电磁流量计和差压式流量计的优缺点
电磁流量计气泡噪声问题的避免和解决方法
众所周知，电磁流量计测量原理是法拉第电磁感应定律测量封闭管道中的导电液体和浆液中的体积流量，包括酸、碱、盐等强腐蚀性的液体。电磁流量计在钢铁行业冷却水测量中出现的误报警大多是由气泡擦过电极，形成短暂时间的感应信号为零，这是一种气穴现象，我们称这种故障为气泡噪声(bubble noise)。下面介绍一下气泡噪声问题的避免和解决方法。
首先，应从安装上满足电磁流量计上游直管段长度要求, 规范仪表的安装, 选择远离热源的安装场所, 合理使用管道流速, 选用光洁度高的PFA 氟塑料衬里和高纯氧化铝工业陶瓷导管。这些措施将有助于防止或减小旋涡和气体分离的发生。也就是说, 改进传感器制造工艺、改善使用仪表环境条件和安装条件、采用仪表上游加装排气阀等措施, 有可能避免问题的发生。
其次, 合理地设置流量计阻尼时间和功能, 也可以解决出现气泡噪声测量的误报警。阻尼时间的选择是根据流量信号中发生气泡噪声的脉冲宽度来选取。一般应取阻尼时间为气泡噪声脉冲宽度的3~ 5倍。如气泡噪声脉冲宽度是10 s, 阻尼时间应取30~ 50 s。具体选择应根据要求的控制精度, 3倍脉冲宽度控制误差在5%, 5倍脉冲宽度控制精度高于1%。
加大仪表阻尼时间能有效地解决这种脉冲型气泡噪声的影响, 同时也带来了反应迟钝的缺点, 即当真正流量波动时, 仪表反应很慢。这对要求灵敏控制的冷却水系统无疑是个难题。为了解决这个问题, 智能化电磁流量计可以使用软件逻辑判断即粗大误差处理的方法。在出现这种故障时, 通过调整流量的不敏感时间和变化幅度限制这两个条件来判断是流量的变动, 还是气泡擦过电极。如果不是气泡擦过电极的噪声, CPU按正常采样、运算和数字滤波; 如果判定产生的是气泡噪声, 切除测量值, 维持前面的流量测量值。这样, 正常流量测量期间阻尼时间仍然为3~6s。只有在有气泡噪声时, 根据脉冲宽度设置的长短将不敏感时间加长, 系统控制的时间也会加长。
当我们合理选择具有粗大误差抑制功能电磁流量转换器的变化率限制值和不敏感时间值时, 转换器不仅能够抑制气泡噪声引起的误报警, 而且在正常工作时仪表的反应速度仍然能够保持所设置的阻尼时间值。
气泡噪声的研究, 应该是用气泡对电磁流量传感器电极进行模拟试验, 但目前尚未有这种条件。因此, 我们只用电磁流量信号发生器信号的切换, 进行气泡噪声的模拟。适当地选取阻尼时间和智能型电磁流量计处理气泡噪声故障的方法, 对观察流量计显示与输出信号变化, 判断处理气泡噪声的效果明显。切换智能电磁流量计标准信号源的开关, 快速设置流速和零点, 按需要保持信号为零的时间, 模拟气泡噪声的发生和存在。改变仪表阻尼时间并设置不同的变化率限制值及不敏感时间值, 测试仪表输出的变化。结果表明, 加大阻尼时间和智能化气泡噪声处理都能达到输出不发生大的变化, 后者更有利于正常测量期间测量反应速度的提高。
之前介绍的山西某钢铁公司的炼钢厂连铸冷却水测量中出现了故障流量，经过用本文介绍的气泡噪声的解决办法之后, 流量计在现场运行也就正常了, 并且未再出现气泡故障报警。金湖鼎诚仪表有限公司生产的系列智能电磁流量计是采用国内外最先进技术研制开发的全能智能流量计，在设计产品结构、选材、制定工艺、生产装配和出厂测试等过程中每一个环节都非常细致讲究。
电磁流量计在冷却水测量中的一个故障特例及原因分析
熟悉钢铁企业的朋友可能知道，在高炉检漏和连铸连轧控制中会大量使用电磁流量计来测量冷却水。冷却水的测量信号往往与设备开启关联, 任何一个失误动作将会造成无法弥补的损失。测量与控制的精度和可靠性涉及到生产单位的设备安全、节约能耗以及钢铁产品性能指标。因此, 钢铁生产过程要求电磁流量计必须具有反应迅速、灵敏度高、重复性稳定性好、可靠性高等特点。本文为大家介绍一下为解决钢铁生产高炉检漏和连轧连铸中冷却水可靠测量的问题。
一、电磁流量计在冷却水测量中的一个故障特例
之前山西某钢铁公司的炼钢厂连铸冷却水测量中出现了故障流量。流量故障变化呈脉冲规律, 脉冲的幅度约为130m3 /h, 故障脉冲宽度大约为10~13s, 周期不定。这种故障造成了系统的误报警, 给该工厂生产过程带来了很多不必要的麻烦。尽管电磁流量计本身具有一定的智能化故障判断功能, 但由于该故障是不定期发生的, 很难捕捉到检测故障发生时流量计所反映的流体物化参数和噪声干扰的信息, 因此也就很难按照电磁流量计的常规方法去判断出现流量显示输出为零的可能性,进而 很难判定引起这种故障的原因。
后来经过现场实地考察后我们发现，出现故障的流量计上游是DN100管道经90°弯头后, 由渐扩管再扩大至DN150管道，然后进入电磁流量计传感器。流量计上游的直管段长度不足5D, 计算得到从DN100~DN150的扩大锥角大约为40°。从现场安装情况分析, 初步认为故障可能是由传感器安装位置泡擦过电极形成短暂时间的感应信号为零所致。也就是说, 这是一种气穴现象，我们称这种故障为气泡噪声(bubble noise)。那么气泡又是如何产生的？为什么有时候模拟型转换器看不到这种故障呢？
二、气泡噪声产生原因的分析
显而易见，从安装情况看, 该案例中的实际安装情况与电磁流量计的安装要求是不符合的。流量计上游的弯头、扩大管以及插入热电偶位置距流量计电极的直管段都不足5D，这些情况都是容易在电极附近产生旋涡和不对称流速分布以及分离液体中气体形成气泡。上游由小口径(DN100)以高流速(6m/s以上的平均流速), 约40°的入射角流向DN150 管道。扩大管气泡分离这种沿着管壁非顺滑的流体流动, 流体的流束首先是收缩呈射流形式流动, 然后再逐渐将流束扩散为轴对称的充分发展流。射流过程会形成扩大管内入口处周围的负压区域, 于是在电极前要产生大量的旋涡。这样, 破坏了电磁流量计测量要求即流速中心轴对称的基本条件。更严重的是由于在电极前形成负压, 旋涡处可能分离气体, 并慢慢聚集形成气泡。分离的气泡常常附在流速几乎为零的管壁上, 流体流动容易携带气泡沿管壁移动。当气泡沿管壁移动擦过电极时, 使电极上的感应信号为零, 这时的测量输出和显示为零。弯头和插入热电偶的下游也会有旋涡产生和气体分离。高温液体在旋涡产生过程中更容易汽化分离气泡, 这些都是钢铁行业冷却水测量时容易遇到的现象。分离的气泡向下游移动, 擦过电极的时间受液体流动速度、管道内壁粗糙度、流量计衬里的光滑程度、电极的形状与突出衬里的高度等因素的影响长短不定。
本案例的两台电磁流量计反映的故障时间都在10秒左右。为了使仪表输出稳定, 电磁流量计设计有阻尼时间。仪表的阻尼是在被测量流量变动时能够平滑仪表的测量值。当输入量阶跃上升到最大值, 仪表测量值并不是立即从零达到最大值, 而是需要一段时间。把从零到最大输出值的63% (或欧洲产品习惯定义为90% )所需要的时间定义为阻尼时间。电信号的阻尼时间实际上是一个RC阻容滤波器的时间常数, 它是一个积分过程。当RC=3时, 输出信号达到输入信号最大值的95%。为了减小测量误差, 则采用长阻尼时间, 通常取RC=(5~7)。同时应该注意到, 如果阻尼时间小, 后面的输入信号脉冲需要再滤波, 形成三角波状输出, 达不到最大稳定值。但是, 阻尼时间过长, 会造成仪表的反应速度慢, 也就是说灵敏度低, 控制与调节的可靠性差。所以, 在一般情况下, 电磁流量计的阻尼时间设为3~6s。气泡噪声信号波形脉冲幅度从最大100% 下降到零, 并维持10余秒, 如果按一般阻尼时间设置为5s, 计算信号输出会下降到约40%, 即原本测量输出120m3/h, 这时只能得到约50m3/h, 低于工厂下限报警值, 从而引起误报警。同时, 由于智能电磁流量计具有空管报警并将信号输出自动置零的功能, 在气泡擦过电极时, 电极电阻增大, 发生空管报警, 仪表使测量输出保持在零值。气泡擦过电极的时间大于阻尼时间, 形成多次脉冲的滤波, 其滤波次数决定于气泡擦过电极的时间与阻尼时间的比。因此, 该阶段的流量显示不稳定, 输出存在大的纹波。
模拟型电磁流量计没有出现故障报警是由于模拟型电磁流量计在信号处理时具有采样电路和积分保持电路, 其积分时间常数由电阻电容和积分放大器决定, 通常模拟电路的时间常数比较大; 智能化电磁流量计是断续采样的, 依靠软件设置CPU运算进行数字滤波, 阻尼时间需要设置, 设置的范围很宽, 从0.5~100s。通常设置的阻尼时间小于气泡噪声的脉冲宽度。智能电磁流量计具有空管检测功能, 当电极检测到气泡即提出报警, 并把空管认为是没有流量流过, 自动将输出显示置于零状态。模拟型电磁流量计一般不带空管检测功能, 判断不了电极出现气泡, 这时也就不会把输出显示置于零。因此, 似乎显得模拟型电磁流量计对气泡噪声影响不敏感。
电磁流量计的特点和励磁方式
由于电磁流量计具有可靠性高、耐腐蚀性强、容易变更测量范围等特点, 在国内外好多行业都得到了广泛应用并重点对它进行开发。在我们所涉及的工程, 例如轻工行业中电磁流量计常应用在食品、造纸、精细化工和污水处理等行业, 用来测量乳液、番茄酱、啤酒、纸浆、填料、黑液、其他化学品等液体或具有气液、液固两相的液体流量。这些液体中除干净液体外, 大多为易粘、易堵、含气泡、含固体颗粒, 有的还具有强腐蚀性。目前, 电磁流量计具有传感器、转换器一体型和分离型（分体式电磁流量计）二种结构形式, 高达IP68 的防护等级, 多种可选的耐腐耐磨衬里和电极材料, 精度可达0. 2 级,这使得电磁流量计基本上能满足上述工况的流量测量需要。
一、电磁流量计的特点
1、优点
( 1) 结构简单, 无活动部件和阻碍被测介质流动的扰动件或节流件, 对易黏附和固液二相介质不易发生管道堵塞、磨损等问题。可弥补质量流量计不易测量此类介质的不足。
( 2)智能电磁流量计是一种测量体积流量的仪表, 其测量不受流体的密度、温度、压力、粘度、雷诺数以及在一定范围内电导率的变化的影响。电磁流量计只需用水作为试验介质进行标定, 而不需要作附加修正就可用来测量 其它导电性液体。这是其他流量计所不具备的优点。
( 3) 电磁流量计测量范围很大, 有的产品测量范围达1000: 1。对同一口径传感器, 其满量程只要介质流速在0. 3~ 15m/ s 范围内可任意设定。电磁流量计的测量范围可涵盖紊流和层流状态两种速度分布状态, 这是差压式流量计、涡轮式、涡街等流量计不能与之相比拟的。
( 4) 测量原理上是线性的, 测量准确度高, 而且完全电信号输出, 测量的反映速度快, 可测脉动流量和快速累积总量。
( 5)防腐电磁流量计具有良好的 耐腐蚀性能。
( 6) 原理上是测量过水断面的平均流速, 对流速分布的要求较低。因此, 传感器前后的直管段要求比其他流量计短。
( 7) 可测正、反两个方向的流动流体。
2、不足
( 1) 电磁流量计不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体。
( 2) 电磁流量计目前还不能用来测量导电率很低的液体介质, 被测液体介质的电导率不能低于10- 5S/ cm( 相当于蒸馏水的电导率) 。对石油制品或者有机溶剂等还无能为力。
( 3) 由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制, 目前工业电磁流量计还不能测量高温高压流体。
( 4) 电磁流量计受流速分布影响, 在轴对称分布的条件下, 流量信号与平均流速成正比。所以, 电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直管段。
( 5) 电磁流量计易受外界电磁干扰的影响。
二、励磁方式对测量的影响
电磁流量计的励磁系统产生传感器所需要的工作磁场，它直接决定了感应电动势的产生， 同时决定了整个系统的测量精度。励磁系统由两部分组成：励磁线圈和励磁电路。励磁线圈的作用是产生工作磁场，两个励磁线圈分别安装在测量管道的上下， 当通上励磁电流后，即可产生磁场。励磁电路的作用是产生励磁线圈的工作电流。励磁电流一般有直流励磁、工频正弦波励磁、低频矩形波励磁、三值低频矩形波励磁、双频矩形波励磁等。
l、直流励磁
直流励磁出现的最早，在1951年由荷兰科学家研制成功。直流励磁使用永磁体或给励磁线圈施加直流电来产生固定的磁场。因为它的这些特性，产生了以下问题：感应电动势在两电极表面形成固定正负极，持续作用与被测液体，使其电解，在电极表面产生极化现象，这样会使流量信号的感应电动势变小，信号源内阻变大；同时，直流励磁在电极间所产生的不均衡的电化学干扰电势叠加在流量信号中，影响测量精度，而且随着时间、被测液体特性以及流体流动状态等变化而变化；再次，直流励磁存在着零点漂移等问题很难解决。它的上述这些问题决定了直流励磁目前主要应用在液态金属测量。
2、工频正弦波励磁
工频正弦波励磁的真正实现始于上世纪50年代，它的出现促进了电磁流量计的广泛应用。它利用工频50Hz正弦波电源给励磁线圈供电。工频正弦波基本可以消除电极的极化现象，降低电极电化学现象和传感器内阻； 另外，得到的流量信号也是工频正弦波信号，便于信号处理。然而，它也存在很多缺点：首先是工频干扰问题，同时存在电源电压幅值和频率波动干扰。
3、低频矩形波励磁
低频矩形波同时具有直流励磁和工频正弦波励磁的特点，最早由A．B．Denison、M．P．Spencer和H．D．Green在1955年提出。该技术不但继承了直流励磁不产生涡流效应、正交干扰和同相干扰的优点，而且具有工频正弦波励磁基本不产生极化效应，便于放大信号处理的优点，同时避免了直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题，得到了广泛的应用。
4、三值低频矩形波励磁
1983年，三值低频矩形波励磁技术被成功研制出来，它采用工频频率的八分之一为周期，励磁电流按正一零一负一零一正变化，波形如图。它的最大特点是零点自校准，具有更好的零点稳定性。不过由于励磁电流积分干扰的影响，该技术在测量含有颗粒的液体(比如泥浆、纸浆、矿浆等)时表现不足。
5、双频矩形波励磁技术
为了解决智能电磁流量计三值低频矩形波励磁不能同时消除低频尖峰噪声、液体流动噪声和零点稳定的矛盾，1988年日本横河电机株式会社提出双频励磁技术来解决含有颗粒的液体(泥浆、纸浆、矿浆等)的测量。不过由于其转换器复杂、成本增加、功耗大，所以并没有得到广泛应用。
综合分析上面各种励磁方式后，可以发现正弦波励磁存在工频干扰和正交干扰，经常淹没流量信号；低频矩形波虽解决了这些问题，但存在微分干扰，同时有涡电流的影响；双频矩形波励磁又太过复杂；三值低频矩形波改善了微分干扰，只是不能应用在某些领域。基于以上情况，金湖鼎诚仪表有限公司的电磁流量计采用的是三值低频矩形波励磁技术，采用MCU控制产生所需要的励磁电流，这样还可以通过编程随时改变励磁方式，增加了系统的灵活性。
电磁流量计在供水计量中的变径处理
我们都知道电磁流量计测量原理是法拉第电磁感应定律，它主要用于测量封闭管道中的导电液体和浆液中的体积流量。经过多年实际运行和观察对比分析，我们认为在供水计量领域，电磁流量计是优于其他计量仪表的。在实际应用中，经常会出现因用户用水性质造成管内水流速度较低，进而不能满足电磁流量计对流速范围的要求，所以这时候就需要对管道进行变径处理。
具体做法是，管材、管件及阀门等直径按系统合用后的参数选定后，选择传感器直径比测量管径尺寸小的电磁流量计，也就是说被测管道的管径与电磁流量计的表径是不一致的，管径大、表径小，安装连接时传感器前后加接异径管。这样做的结果是在安装电磁流量计的局部管道提高了流速，满足了流量计对流速范围的要求。
在进行变径处理工作时，必须注意异径管需满足锥度要求。电磁流量计的入口与出口的直线管段有长度要求，传感器前后加接的异径管，若要视为直管段的一部分，应符合产品关于传感器前后管段渐扩或渐缩的圆锥角小于15°的要求。
当异径管无法满足锥度的要求时，必须订制加长的渐扩或渐缩管。如山东某大型化工厂依据其用水量原设计选择DN300电磁流量计水表组，因电磁流量计直管段的要求及该单位水表房过于狭长的缘故，我们考虑采用选择小一级甚至二级管径尺寸的电磁流量计，变径之后的水流速度均在其允许范围内。依据标准图集异径管尺寸计算，DN300x200 异径管中心圆锥角为19.85°，DN300x100异径管中心圆锥角为17.25°，均大于15°，不符合产品设计要求。因此特别订制了非标的渐扩和渐缩管，加长异径部分的长度，使中心圆锥角减少到锥度要求15°以内。
电磁流量计用于供水计量时，由于其传感器有流速要求，但流速范围又较宽的特点，设计人员便可以依据用户用水量和现场的实际情况，作出一些灵活的变化，这样既节省了水表组的投资，又使流量计能够运行在较好的工作状态。顺便提一下，电磁流量计上游侧应有不少于5D倍管道直径的直管段，下游侧应有不少于3倍管道内径的直管段。如果上游有非全开的闸阀或调节阀，则流量计上游直管段的长度应增加到10倍管道内径的距离。
电磁流量计和差压式流量计的优缺点及应用概况
一、电磁流量计
电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。电磁流量计具有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题,如脏污介质、腐蚀性介质的流量测量。电磁流量的应用十分广泛,在流量仪表中其使用量百分数不断上升，石油、化工、冶金、纺织、食品、制药、造纸等行业以及环保、市政管理，水利建设等领域都有它的身影。
1、优点:
测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等;
不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好;
所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响;
流量范围大,口径范围宽;
可应用腐蚀性流体。
2、缺点:
不能测量电导率很低的液体,如石油制品;
不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体;
不能用于高温流体的测量。
3、应用概况:
电磁流量计应用领域广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程;中小口径常用于高要求或难测场合,如钢铁工业高炉风口冷却水控制,造纸工业测量纸浆液和黑液,化学工业的强腐蚀液,有色冶金工业的矿浆;小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。
二、差压式流量计
差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计、差压变送器及流量显示仪表（流量积算仪）。它已发展为系列化、通用化及标准化程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表,它既可测量流量参数,也可测量其它参数(如压力、物位、密度等)。
差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。检测件又可按其标准化程度分为二大类:标准的和非标准的。所谓标准检测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。
非标准检测件是成熟程度较差的,尚未列入国际标准中的检测件。差压式流量计是一类应用最广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。
1、优点:
(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;
(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;
(3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。
2、缺点:
(1)测量精度普遍偏低;
(2)范围度窄,一般仅3:1~4:1;
(3)现场安装条件要求高;
(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。
3、应用概况:
差压式流量计应用范围特别广泛,在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用,如流体方面:单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:从几毫米到几米;流动条件方面:亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4~1/3，在整个流量计量方面可谓举足轻重，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等部门。
