化学工程与材料工程系化工设备与程序控制.docx
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化学工程与材料工程系化工设备与程序控制
南台科技大學
化學工程與材料工程系
化工設備與程序控制
電磁流量計
班級：
四化材三甲
學生：
邱宇涵49640008
黃小萍49640013
廖家汶49640018
詹于慧49640026
洪伶鳳49640027
陳詩涵49640907
指導老師：
陳木陽
報告日期：
2010年6月2日
1、前言
我們選擇流量計為主題，因為流量計可分成許多不同的種類，例如:
文氏管、超音波、電磁…等，所以我們想探討電磁流量計，因為它適合較多種的流體且較廣泛被使用。
目前電磁流量計可被用在涉及汙水、化工、醫藥、造紙、食品等各個行業。
電磁流量計是由法拉第電磁感應定律而製成的。
二、流量儀器1
（一）流量計之種類
1.流孔板及限流板11.靶流量計
2.面積式流量計12.正位移式流量計
3.差壓式傳送器13.輪葉式流量計
4.文氏管14.質量流量計
5.流嘴15.電磁流量計
6.皮式管16.漩渦流量計
7.溫差型質量流量計17.觀察式流量指示器
8.超音波式敝槽引水溝
9.超音波流量計
10.切V型流量計
（二）流量計選擇之原理
流量計之選擇條件是依管子、流量之大小及流體之物性及化性之不同，其分析如下所述：
1.壓力損
（1）高壓力損：
流孔板及限流板、面積式、正移式。
（2）低壓力損：
文氏管、流嘴、皮式管、輪葉式、漩渦式。
（3）無壓力損：
超音波敝槽引水溝、超音波式、電磁流量計。
2.適應性
（1）不能用於測氣體或蒸氣：
電磁式、超音波敝槽引水溝。
（2）可測量任何液體：
電磁式、切V型式。
（3）兩相流體且帶有顆粒狀：
超音波式、電磁式、文氏管。
（4）可測低流速：
流孔板、超音波式敝槽引水溝、正位移式、電磁式。
3.輸出信號之比例讀數
（1）開根號（0～10√）輸出：
流孔板、文氏管、流嘴、皮式管。
（2）線性（0～100）輸出：
超音波式、正位移式、質量式、電磁式、漩渦式。
三、電磁流量計
（一）儀器之構造2
電磁流量計是由感測器及轉換器所組成，結構上可分為一體型與分離型，分離型之間由一條多心之電纜來傳送信號。
1.感測器
感測器主要由測量導管、測量電極、電磁線圈、鐵芯、磁軛和殼體組成。
（1）測量導管：
由不銹鋼導管、襯裡和連接法蘭組合而成，為被測液體現場工況測量的載體。
（2）測量電極：
安裝在測量導管內側壁，與軸流方向垂直，使測量液體產生信號的一對電極。
（3）電磁線圈：
在測量導管內產生磁場的上下兩個勵磁線圈。
（4）鐵芯和磁軛：
將勵磁線圈產生的磁場導入液體，並構成磁回路。
（5）殼體：
儀錶外包裝。
2.轉換器
即為智慧二次表，其將流量信號放大處理經單片機運算後，可顯示流量、累計量，並能輸出脈衝、類比電流等信號，用於流體流量的計量或控制。
圖1電磁流量計之原理示意圖
圖2電磁流量計剖面圖
（二）原理3-7
1.法拉第原理
法拉第感應定律（Faraday’slawofinduction），此定律敘述：
在一個磁場中（B），若以垂直於此磁場之導體（L），以某一速度（V）切割此磁場中之磁力線時，便會感應一個電壓（E），其關係式如下：
E=BLV －
其中：
E代表感應電壓
L代表導體長度
V代表運動速度
B代表磁通密度
由
式知道是向量的乘積項，因此若想得到最大的感應電壓，則運動方向與磁場方向必須垂直。
另外，若導體的長度固定，且磁通密度也固定時，則感應電壓和運動速度成正比，也就是
。
2.電磁流量計原理
電磁流量計測量原理依據於法拉第電磁感應定律，
式為發電機之基本作用原理，在發電機中導體為電線，但是在電磁流量計中，則為具導電性之流體。
由電磁感應定律可知，導體在磁場中切割磁力線時，便會產生感應電勢。
同理，當導電的液體在磁場中作垂直於磁力線方向的流動而切割磁力線時，也會產生感應電勢。
流量計測量管是一內襯絕緣材料的非導磁合金導管。
兩隻電極與軸流方向垂直穿透關閉固定在測量管上，其電極頭與襯裡內表面基於平齊。
當電磁線圈由雙向發生方波脈衝勵磁時，即在與測量管軸線垂直方向上產生一磁能量密度為B的工作磁場。
此時，如果具有一定電導率的流體流經測量管，將切割磁力線感應出電動勢E。
電動勢E正比於磁通量密度B，測量管內徑與平均流速V的乘積，其運算式如下：
式中：
B為磁感應強度；
為平均流速；
D為測量管內徑；
EX為電動勢。
電磁流量計感測器中，感應電勢原始電壓信號是平均流速的線性函數，它與流速分佈及介質的其他特性無關。
感應電勢（毫伏電信號）經專用電纜傳送至智能轉換器，進行數位化處理，計算即時流量、累積流量。
電動勢的大小與磁場、管道和液體流速有關，由此不難得出流體的體積流量與感應電勢的關係為：
Q=
DEX/4B
式中：
Q為液體的體積流量；（推導）
EX為感應電勢；→
=EX/BD
B為磁感應強度；
D為測量管內徑。
圖3電磁流量計之感測原理
（三）功能
電磁式流量計適合測量封閉管道中導電液體和漿液的體積流量，如自來水、汙廢水、各種酸鹼鹽溶液、泥漿、礦漿、紙漿及食品方面的液體等，廣泛用於自來水、化工、紡織、造紙、鋼鐵、製藥、食品等工業7。
1.應用8：
電磁流量計應用領域廣泛。
（1）大口徑儀錶較多應用於給排水工程。
（2）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。
（3）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。
2.優點9：
電磁式流量計與其他型式流量計相較下之優勢：
（1）感測器中光滑無凸出物件，因此無壓損之慮。
（2）訊號在整個充滿磁場的空間內形成，而訊號為量測管道上截面上的平均值，因此以電極平面至感測器前端所需直管段相對比其他型式流量計的前端直管段要求短，而一般前端要求直管段為5ID。
（3）流體僅與感測器中的內襯及電極直接接觸，只要選擇適合的內襯及電極材質，即可達到耐腐蝕、耐磨損的需求。
（4）輸出信號正比於體積流量，精確度及線性度比其他型式流量計來的精確及穩定。
（5）流體的管內壓力、溫度、密度、黏度、導電率及管內的流速分佈…等與量測時所需參數無關，可量測之流體範圍廣，精確度高。
（6）低功耗設計，零點穩定，精確度高。
（四）選用要點8、10
1.精度等級和功能
市場上通用型電磁流量計的性能有較大差別，有些精度高、功能多，有些精度低、功能簡單。
精度高的儀錶基本誤差為（±0.5%～±1%）R，精度低的儀錶則為（±1.5%～±2.5%）FS，兩者價格相差1～2倍。
因此測量精度要求不很高的場所（例如非貿易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）選用高精度儀錶在經濟上是不合算的。
有些型號儀錶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。
市場上電磁流量計的功能差別也很大，簡單的就只是測量單向流量，只輸出類比信號帶動後位元儀錶；多功能儀錶有測雙向流、量程切換、上下限流量報警、空管和電源切斷報警、小信號切除、流量顯示和總量計算、自動核對和故障自診斷、與上位機通信和運動組態等。
有些型號儀錶的串列數位通信功能可選多種通信介面和專用晶片（ASIC），以連接HART協定系統、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現場匯流排等。
2.流速、滿度流量、範圍度和口徑
選定儀錶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。
電磁流量計用在這樣的管道上，感測器口徑與管徑相同即可。
（1）電磁流量計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，有些型號儀錶則為0.5m/s。
有些新建工程運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，儀錶口徑應改用小於管徑，以異徑管連接之。
（2）用於有易黏附、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或以上，起到自清掃、防止粘附沉積等作用。
用於礦漿等磨耗性強的流體，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。
（3）電磁流量計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錶，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、渦街式或寇里奧利品質式等）相比，大口徑儀錶佔有較大比重。
某企業近萬台儀錶中，50mm以下小口徑、65～250mm中口徑、300～900mm大口徑、1000mm以上超大口徑分別占37%、45%、15%和3%。
3.液體電導率
使用電磁流量計的前提是被測液體必須是導電的，不能低於閾值（即下限值）。
（1）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，通用型電磁流量計的閾值在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信號線長度及其分佈電容，製造廠使用說明書中通常規定電導率相對應的信號線長度。
（2）非接觸電容耦合大面積電極的儀錶則可測電導率低至5×10-8S/cm的液體。
（3）工業用水及其水溶液的電導率大於10-4S/cm，酸、堿、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。
（4）石油製品和有機溶劑電導率過低就不能使用。
（5）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實例，這類雜質對增加電導率有利。
對於水溶液，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。
根據使用經驗，實際應用的液體電導率最好要比儀錶製造廠規定的閾值至少大一個數量級。
因為製造廠儀錶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、連接信號線、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。
4.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暫態斷開，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，單相液體校驗的儀錶用於固液雙相流體會產生附加誤差。
雖然還未見到電磁流量計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；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），儀錶測量誤差小於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，使流量信號不穩，就要選用較高頻率的儀錶或有較強抑制漿液雜訊能力的儀錶，也可選用市電交流激磁的儀錶或雙頻激磁的儀錶。
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電磁流量計，可減小混入鐵磁體的影響。
上海光華儀錶廠在交流激磁儀錶的實驗報告中稱，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口徑儀錶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錶，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，消除水準安裝下半部局部磨損嚴重的缺點。
也可以在感測器進口端加裝噴嘴形護套，相對延長使用期。
5.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，信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污染，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接，可不拆卸清洗感測器。
非接觸型電極電磁流量計附著非導電膜層，儀錶仍能工作，但若為高導電層則同樣不能工作。
6.內襯材料選擇
內襯材料
名稱
符號
性能
最高工作溫度
適用流體
適用口徑
橡膠
氯丁橡膠
CR（NE）
耐磨性中等、耐一般低濃度的酸鹼鹽腐蝕
＜80℃
自來水、工業用水、海水
DN50-3200
聚氯脂橡膠
PU
極好的耐磨性能、耐酸鹼性能較差
＜60℃
紙漿、礦漿等漿液
DN25-500
氟塑料
聚四氯乙烯
F4或PTFE
化學性能很穩定、耐沸騰的鹽酸、硫酸、王水、濃鹼的腐蝕
＜180℃
腐蝕性強的酸鹼鹽液體
DN25-1200
四氯乙烯及六氟丙烯（鐵氟龍）
F46或FEP
化學性能等同F4
＜120℃
腐蝕性酸鹼鹽液體
DN15-200
四氯乙烯及乙烯
F40或ETFE
化學性能等同F4
＜120℃
腐蝕性酸鹼鹽液體
DN25-2200
塑膠
聚乙烯
PO
耐稀酸、鹼、鹽的腐蝕
＜60℃
腐蝕性酸鹼鹽液體
DN50-2200
聚苯硫醚
PPS
耐稀酸、鹼、鹽的腐蝕
＜100℃
腐蝕性強的酸鹼鹽液體
DN50-2200
（五）安裝使用注意事項11
1.使用時應注意的一般事項
液體應具有測量所需的電導率，並要求電導率分佈大體上均勻。
因此流量感測器安裝要避開容易產生電導率不均勻場所，例如其上游附近加入藥液，加液點最好設於感測器下游。
使用時感測器測量管必須充滿液體（非滿管型例外）。
有混合時，其分佈應大體均勻。
液體應與地同電位，必須接地。
如工藝管道用塑膠等絕緣材料時，輸送液體產生摩檫靜電等原因，造成液體與地間有電位差。
2.流量感測器安裝
（1）安裝場所
通常電磁流量感測器外殼防護等極為IP65（GB4208規定的防塵防噴水級），對安裝場所有以下要求。
A.測量混合相流體時，選擇不會引起相分離的場所；測量雙組分液體時，避免裝在混合尚未均勻的下游；測量化學反應管道時，要裝在反應充分完成段的下游；
B.盡可能避免測量管內變成負壓；
C.選擇震動小的場所，特別對一體型儀錶；
D.避免附近有大電機、大變壓器等，以免引起電磁場干擾；
E.易於實現感測器單獨接地的場所；
F.盡可能避開周圍環境有高濃度腐蝕性氣體；
G.環境溫度在－25/－10～50/600℃範圍內，一體形結構溫度還受制於電子元器件，範圍要窄些；
H.環境相對濕度在10%～90%範圍內；
I.盡可能避免受陽光直照；
J.避免雨水浸淋，不會被水浸沒。
如果防護等級是IP67（防塵防浸水級）或IP68（防塵防潛水級），則無需H、J兩項要求。
（2）直管段長度要求為獲得正常測量精確度，電磁流量感測器上游也要有一定長度直管段，但其長度與大部分其它流量儀錶相比要求較低。
90o彎頭、T形管、同心異徑管、全開閘閥後通常認為只要離電極中心線（不是感測器進口端連接面）5倍直徑（5D）長度的直管段，不同開度的閥則需10D；下游直管段為（2～3）D或無要求；但要防止蝶閥閥片伸入到感測器測量管內。
各標準或檢定規程所提出上下游直管段長度亦不一致。
0.5級精度儀錶的要求比較高。
（3）安裝位置和流動方向感測器安裝方向水平、垂直或傾斜均可，不受限制。
但測量固液兩相流體最好垂直安裝，自下而上流動。
這能避免水準安裝時襯裡下半部局部磨損嚴重，低流速時固相沉澱等缺點。
水準安裝時要使電極軸線平行於地平線，不要處於垂直於地平線，因為處於地步的電極易被沉積物覆蓋，頂部電極易被液體中偶存氣泡擦過遮住電極表面，使輸出信號波動。
圖4所示管系中，c、d為適宜位置；a、b、e為不宜位置，b處可能液體不充滿，a、e處易積聚氣體，且e處感測器後管段短也有可能不充滿。
對於固液兩相流c處亦是不宜位置。
圖4傳感器安裝位置
（4）旁路管、便於清洗連接和預置入孔為便於在工藝管道繼續流動和感測器停止流動時檢查和調整零點，應裝旁路管。
但大管徑管系因投資和位置空間限制，往往不易辦到。
根據電極污染程度來校正測量值，或確定一個不影響測量值的污染程度判斷基準是困難的。
除前文所述，採用非接觸電極或帶刮刀清除裝置電極的儀錶，可解決一些問題外，有時還需要清除內壁附著物。
對於管徑大於1.5～1.6m的管系在EMF附近管道上，預置入孔，以便管系停止運行時清洗感測器測量管內壁。
（5）負壓管系的安裝氟塑料襯裡感測器須謹慎地應用于負壓管系；正壓管系應防止產生負壓，例如液體溫度高於室溫的管系，關閉感測器上下游截止閥停止運行後，流體冷卻收縮會形成負壓，應在感測器附近裝負壓防止閥。
有製造廠規定PTFE和PFA塑膠襯裡應用于負壓管系的壓力可在200C、1000C、1300C時使用的絕對壓力必須分別大於27、40、50KPa
四、心得
藉由此作業讓我們得知電磁流量計的應用及該注意的事項等，也更加地了解一般工廠中所選擇使用的儀器並以何作為標準，該如何在眾多的流量計中選擇最適合自己工廠的流量計進而達到節省成本以及減少操作上的不便。
五、參考文獻
（一）內容
1.工業儀錶李傑毅著
2.http:
//www.hyyb.cc/shuomingshu/dianciliuliangjishuomingshu.pdf
3.http:
//125.222.104.17/greatcourse/07wq/dzkj/d3z.ppt
4.
5.http:
//140.130.1.218/data/e%E5%8C%96%E6%95%99%E6%9D%90/%E8%99%8E%E5%B0%BE%E7%A7%91%E6%8A%80%E5%A4%A7%E5%AD%B8/%E6%84%9F%E6%B8%AC%E5%85%83%E4%BB%B6%E8%A8%AD%E8%A8%88%E8%A3%BD%E9%80%A0/%E7%AC%AC%E5%85%AD%E7%AB%A0%20%E6%B5%81%E9%87%8F%E9%87%8F%E6%B8%AC.ppt
6.
7..tw/downloads/QN-MF032.pdf
8.http:
//www.re-
9.
10..tw/downloads/QN-MF032.pdf
11.http:
//www.re-
（二）圖
圖1http:
//61.191.23.99/jpkc/rgyb/kejian/4.ppt
圖2工業儀錶李傑毅著
圖3.tw/downloads/QN-MF032.pdf
圖4http:
//www.re-
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