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4 电磁流量计的结构和分类
电磁流量计在结构上一般由电磁流量传感器和电磁流量转换器两部分组成，如图7-1所示。一般情况下，传感器和转换器是分体的，传感器安装在生产过程工艺管道上感受流量信号;转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成标准电信号，以便进行显示、记录、积算和调节控制。也有的电磁流量计将转换器和传感器装在一起，组成一体型电磁流量计，可就地显示和远传显示和控制。
4.1 电磁流量传感器
电磁流量传感器主要由测量管组件、磁路系统、电极及干扰调整机构等部分组成。为了使传感器稳定可靠地工作，准确地感受流量信号，传感器应满足如下要求。
1)能提供一个足够大的且与流量成正比的电势信号;
2)能把干扰信号抑制到最小程度，使信噪比足够大;
3)能适应恶劣环境条件，工作可靠。
1.测量管组件
测量管位于传感器中心，两端带有连接法兰或其它形式的联结装置，被测流体通过测量管。
为了让磁力线能顺利地穿过测量管进入被测介质，首先，测量管必须由非导磁材料制成;其次，为了减小电涡流，测量管一般应选用高阻抗材料，在满足强度要求的前提下，管壁应尽量薄;第三，为了防止电极上的流量信号被金属管壁所短路，所以在测量管内侧应有一完整的绝缘衬里。衬里材料应根据被测介质，选择有耐腐蚀，耐磨损，耐高温等性能的材料，如聚四氟乙烯、耐酸橡胶等。表7-1为常用内衬材料的性能表。
所以，测量管组件就是一根内部衬有绝缘材料的高阻抗非磁性材料制成的直管段。
2.磁路系统
磁路系统主要包括励磁绕组和铁心，用以产生励磁方式所规定波形的磁场。一般工业用电磁流量计的磁场大都用电磁铁产生，磁场电源由转换器提供。产生磁场的励磁绕组和铁心、磁轭的结构形式根据测量管口径的不同，一般有以下三种常用结构形式。
(1)变压器铁心式
测量管口径小于1Omm的传感器一般采用这种结构，如图7-7所示。这种结构通过测量管的磁通较大，在同样的流速下可得到较大的感应电势。当口径较大时，由于两电极间的距离较大，空间间隙也较大，漏磁磁通将明显增加，电干扰较严重，使仪表工作不够稳定。而且大口径管道采用变压器铁心式时，传感器的体积和重量都将大大增加，制造和维护都有一定困难。
(2)集中绕组式
集中绕组式一般用于口径在1Omm到1OOmm的电磁流量传感器。这种方式的励磁绕组被制成两只无骨架的马鞍形线圈，分别安装在测量管的上下两侧。外围加一层用O.3-O.4mm厚的硅钢片制成的磁轭。为了保证磁场均匀，在励磁绕组中间加了一对极靴，如图7-8所示。
(3)分段绕组式
当传感器口径大于1OOmm时，一般采用分段绕组式，如图7-9所示。马鞍形的励磁线圈按余弦分布规律绕制，靠近电极部分的线圈绕得密一些，远离电极部分的线圈绕得稀一些，以得到均匀磁场。线圈外加一层磁轭，但无需极靴。按此分段绕制的鞍形励磁线圈放在测量管上下两侧，使磁感应密度与管道横截面平行，以保证测量的准确度。
分段绕组式励磁系统可以减小流量计体积，保证磁场均匀，所以已被普遍采用。
3.电极
传感器的电极安装在与磁场垂直的测量管两侧管壁上，它的作用是把被测介质切割磁力线所产生的电势信号(流量信号)引出，因此电极一般需直接与被测介质接触，其典型结构如图7-10所示。特殊情况下，为避免电极污染，可采用电容检测型电磁流量计，将电极置于测量管衬里外，不与流体介质直接接触，所以有时也称其为无电极电磁流量计。
无电极电磁流量计可用来测量电导率很低的(5′10-8S/cm)液体、浆液、渣液、泥浆等的流量。其电容电极处于测量管衬里背后，不与被测流体接触。每个电极板和与其相对的测量管内壁形成一个电容，在该内壁上存在信号电位。流量计衬里材料正好是两个极板电容器的电介质。与流量成正比的测量信号被送到与此两个电容器相连的前置放大器进行放大处理，输出流量值。
电极材料按被测介质的腐蚀性而决定，但必须是非磁性导电材料。目前比较常用的是耐酸不锈钢材料(1Cr18Ni9Ti)、含钼不锈钢(1Cr18Ni12Mo2Ti)，用于一般工业用水、废水污水和弱腐蚀性酸碱盐液体，价格也较低;哈氏合金(耐酸镍基合金)B可用于盐酸及其它非氧化性酸和非氧化性盐液体;哈氏合金C可用于氧化性酸和氧化性盐液及氧化剂。也可选用钛、钽、铂铱合金等作为电极材料，这些贵金属有较好的耐腐蚀性。钛能耐海水、各种氯化物，次氯酸盐、氧化性酸等，但不耐还原性酸;钽有和玻璃相似的耐腐蚀性，除氢氟酸、发烟磷酸、碱外，能耐化学介质的面很广;铂铱合金对各类酸、碱、盐液有很好的耐腐蚀性，但也有一些不耐腐蚀的化学介质，使用时应注意。表7-2为常用电极材料及适用范围。贵金属电极价格昂贵，尤其以铂铱合金为最。
近几年人们又提出平衡电极平面(BEP)的概念，这是用于电磁流量计的最新专利技术。所谓BEP是Balanced Electrode Plane的缩写，在BEP设计中，有两个位于同一平面内的接地电极，它们与检测电极成90°角(如图7-11所示)。励磁线圈的几何形状产生一个均匀的磁场，它垂直于管道在检测电极平面内的主径。这样做有几个好处，首先，消除了外部接地环;其次，整个测量平均速度的过程都被限制在平衡电极平面之内进行;第二，电气噪音干扰被完全消除。由于磁场是均匀的，液体又是在它流过平衡电极平面的瞬时被测量的，因此， BEP能提供更加精确的测量结果。
4.干扰调整机构
对于正弦波励磁的电磁流量计，传感器应有干扰调整机构。它实际上是一个“变压器调零”装置，可以抑制由于“变压器效应”而产生的正交干扰。
4.2 电磁流量转换器
电磁流量转换器的作用是把电磁流量传感器输出的毫伏级电压信号放大，并转换成与被测介质体积流量成正比的标准电流、电压或频率信号输出，以便与仪表及调节器配合，实现流量的指示、记录、调节和积算。
根据电磁流量传感器的特点，要求转换器具备以下几个方面的性能：
1.线性放大能力
转换器应具有高稳定性能的线性放大器，能把毫伏级流量信号放大到足够高的电平，并线性地转换成标准电信号输出。
2.能够分辨和抑制各种干扰信号
根据不同的励磁方式，转换器应有相应的措施抑制或消除各干扰信号的影响。
对于正交干扰，除了传感器中的干扰调整机构调零外，转换器中应有分辨和抑制正交干扰的机构，以消除传感器中剩余的正交干扰信号。否则，这些干扰信号同样会被转换器的放大器放大，严重影响仪表工作。对正交干扰的抑制方法一般是将经过主放大器放大后的正交干扰信号通过相敏检波的方式鉴别分离出来，然后反馈到主放大器的输入端，以抵消输入端进来的正交干扰信号。
对于同相干扰，由于产生的原因比较复杂，抑制的方法也较多。在传感器方面，将电极和励磁线圈在几何形状、尺寸以及性能参数上做得结构均匀对称、并分别严格屏蔽，以减少电极与励磁线圈之间的分布电容影响。另外，单独、良好的接地也十分重要，减小接地电阻可以减小由于管道杂散电流产生的同相干扰电势。在转换器方面，通常是在转换器的前置放大级采用差分放大电路，以利用差分放大器的高共模抑制比，使进入转换器输入端的同相干扰信号得不到放大而被抑制O在转换器的前置放大级中增加恒流源电路，能更好地抑制同相干扰。
对于方波励磁，应避开上升沿和下降沿处的微分干扰采样流量信号。
3.应有足够高的输入阻抗
电磁流量转换器必须有足够高的输入阻抗，以克服传感器内阻变化带来的影响，提高测量准确度。
由于电磁流量传感器的内阻很高，一般可高达几十到几百千欧(与被测介质的电导率和电极直径有关)。因此转换器必须有足够高的输入阻抗，以提高测量准确度和加长传输信号导线。如图7-12所示为传感器和转换器的等效电路，图中，e是传感器产生的流量电势信号，r是传感器内阻，RL为转换器输入阻扰，ex是转换器接收到的流量电势信号。当传感器与转换器连接在一起时，传感器产生的流量信号电势为e，而传送给转换器的信号仅为ex，显然， ex< e，有一部分信号电势消耗在传感器内阻r上，根据欧姆定律可知
如果欲保证0.1%的传输精度，也就是ex≥0.999e，则r与RL之间必须满足
从式(7-9)可以推得：RL≥0.999 (r+RL)?1000ro
如果传感器内阻r为200kΩ，则为了保证0.1%的传输精度，转换器的输入阻抗必须大于或等于200MΩ。如果传感器内阻再提高，则转换器的输入阻抗也应更高。
传感器内阻与被测介质的电导率σ以及电极与介质的接触面积有关，对于通常采用的圆形电极来说，如果电极直径d相对于两电极间的距离D很小时，可以近似地用下式来计算传感器内阻
假设电极直径为1cm，则为使传感器内阻不超过200kΩ，被测介质的电导率的最小值应控制在
表7-3列出了部分液体的介质电导率，从表中可以看出，这个电导率相当于蒸馏水的电导率。一般可以认为这个值是目前通用电磁流量计可测量的介质电导率下限。如果希望测量电导率更低的流体介质而又不影响传输精度，则转换器应有更高的输入阻抗。一般转换器的最小输入阻抗约可达200MΩ，目前国内一些较好的转换器，输入阻抗已可达1OOOOMΩ以上。
转换器的输入阻抗RL越高，测量时就越不容易受传感器内阻r变化的影响，可测介质的电导率下限也可降得越低，即扩大了电磁流量计的应用范围。国外有特殊结构的电磁流量计，用与液体不提触的电极以电容方式传送流量信号，可测电导率下限达1O-8S/cm的液体。
4.应能消除电源电压和频率波动的影响
对于交流励磁的电磁流量计，从式(7-4)可以看出，即使管径D和平均流速
保持不变，当电源电压或频率波动时，也会使电势信号e波动。所以，在检测流量信号时，如果只检测电势信号e，就会使仪表的工作受电压和频率波动的影响。为了消除电压和频率波动的影响，可采用测量比值e/Bmsinwt，而不是仅测量e的方法。这样，从流量的基本测量关系式(7-5)可知，当管道直径D固定时，所测得的信号e/Bmsinwt恰能反映流量qv，消除了电源电压和频率的影响。较早期的工频励磁电磁流量转换器采用霍尔乘法器实现e/B的除法运算，由于霍尔乘法器体积大，工艺复杂，稳定性又较差，可用乘法电路代替霍尔乘法器。
对于方波励磁的电磁流量计，由于B已基本不受电源的影响，所以不需要测量e/B，可直接避开微分干扰采样流量信号。
4.3 电磁流量计的分类
目前，电磁流量计已发展成多种类型，分类方法也有很多种：
1.按励磁方式分类
1)直流励磁型
这种电磁流量计数量很少，只用于测量液态金属流量，如常温下的汞和高温下的液态钠、钾等。
2)交流工频励磁型
较早期的电磁流量计用50Hz工频市电励磁，由于易受电磁干扰和零点漂移等原因，现已逐渐被低频矩形波励磁所代替。但在测量泥浆、矿浆等液固两相流时，低频矩形波励磁方式由于不能克服固体擦过电极表面产生的尖峰噪声，而工频交流励磁的仪表则不存在这一缺点，所以国内外尚有一些电磁流量计仍采用交流励磁方式。
3)低频矩形波励磁型
由于低频矩形波励磁方式功耗小，零点稳定，是目前电磁流量计的主要励磁方式。其波形有“正一负”二值和“正-零-负-零”三值两种。有的电磁流量计励磁频率可以由用户设定，一般小口径仪表用较高频率，大口径仪表用较低频率。
4)双频励磁型
励磁电流的波形是在低频矩形波上叠加高频矩形波，主要为克服二值矩形波励磁存在的浆液噪声和流动噪声，提高仪表的稳定性和响应特性。
2.按传感器和转换器的组成分类
1)分离型
这是电磁流量计的主要型式。传感器安装在流通管道上，转换器装在仪表室内或易于安装和操作的传感器附近，距离一般为数十到数百米。其好处是转换器可远离现场恶劣环境条件，电子器件的检查、调整和测量参数的设定比较方便。
2)一体型
传感器和转换器组装在一起，装在工艺管道上直接输出反映流量大小的电流(或频率)标准信号。其好处是缩短了传感器和转换器之间的流量信号线和励磁线的连接长度，没有外界的这类布线，因此电器接线简单，价格也比较便宜。但易受管道布置的限制，如果安装在人们不易接近的场所，维护很不方便;此外，转换器中的电子器件装在管道上，易受流体温度和管道振动的影响。
3.按连接方式分类
按传感器与管道的连接方式可分为法兰连接、无法兰夹装连接和螺纹联结等几种。
4.接用途分类
1)通用型
用于冶金、石化、造纸、轻纺、给排水、污水处理以及医药、食品、生物和精细化工等工业领域中的一般电磁流量计，是电磁流量计的主要类型。对被测介质的电导率有一范围要求，一般不能超过其上下限范围。
2)防爆型
用于有爆炸性气氛的场所。由于励磁电流能量较大，目前还是以隔爆型为主。近年来国外已出现本质安全型，即安全火花型电磁流量计，励磁功率大幅度降低，可以做成一体型，全部装在危险区域内工作。
3)卫生型
用于医药、食品和生物化学等工业的电磁流量计，在定时灭菌、便于拆卸清洗等方面要符合有关卫生的要求。
4)防浸水型
用于安装在地面下的传感器，可承受短时间的水浸没。
5)潜水型
用于测量明渠或非满管暗渠自由水面自由流时的流量。传感器在明渠截流挡板下部，长期浸在水下工作。结构和使用上都有别于一般电磁流量计。
6)插入型
用于大管径的电磁流量传感器。传感器从管道开孔中径向插入，以测量局部流速推算流量，精确度较低，但价格便宜，适用于控制系统。
4.4 特殊结构电磁流量计
1.潜水型电磁流量计
潜水型电磁流量计是20世纪80年代发展起来的用来连续测量明渠、暗渠、河道或非满管中导电液体体积流量的流量仪表。其测量原理与一般电磁流量计相同，只是传感器制成整体密封型防水结构，可长期置于水下工作，以适应明渠、暗渠、河道等开口流道及大管径非满管的流量测量。其传感器结构原理如图7-13所示。主体材料一般选用耐腐、耐温的硬聚氯乙烯，电极一般采用耐酸钢1Cr18Ni9Ti或其它特殊材料。
由于潜水型电磁流量计具有适用于圆形、矩形和任意形状的明渠、暗沟或河道的流量测量;对上下游直渠段要求低;采用低频三值矩形波励磁技术而零点稳定，工作可靠等特点，潜水型电磁流量计非常适合于明渠或暗渠中污水排放的流量测量。
2.非满管电磁流量计
电磁流量计从20世纪50年代商品化以来一直用于测量满管流量，直到90年代初期，Fischer & Porter首先研制出了非满管电磁流量计。这种仪表由两部分组成，一是安装在管道上的传感器，二是由微处理器控制的转换器，即可就地指示，又可远传显示和控制。从外观上看，它与普通电磁流量计并没有什么不同，同样具有无可动部件、无阻流件、压损极小、线性输出和范围度宽等优点。
与普通电磁流量计只有在直径方向一对检测电极不同，非满管电磁流量计的流量传感器的测量管中央同一圆周上，水平轴及其下半圆周分别安装有3对电极E1、E2和E3，如图7-14所示。上下两励磁线圈可以分别接成串励(如图7-14a)和反励(如图7-14b)两种模式。
设电极E1装在管道中间直径位置，E2在20%直径高度位置，E3在10%直径高度位置。现在只考虑电极E1和E2的作用原理，电极E3和E2一样。
当传感器工作在串励模式时，磁场如图7-14a所示，和普通电磁流量计一样，电极上得到的电动势e与管内流速成正比。如果设满管流时，电极E1和E2上得到的电动势e1和e2都标准化为“1”，则当管内介质液面下降时，电动势信号e1和e2相对于同等流量就要增加，如图7-15所示。当液面下降到50%高度时，电极E1上的信号将增加到“2”。液面低于50%高度时，电极E1将因测不到电信号而失去作用。同理，电极E2和E3上的信号也随管内液面高度而变化，但电极E2最低可测20%液面高度，电极E3最低可测10%液面高度。
可见，串励模式时，传感器所提供的信号包含了管内流速的信息(见图7-15)。
当传感器工作在反励模式时，磁场如图7-14b所示，由于上下两励磁线圈反向励磁，当流体充满测量管道时，磁场分布和流动分布都是对称的，所以电极E1上得到的电势信号为“0”。当测量管内液面下降时，管道上半部分的流体对电动势信号的贡献减少，而下半部分仍保持原值，结果是电极E1上得到的信号不为零。管内流体液面越低(>50%)， E1上得到的信号就越大。同样的原理可应用于电极E2和E3。由于它们的安装位置不在测量管中间，所以即使流体充满管道时，E2和E3上的电动势信号也不为零，但其值总随液面高度的变化而变化。
可见，反励模式时，传感器所提供的信号包含了管内液面高度的信息。
测量时，两个相位相差90°的方波电流信号(如图7-16所示)分别控制两个励磁线圈WE1和WE2?从而获得串励和反励模式的连续切换。流量信号的测量总是在每个励磁模式的最后1/3控制阶段进行。可测高于测量管内径10%液位的流量，测量误差小于1.5%FS。
继Fischer & Porter以后，东芝、Krohne等公司也相继提出非满管电磁流量计，且测量原理有所不同，如Krohne的非满管电磁流量计，用离测量管底部O.1D高度的一对电极测量流速，在衬里背面置有多块大面积电极，以相似于电容液位计原理检测测量管内液位高度，从而求得非满管流量。测量准确度一般可达±1%FS(流速大于1m/s)。
3.多电极电磁流量计
德国Karlsruhe大学的有关学者提出了如图7-17所示的双组励磁线圈多电极电磁流量计的结构，以减少轴向不对称流场分布的影响。他们研制的一D=24mm，在8对电极的样机，在严重轴向不对称流场下对不同电极组合进行了实验，结果表明有4对电极就可以获得满意的结果，能明显地降低轴对称流受到破坏时产生的测量误差。可使上游直管段长度减少到单对电极的一半左右。
对口径在500mm以上的电磁流量计，很多国家都采用多电极结构。如图7-18所示为电磁流量计上游流动条件相同时，采用不同电极对数时流量测量误差的试验曲线。
4.插入式电磁流量计
插入式电磁流量计是以测量管道内局部流速来推算整体流量的仪表，主要用于大管径管道的流量测量。电磁流量传感器从管道开孔中径向地插入管道，插入深度可以有不同规定，或插入到管道中心，或插入到管道内平均流速处。插入式电磁流量计精度较低，价格相对也比较低， 一般不用来测量流体总量，而是常用于过程参数的控制系统。下面是几种插入式电磁流量计的结构图。
图7-19所示为德国的一种插入式电磁流量传感器结构，传感器测量孔中心轴固定在主管道内径的1/8处，基本在管道平均流速点附近。一般传感器应安装在上游具有10D、下游具有5D的直管段上，如果上游有三通或有未全开阀门时，则上游应有15D-25D的直管段。传感器轴应基本与上游弯头或阀门杆处于同一平面内。
图7-20为另一种插入式电磁流量计的结构，电极直接安装在探头两侧，而不用在探头上打测量孔。安装时应保证探头插入深度H为管道内径的10%，可根据厂家提供的探头尺寸控制插入深度。
为了提高测量精度，国外已经研制出均速管型的插入式电磁流量计，探头插在直径方向，贯穿管道直径，电极按等面积法布置在探头上，如图7-21所示。一般，在管径小于300mm时用三对电极，管径大于350mm时用5对电极。其优点是适用于大管径管道高精度测量，可以不断流装卸流量传感器。测量精度可达1%R+O.015m/s，线性度为0.3%，重复性可达0.2%。
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