].北京： 化学工业出版社，2005.

[4] 纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].北京： 化学工业出版社，2003.

[5] 左景伊，左禹. 腐蚀数据与选材手册[M].北京： 化学工业出版社，1995.

[6] 王月明，孔令富，李英伟.油气泡对电磁流量计影响径向仿真研究[J].化工自动化及仪表，2013，40(09)： 1134-1136.