电磁流量计可在工业应用中实现高精度

简介
从炼油厂到自动售货机等工业应用要求具有精确的温度、压力 和流量测量，以控制复杂以及简单过程。例如，在食品行业，产品装瓶和装罐的流量精确控制会直接影响利润，因此必须最大程度降低流量测量误差。类似地，封闭 运输应用——比如石油工业中油罐和油罐车之间的原油和成品油交换——需要高精度测量。本文提供流量计技术概述，重点讨论液体流量测量中精度最高之一的电磁 流量计。

图 1 显示采用流量计和执行器控制液体流速的基本过程控制系统。在最低的水平处，诸如温度、流速和气体浓度等过程变量通过输入模块监控，该模块通常是可编程逻辑 控制器(PLC)的一部分。这些信息由比例-积分-微分(PID)环路在内部处理。PLC利用这些信息来设置输出，控制稳态过程。过程数据、诊 断和其他信息可向上传递至操作层，而命令、参数和校准数据可向下传递至传感器和执行器。

图 1. 测量和控制液体流速的基本系统

采用多种不同技术测量流速，包括差压、科氏力、超声和电磁等。最常用的是差压流量计，但它们 对系统中的压力变化较为敏感。科氏流量计具有最高的精度(高达 0.1%)，但它们体积较大且成本高昂。超声流量计通常体积较小、成本较低，但精度有限(典型值为 0.5%)。超声流量计采用无创测量技术， 提升可靠性的同时最大程度减少了随时间变化的检测要素的影响，但无法用于脏水或遭到污染的液体。

电磁流量计也能提供无创检测。这些设备可用于酸性、碱性和离子液体——这些液体的电导率范围为 10 S/m至 10^–6 S/m，并且可以是干净、肮脏、腐蚀性、侵蚀性或粘性的液体或浆体，但不适用于碳氢化合物或气体流量测量。它们能够针对直径小至大约 0.125 英寸、最大容量为 10 立方英尺的低流速和高流速提供相对较高的系统精度(0.2%)，并且哪怕在更低的流速下也能保持读数的可重复性。它们可以测量双向流量，即上游或下游。表 1 比较了几种常见的流量计技术。

表 1. 工业流量计技术

电磁流量计采用法拉第电磁感应定律，该定律指出，在磁场中移动的导体将会产生感应电压。液体可看作导体；磁场由流管外的通电线圈产生。感应电压幅度直接与导体的运动速度和导体类型、流管直径以及磁场强度成正比，如图 2 所示。

法拉第定律在数学上可以表示为：E = kBLV

其中，V表示导电流体的运动速度；B表示磁场强度；L表示拾取电极之间的间距；E表示电极两端测得的电压；k为常数。B、L和k可以是固定值，也可以进行校准，从而等式简化为：E ∝ V。

图 2. 电磁流量计

流过励磁线圈的电流产生受控磁场。专用励磁波形是电磁流量计的一个重要方面，在实际应用中会使用多种类型，包括低频矩形波、电力线频率正弦波、双频波和可编程脉冲宽度。表2 显示各种传感器线圈的励磁波形。

表 2. 传感器励磁类型、波形和特性