24小時
咨詢熱線
13585715507
01
引 言
城鎮供、排水重要的基礎設施之中，經常會涉及到水量的計量，而電磁流量計是最常見的計量設備之一。自來水廠的進水、出水管道上會安裝電磁流量計用作貿易結算，投加水處理藥劑的管道上也會安裝電磁流量計來實現精確加藥。供水、排水管網上同樣會安裝電磁流量計監測流量。電磁流量計合理的選型就顯的非常重要，它能保證其測量的精確度、穩定性、長壽命。本文就選型問題、實際應用案例，做初淺的分析。
02
原理和結構
2.1電磁流量計原理
電磁流量計原理為法拉第電磁感應定律，即導體在磁場中切割磁力運動時在其兩端產生感應電動勢。導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內流動，與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢，電動勢的方向按“弗萊明右手定則”，其值如下式：
2.2電磁流量計結構
電磁流量計由傳感器、轉換器和電纜線組成，其結構如圖2所示，傳感器測量管上下裝有激磁線圈，通激磁電流后產生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸，引出感應電勢，送到轉換器。激磁電流則由轉換器提供。
若電纜連接線很短，安裝在流量計殼體內，傳感器與轉換器組成一體為一體型流量計，若傳感器與轉換器分開獨立安裝，兩者之間用電纜連接，則稱分體型電磁流量計。流量計需安裝在被測介質的管道上，可能置于在井下等工況較差的環境，存在被水浸泡、風吹日曬的可能。傳感器部分防護等級通常能達到IP68，但是轉換器部分只能達到IP65/66，故水行業大部分電磁流量計都會選擇分體式，轉換器和傳感器中間采用電纜線連接。
03
流量計選型
3.1選型要素
電磁流量計選型原則應遵循在滿足測量現場的工況條件，達到流量計的精度與功能，性價比最高的。主要有工況、轉換器、電纜線和傳感器四個選型要素。
3.1.1工況選型
（1）滿足被測量介質的電導率要求
介質電導率限制條件為б≥ 1-5us/cm（б水>20us/cm），不能測量非導電介質,如氣體、油類。
這個條件在水務行業一般都能滿足，但隨著水處理工藝的改進，有些水廠采用膜處理工藝，出水電導率較低，需要在選型的時候考慮低電導率使用專用電磁流量計。
（2）選擇合適口徑的傳感器
電磁流量計實質是測量介質的流速，它是速度式流量計。一般電磁流量計推薦流速在0.3m/s-5m/s，在這個范圍內，流量計測量精度高、線性好、水力損耗小、介質對流量計傳感器襯里和電極的磨損也較小。以某品牌電磁流量計選型樣本提供的流速曲線為例（見圖3），可以看出流量越小、流速越慢，測量誤差越大，曲線在0.3m/s處存在拐點。
得出圖3的流速曲線有一個前提條件，就是保證流量計前后直管段的要求。為了使流過傳感器介質流態穩定，測量精度不受流速分布影響，通常對流量計直管段長度要求上游10D、下游5D（D為電磁流量計口徑），如圖4所示。直管段是從電磁流量計傳感器中點算起，并是不很多人以為的法蘭連接處算起。
所以在有些流速偏低工況下，為了使電磁流量計工作在合適的流速范圍，允許有一定的壓力損失時，可以選擇流量計傳感器的口徑小于管道口徑，在儀表前后增加異徑管，提高介質流速。異徑管的中心錐角α不大于15°，可以視為直管，如圖5。
3.1.2轉換器選型
轉換器接收傳感器微弱的電壓信號，通過模數轉換將被測介質的瞬時流量、累積流量等信息顯示，并具有通訊接口輸出流量計各種數據。
（1）精度等級選擇
一般流量計廠家都會有不同精度的轉換器可供選擇，精度越高價格越貴，常規轉換器精度±0.2%～±0.5%可供選擇。一般在貿易結算場合會選配高精度轉換器，在水處理藥劑投加等場合會選配相對精度低、性價比合適的轉換器。
（2）供電方式選擇
根據流量計不同安裝場合，可根據需要選擇電池、AC100 - 230V、DC 24V等供電方式。現在有流量計廠家轉換器可以自適應電源，不論AC 230V還是DC 24V輸入都能正常工作。
（3）輸出、通訊方式選擇
一般情況下，轉換器帶有4-20mA電流、脈沖輸出等，用來輸出瞬時流量、累計流量等狀態。還可根據需要選擇Modbus、PROFIBUS-DP、Profibus-PA通訊方式，數字通訊相比于開關量或模擬量輸出，在抗干擾、傳輸距離、數據準確性上更好，但價格也相應的更貴。
3.1.3
電纜線選型
電纜線一般有兩根，一根信號電纜：將傳感器電極信號傳輸到轉換器輸入端；另一根勵磁電纜：給傳感器勵磁線圈供電。針對IP68的傳感器，選擇合適的電纜線長度就顯得尤為重要。電纜線太短，需要加長電纜線以及相應的接線盒、密封膠水；電纜線太長，增加成本、穿線施工難度、受信號干擾的可能性等。多少長度的電纜線和介質的電導率有關，當介質電導率很低的時候，電容效應會使電路電壓發生改變。
式中
Ei 傳輸時轉換器輸入端流量信號；
Ri 轉換器輸入電阻；
r 傳感器電極間電阻
E 傳感器二電極感應流量信號；
當Ri＞＞r，C0（連接電纜二線間分布電容）很小時，Ei≈E；當介質電導率很低，轉換器輸入電壓衰減Ei，而C0分布電容并聯效應顯著，且波形發生畸變。當被檢測介質電導率低，傳感器與轉換器間距長時，使用多重屏蔽電纜的概率越高。
以某品牌電磁流量計選型樣本提供的電導率和電纜長度曲線為例，其中A型電纜為雙芯雙屏蔽DS300、B型電纜為雙芯三屏蔽BTS300。像浙江省一般水庫原水電導率在100us/cm左右，安裝所需電纜線小于100米，選A型即可，超過100米，需要選B型。
3.1.4
傳感器選型
傳感器由導管、襯里、電極、線圈、外殼、法蘭和接線盒組成。其中襯里、電極直接和介質接觸，需要根據被測介質的物理化學特性選型。
3.1.4.1
電極選型
（1）材質選型
電極對被測量介質的耐腐、抗磨蝕、無電化學反應是選擇材質考慮的因素。常用金屬材料有含鉬耐酸鋼、哈氏合金B、哈氏合金C、鈦、鉭、鉑銥合金等。由于介質種類繁多,其腐蝕性又受溫度、濃度、流速等復雜因素影響而變化,生產廠僅能給出很粗略的各種電極的適用范圍。電極材質的選擇可從使用者借鑒該介質在其他設備的應用實例和以往的經驗來確定。浙江某自來水廠用于計量5-10%次氯酸鈉投加，電極材質選擇了哈氏合金，在運行使用1年多的時間后，出現傳感器故障，返廠檢測發現電極腐蝕，后我司選擇鈦電極材質，現運行情況良好。水行業常規選型詳見表2。
（2）形式選型
不同廠家會有不同形式的電極可供選擇，如刮刀電極、可更換電極、彈型電極等。刮刀電極可手動清除電極表面污垢；可更換電極可在線拆下清洗電極；彈型電極可通過水流自清洗。在容易積垢的場合，如自來水廠原水管道可考慮選用以上三種形式電極，但是帶刮刀電極的傳感器對口徑有要求，一般需要口徑大于DN350。對于刮刀電極、可更換電極在操作拆卸中存在漏水可能，需要特別注意。在現在有的流量計廠家轉換器有電極清洗電路(ECC)，轉換器可定期釋放電壓脈沖，避免磁性物質在電極上的積存。在浙江省的污水廠，拆卸整個傳感器后清洗電極，效果更好。
3.1.4.2
襯里選型
常用襯里材料有氯丁橡膠、聚氨酯橡膠、氟塑料、陶瓷等。
氯丁橡膠用于非腐蝕性或弱腐蝕性液體，如自來水、污廢水。
聚氨酯橡膠有極好的耐磨耗性，但耐酸堿的腐蝕性較差。它的耐磨性相當于天然橡膠的10倍，適用于水處理石灰、活性炭等溶液。
氟塑料主要有聚四氟乙烯、聚全氟已丙烯、聚氟合乙烯等，具有優良的耐化學腐蝕性，但耐磨性，抗負壓性差。后開發各種改性材質，如在襯里中加金屬網，加強了與測量管之間的結合力，改善了抗負壓性能，可用于水處理次氯酸鈉、PAC等溶液。
水行業常規的襯里選擇基本上就以上三種。另襯里的耐溫性能有時也需要考慮，如處理印染廢水，水溫會比較高。
3.1.4.3
法蘭
水行業中電磁流量計傳感器和管道的連接基本采用法蘭連接。
法蘭有國標、德標、國際標準、美標等，因流量計很多為進口品牌，法蘭標準一定要選正確。
法蘭的壓力等級也一定要選擇正確，1）如果是舊款更換為新款、不同品牌之間流量計的更換，則法蘭壓力等級一定要和初始流量計一致；2）如果是新裝流量計，則根據設計規范要求，流量計、管道和伸縮節選擇匹配壓力等級。口徑大于DN1200的流量計標配壓力等級通常為PN6，會與現場管道常規的PN10不一致，需要注意。另如水庫出水流量計，選型時需要根據現場水位落差，提高法蘭壓力等級。
法蘭材質有碳鋼、不銹鋼等可供選擇。
另現在有流量計廠家還有松套法蘭安裝方式可供選擇，方便拆裝。
密封墊片在法蘭連接的安裝時必定會用到，同樣需要根據介質進行合適選擇，不然會發生腐蝕導致法蘭連接處漏液。如水廠消毒需要加次氯酸鈉的流量計密封墊片需要采用氟橡膠。
3.1.4.3
接地環
當工藝管道為塑料或絕緣襯里金屬管時，需安裝接地環，以便電磁流量計取得參考電位。原則上接地環材質需要和電極材質一致。對于小口徑電磁流量計，接地環的價格基本是能夠接受的，即使是貴金屬材質。但是對于較大口徑的產品，如果涉及到必須使用貴金屬材質的接地環，如鉭、鉑等，則價格非常昂貴。這種情況下可以考慮使用以PTFE為主體，上附貴金屬絲或金屬條的接地環，不過這種形式的接地環因接觸面積變小，接地效果一般。另外如果需要使用哈氏合金電極的工況，可以配活性比哈氏合金更高的316L接地環，讓介質先腐蝕316L接地環，從而保護電極，但這種方式的問題在于需要定期更換接地環。現在有流量計廠家傳感器帶有接地電極，或者轉換器帶有虛擬接地功能，可以不需要裝接地環，具體采用哪種方式，算上價格因素綜合考慮。
3.2
選型總結
根據使用經驗，對水務行業常規會用到的傳感器電極和襯里材質做一些總結。腐蝕問題非常復雜, 工程上沒有100%確保，最好的方法是經驗法，經驗來自于使用。耐腐蝕的能力與材料的成本是成正比例的，達到壽命與成本的平衡點是較理想的。
04安裝和使用
4.1
對于貿易結算及重要計量點流量計新安裝的建議
對于新裝電磁流量計，為了盡早發現問題，提供如下方案：
（1）在滿足現場管道設計要求的前提下，宜在同一管道上安裝兩臺同一品牌的流量計。若兩臺流量計之間出現較大偏差，可以第一時間發現問題，并進行維修，避免影響計量。
（2）可在兩臺流量計中間安裝一段不銹鋼管，預留安裝位置以供超聲波比對。
4.2
信號干擾問題
（1）不論管道是否接地、管道材質，建議傳感器需安裝接地環。兩個接地環跨接，將水中的干擾盡可能屏蔽。
（2）傳感器和轉換器及電纜都需避開動力電纜、變頻器及變頻器出線電纜。電纜線套鍍鋅管并有良好接地。
（3）信號電纜與勵磁電纜分開穿管，可防止干擾及機械損傷。
4.3
防雷問題
大部分用戶雖然在電源及PLC端都安裝了浪涌保護器，仍然存在流量計遭雷擊現象，其原因大部分是從4-20mA、MODBUS等通訊線或流量計勵磁、信號線處引來感應雷而擊壞儀表。我們在電源線、通訊線、流量計傳感器的信號線、勵磁線上安裝浪涌保護器，并做單獨接地樁，以起到了一定的防雷效果。
4.4
電極結垢的影響
可采用高壓電擊電極，電壓可采用交流110V、交流220V、搖表500V。將電壓接在電極兩端電擊30秒，再換相電擊30秒反復操作，看其效果。該操作建議由專業技術員進行，因為操作不當可能損壞電極。另一種方式就是，拆卸整個傳感器后清洗電極，效果更好。
4.5
對于電纜加長或斷線連接的問題
很多用戶在電纜加長或斷線連接時，只采用防水膠布進行簡單的處理，最后造成絕緣偏低。在處理此問題時，必須在接線處采用接線盒和IP68膠水，并建議由專業技術員操作。
4.6
次氯酸鈉投加流量計安裝建議
傳感器安裝需要采垂直安裝，不建議水平安裝。因次氯酸鈉易分解產生氣體，我們在實際過程中發現，水平安裝會在傳感器中存有氣泡，影響測量。在傳感器安裝的前后管道采用透明PVC-U，方便觀察管道內介質的情況。
05
具體案例分享
5.1
紹興某水廠加藥流量計數據異常
（1）問題
水廠值班人員發現次氯酸鈉投加系統中有一臺流量計近期開始數據明顯偏大，數字計量泵投加量基本在80L/h左右，流量計顯示流量計達到120 L/h左右。流量計口徑DN15，哈氏合金電極，四氟內襯，安裝在投加管溝內。
（2）診斷
1）首先查看流量計轉換器沒有故障報警，后用專用模擬發生器檢測正常。排除轉換器故障可能性。
2）檢測傳感器各項阻值在正常范圍之內。但在檢查傳感器法蘭接口、底座等部位時發現，防銹漆處明顯腐蝕。從加藥管道上拆下傳感器，發現316L接地環明顯被腐蝕，傳感器內部被堵塞，堵塞物質為316L接地環上的被銹蝕下來的金屬物質。對傳感器進行清潔，還是有部分附著在電極處的結垢無法去除，判斷電極被電化學腐蝕。需更換傳感器和接地環。
（3）結論
流量計傳感器電極、接地環需要選擇耐次氯酸鈉腐蝕的金屬材質，推薦使用鈦。
5.2
黃巖某鄉鎮水廠出廠水流量計數據異常
（1）問題
在夏天一次臺風過后，出水流量計數據和之前比較偏小百分之五十以上，水泵功率沒有明顯變化。流量計口徑DN400，不銹鋼電極，橡膠內襯，安裝在流量計井內。
（2）診斷
1）首先查看流量計轉換器沒有故障報警，后用專用模擬發生器檢測正常。排除轉換器故障可能性。
2）檢測傳感器各項阻值，發現勵磁線圈對地絕緣電阻小于1M歐姆。正常情況勵磁線圈對地絕緣電阻需大于20M歐姆。向客戶了解到，該流量計出廠防護等級為IP67，傳感器上接線盒內膠水為后期現場封膠。將膠水挖除，發現內部進水，膠水中有很多孔隙。判斷：①封IP68膠水時操作不當，沒有達到封膠要求；②可能當時天氣過熱，膠水內部氣泡沒有充分逸出，導致膠水內部有很多孔隙導致進水。
（3）結論
1）流量計傳感器安裝在室外井內，訂貨時要選擇IP68的防護等級。2）建議在井內安裝潛水泵及配套控制柜，實現自動排水，保持井內傳感器不被水浸泡。
5.3
臺州某泵站進水流量計通訊異常
（1）問題
泵站值班人員發現，中控界面顯示流量計瞬時流量和累計流量數據波動很大，到現場查看流量計轉換器顯示數據確實波動很大。流量計轉換器和配電柜安裝在同一房間。
（2）診斷
1）首先查看流量計轉換器沒有故障報警，后用專用模擬發生器檢測正常。檢測傳感器各項阻值均正常。排除流量計本身故障問題。
2）泵站是間歇性運行。到現場檢查發現，流量計出現波動是在開泵運行時。首先懷疑是水泵不正常運行，導致管道中產生氣泡，讓流量數據波動，經檢測水泵正常。在轉換器安裝房間查看，發現配電柜外放了一個變頻器，詢問泵站值班長，了解到之前的變頻器壞了，重新采購了一臺新變頻器，因新舊變頻器品牌不同，外形尺寸有差異，新變頻器安裝不進配電柜內，只能臨時安放在房間地面上。查看中控流量計歷史數據曲線，出現流量波動時間和更換變頻器時間吻合。判斷為變頻器干擾流量信號。因現場變頻器暫時安裝不回配電柜，先對流量計的信號線、通訊輸出線套鍍鋅鋼管，并對鍍鋅鋼管進行接地處理。開泵測試，流量計數據不再波動，恢復正常。
（3）結論
流量計安裝避免磁場干擾，需要遠離變頻器、動力電纜等。因現場條件限制無法避免，需要在電纜外套金屬管，并做好接地。
5.4
杭州某泵站流量計法蘭壓力等級
（1）問題
泵站進水DN1400電磁流量計檢測發現，傳感器勵磁線圈對地絕緣為零，考慮到流量計使用年限超過10年，更換新流量計。在更換新流量計時，出現新流量計法蘭和原管道法蘭孔錯位的問題，導致不能按照停水計劃更換新流量計。
（2）診斷
因原先流量計傳感器銘牌缺失，技術員到現場實地查看時，測量流量計傳感器法蘭尺寸不全面，沒有測量法蘭外周長，精確的測量螺絲孔徑，去判定法蘭壓力等級。錯誤的判定法蘭壓力等級為0.6MPa，而實際管道、伸縮節壓力等級為1.0 MPa。
補救方案：
根據現場對1.0MPa伸縮節和0.6MPa流量計傳感器法蘭片的實際測量，確定流量計和伸縮節的實際內徑為都為1400mm，螺絲孔數量都為36個，1.0MPa和0.6MPa法蘭的區別在于螺絲孔徑、法蘭外徑、螺絲孔中心距不同。經測量流量計法蘭孔上邊緣離法蘭外邊緣有17.5mm,可以有8mm擴大距離，通過將流量計法蘭孔擴大，流量計和伸縮節以及管道法蘭可以穿M30螺桿，進行補救安裝。
（3）結論
舊款更換為新款、不同品牌之間流量計的更換，法蘭壓力等級一定要和初始流量計一致。流量計、管道和伸縮節三者壓力等級一定要一致。口徑大于DN1200的流量計標配壓力等級通常為PN6，會與現場管道常規的PN10不一致，訂貨時需要特別注意。
5.5
電磁流量計改造為超聲波流量計
（1）問題
杭州水務某水廠出廠水有5臺進口品牌的電磁流量計，其中1、2號流量計的口徑為DN900，3、4、5號流量計的口徑為DN800。使用起始時間為1994年，現已無法準確計量，需更換流量計，保證水廠更好的生產運行。若更換新的電磁流量計，會有5-8小時停水時間，會對供水調度產生影響。綜合考慮，采用將電磁流量計改造為超聲波流量計方案。
（2）改造方案：
①現場管道周圍有必要空間
橫向達到管道左右各80厘米，縱向達到250厘米（以原電磁流量計傳感器為中心并除外，左右各約達到60厘米以上），現場滿足要求。
②超聲波流量計安裝在原有的電磁流量計位置上，原有電磁流量計需報廢，拆除電磁流量計外殼及線圈。
③先在原電磁流量計不銹鋼導管上焊接超聲波流量計換能器底座，換能器可以不斷流帶壓安裝，不影響水廠正常供水。
（3）結論
5臺新更換超聲波流量計選用5聲道，達到0.5%的精度。自2014年至今運行良好。換能器出現結垢現象，可帶壓拆卸逐一清洗。5組超聲波換能器任意一個出現故障，其余4組仍可正常工作（精度略微降低），更換或維修故障換能器即可。現各個水廠進、出水大口徑電磁流量計普遍使用年限較高，在出現故障需更換時，可考慮電磁流量計改造為超聲波流量計方案。
5.6
貿易結算及重要計量點電磁流量計安裝
①舟山水司在同一管道上安裝兩臺同一品牌的流量計，以及一段不銹鋼管段，預留安裝位置以供超聲波比對。通過流量計冗余的安裝方式，在兩臺流量計出現計量偏差，可以第一時間發現問題，提供報警。故障流量計進行維修時，另一流量計仍然正常計量。
②蕭山水司在流量計后安裝一段不銹鋼管，預留安裝位置以供超聲波比對。
結論
在滿足現場管道設計要求的前提下，冗余的安裝和增加不銹鋼管段的安裝，相信會是今后各水司流量計安裝的趨勢。
06
結 語
作為一名服務于水行業的技術人員，在文中對電磁流量計的選型、安裝、使用和案例做了初淺的分享。電磁流量計作為水行業中廣泛使用的計量設備，其選型應遵循在滿足測量現場的工況條件，達到流量計的精度與功能，且性價比最高。通過不斷總結實際應用經驗，讓電磁流量計能更好的服務于這個行業。