水务行业电磁流量计选型及应用浅析

城镇供、排水重要的基础设施之中，经常会涉及到水量的计量，而电磁流量计是最常见的计量设备之一。自来水厂的进水、出水管道上会安装电磁流量计用作贸易结算，投加水处理药剂的管道上也会安装电磁流量计来实现精确加药。供水、排水管网上同样会安装电磁流量计监测流量。电磁流量计合理的选型就显的非常重要，它能保证其测量的精确度、稳定性、长寿命。本文就选型问题、实际应用案例，做初浅的分析。

电磁流量计原理为法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力运动时在其两端产生感应电动势。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗莱明右手定则”，其值如下式：

图1 流量计原理图

电磁流量计由传感器、转换器和电缆线组成，其结构如图2所示，传感器测量管上下装有激磁线圈，通激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。激磁电流则由转换器提供。

图2 结构示意图

若电缆连接线很短，安装在流量计壳体内，传感器与转换器组成一体为一体型流量计，若传感器与转换器分开独立安装，两者之间用电缆连接，则称分体型电磁流量计。流量计需安装在被测介质的管道上，可能置于在井下等工况较差的环境，存在被水浸泡、风吹日晒的可能。传感器部分防护等级通常能达到IP68，但是转换器部分只能达到IP65/66，故水行业大部分电磁流量计都会选择分体式，转换器和传感器中间采用电缆线连接。

电磁流量计选型原则应遵循在满足测量现场的工况条件，达到流量计的精度与功能，性价比最高的。主要有工况、转换器、电缆线和传感器四个选型要素。

（1）满足被测量介质的电导率要求

介质电导率限制条件为б≥ 1-5us/cm（б水>20us/cm），不能测量非导电介质,如气体、油类。

这个条件在水务行业一般都能满足，但随着水处理工艺的改进，有些水厂采用膜处理工艺，出水电导率较低，需要在选型的时候考虑低电导率使用专用电磁流量计。

（2）选择合适口径的传感器

电磁流量计实质是测量介质的流速，它是速度式流量计。一般电磁流量计推荐流速在0.3m/s-5m/s，在这个范围内，流量计测量精度高、线性好、水力损耗小、介质对流量计传感器衬里和电极的磨损也较小。以某品牌电磁流量计选型样本提供的流速曲线为例（见图3），可以看出流量越小、流速越慢，测量误差越大，曲线在0.3m/s处存在拐点。

图3 三种不同型号流量计流速曲线

得出图3的流速曲线有一个前提条件，就是保证流量计前后直管段的要求。为了使流过传感器介质流态稳定，测量精度不受流速分布影响，通常对流量计直管段长度要求上游10D、下游5D（D为电磁流量计口径），如图4所示。直管段是从电磁流量计传感器中点算起，并是不很多人以为的法兰连接处算起。

图4 对传感器上游侧直管段的要求

所以在有些流速偏低工况下，为了使电磁流量计工作在合适的流速范围，允许有一定的压力损失时，可以选择流量计传感器的口径小于管道口径，在仪表前后增加异径管，提高介质流速。异径管的中心锥角α不大于15°，可以视为直管，如图5。

图5 异径管的中心锥角图示

（3）流量计流速、口径、流量对应表

表1 流量计流速—口径—流量对应表

转换器接收传感器微弱的电压信号，通过模数转换将被测介质的瞬时流量、累积流量等信息显示，并具有通讯接口输出流量计各种数据。

（1）精度等级选择

一般流量计厂家都会有不同精度的转换器可供选择，精度越高价格越贵，常规转换器精度±0.2%～±0.5%可供选择。一般在贸易结算场合会选配高精度转换器，在水处理药剂投加等场合会选配相对精度低、性价比合适的转换器。

（2）供电方式选择

根据流量计不同安装场合，可根据需要选择电池、AC100 - 230V、DC 24V等供电方式。现在有流量计厂家转换器可以自适应电源，不论AC 230V还是DC 24V输入都能正常工作。

（3）输出、通讯方式选择

一般情况下，转换器带有4-20mA电流、脉冲输出等，用来输出瞬时流量、累计流量等状态。还可根据需要选择Modbus、PROFIBUS-DP、Profibus-PA通讯方式，数字通讯相比于开关量或模拟量输出，在抗干扰、传输距离、数据准确性上更好，但价格也相应的更贵。

电缆线一般有两根，一根信号电缆：将传感器电极信号传输到转换器输入端；另一根励磁电缆：给传感器励磁线圈供电。针对IP68的传感器，选择合适的电缆线长度就显得尤为重要。电缆线太短，需要加长电缆线以及相应的接线盒、密封胶水；电缆线太长，增加成本、穿线施工难度、受信号干扰的可能性等。多少长度的电缆线和介质的电导率有关，当介质电导率很低的时候，电容效应会使电路电压发生改变。

式中

E_i  传输时转换器输入端流量信号；

R_i  转换器输入电阻；

r  传感器电极间电阻

E 传感器二电极感应流量信号；

当R_i＞＞r，C₀（连接电缆二线间分布电容）很小时，E_i≈E；当介质电导率很低，转换器输入电压衰减E_i，而C₀分布电容并联效应显著，且波形发生畸变。当被检测介质电导率低，传感器与转换器间距长时，使用多重屏蔽电缆的概率越高。

图6 A型连接电缆

图6 B型连接电缆

以某品牌电磁流量计选型样本提供的电导率和电缆长度曲线为例，其中A型电缆为双芯双屏蔽DS300、B型电缆为双芯三屏蔽BTS300。像浙江省一般水库原水电导率在100us/cm左右，安装所需电缆线小于100米，选A型即可，超过100米，需要选B型。

图7 电缆线选择图

传感器由导管、衬里、电极、线圈、外壳、法兰和接线盒组成。其中衬里、电极直接和介质接触，需要根据被测介质的物理化学特性选型。

（1）材质选型

电极对被测量介质的耐腐、抗磨蚀、无电化学反应是选择材质考虑的因素。常用金属材料有含钼耐酸钢、哈氏合金B、哈氏合金C、钛、钽、铂铱合金等。由于介质种类繁多,其腐蚀性又受温度、浓度、流速等复杂因素影响而变化,生产厂仅能给出很粗略的各种电极的适用范围。电极材质的选择可从使用者借鉴该介质在其他设备的应用实例和以往的经验来确定。浙江某自来水厂用于计量5-10%次氯酸钠投加，电极材质选择了哈氏合金，在运行使用1年多的时间后，出现传感器故障，返厂检测发现电极腐蚀，后我司选择钛电极材质，现运行情况良好。水行业常规选型详见表2。

（2）形式选型

不同厂家会有不同形式的电极可供选择，如刮刀电极、可更换电极、弹型电极等。刮刀电极可手动清除电极表面污垢；可更换电极可在线拆下清洗电极；弹型电极可通过水流自清洗。在容易积垢的场合，如自来水厂原水管道可考虑选用以上三种形式电极，但是带刮刀电极的传感器对口径有要求，一般需要口径大于DN350。对于刮刀电极、可更换电极在操作拆卸中存在漏水可能，需要特别注意。在现在有的流量计厂家转换器有电极清洗电路(ECC)，转换器可定期释放电压脉冲，避免磁性物质在电极上的积存。在浙江省的污水厂，拆卸整个传感器后清洗电极，效果更好。

常用衬里材料有氯丁橡胶、聚氨酯橡胶、氟塑料、陶瓷等。

氯丁橡胶用于非腐蚀性或弱腐蚀性液体，如自来水、污废水。

聚氨酯橡胶有极好的耐磨耗性，但耐酸碱的腐蚀性较差。它的耐磨性相当于天然橡胶的10倍，适用于水处理石灰、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，具有优良的耐化学腐蚀性，但耐磨性，抗负压性差。后开发各种改性材质，如在衬里中加金属网，加强了与测量管之间的结合力，改善了抗负压性能，可用于水处理次氯酸钠、PAC等溶液。

水行业常规的衬里选择基本上就以上三种。另衬里的耐温性能有时也需要考虑，如处理印染废水，水温会比较高。

水行业中电磁流量计传感器和管道的连接基本采用法兰连接。

法兰有国标、德标、国际标准、美标等，因流量计很多为进口品牌，法兰标准一定要选正确。

法兰的压力等级也一定要选择正确，1）如果是旧款更换为新款、不同品牌之间流量计的更换，则法兰压力等级一定要和初始流量计一致；2）如果是新装流量计，则根据设计规范要求，流量计、管道和伸缩节选择匹配压力等级。口径大于DN1200的流量计标配压力等级通常为PN6，会与现场管道常规的PN10不一致，需要注意。另如水库出水流量计，选型时需要根据现场水位落差，提高法兰压力等级。

法兰材质有碳钢、不锈钢等可供选择。

另现在有流量计厂家还有松套法兰安装方式可供选择，方便拆装。

密封垫片在法兰连接的安装时必定会用到，同样需要根据介质进行合适选择，不然会发生腐蚀导致法兰连接处漏液。如水厂消毒需要加次氯酸钠的流量计密封垫片需要采用氟橡胶。

当工艺管道为塑料或绝缘衬里金属管时，需安装接地环，以便电磁流量计取得参考电位。原则上接地环材质需要和电极材质一致。对于小口径电磁流量计，接地环的价格基本是能够接受的，即使是贵金属材质。但是对于较大口径的产品，如果涉及到必须使用贵金属材质的接地环，如钽、铂等，则价格非常昂贵。这种情况下可以考虑使用以PTFE为主体，上附贵金属丝或金属条的接地环，不过这种形式的接地环因接触面积变小，接地效果一般。另外如果需要使用哈氏合金电极的工况，可以配活性比哈氏合金更高的316L接地环，让介质先腐蚀316L接地环，从而保护电极，但这种方式的问题在于需要定期更换接地环。现在有流量计厂家传感器带有接地电极，或者转换器带有虚拟接地功能，可以不需要装接地环，具体采用哪种方式，算上价格因素综合考虑。

根据使用经验，对水务行业常规会用到的传感器电极和衬里材质做一些总结。腐蚀问题非常复杂, 工程上没有100%确保，最好的方法是经验法，经验来自于使用。耐腐蚀的能力与材料的成本是成正比例的，达到寿命与成本的平衡点是较理想的。

表2 电极衬里选型总结表

对于新装电磁流量计，为了尽早发现问题，提供如下方案：

（1）在满足现场管道设计要求的前提下，宜在同一管道上安装两台同一品牌的流量计。若两台流量计之间出现较大偏差，可以第一时间发现问题，并进行维修，避免影响计量。

（2）可在两台流量计中间安装一段不锈钢管，预留安装位置以供超声波比对。

（1）不论管道是否接地、管道材质，建议传感器需安装接地环。两个接地环跨接，将水中的干扰尽可能屏蔽。

（2）传感器和转换器及电缆都需避开动力电缆、变频器及变频器出线电缆。电缆线套镀锌管并有良好接地。

（3）信号电缆与励磁电缆分开穿管，可防止干扰及机械损伤。

大部分用户虽然在电源及PLC端都安装了浪涌保护器，仍然存在流量计遭雷击现象，其原因大部分是从4-20mA、MODBUS等通讯线或流量计励磁、信号线处引来感应雷而击坏仪表。我们在电源线、通讯线、流量计传感器的信号线、励磁线上安装浪涌保护器，并做单独接地桩，以起到了一定的防雷效果。

可采用高压电击电极，电压可采用交流110V、交流220V、摇表500V。将电压接在电极两端电击30秒，再换相电击30秒反复操作，看其效果。该操作建议由专业技术员进行，因为操作不当可能损坏电极。另一种方式就是，拆卸整个传感器后清洗电极，效果更好。

很多用户在电缆加长或断线连接时，只采用防水胶布进行简单的处理，最后造成绝缘偏低。在处理此问题时，必须在接线处采用接线盒和IP68胶水，并建议由专业技术员操作。

传感器安装需要采垂直安装，不建议水平安装。因次氯酸钠易分解产生气体，我们在实际过程中发现，水平安装会在传感器中存有气泡，影响测量。在传感器安装的前后管道采用透明PVC-U，方便观察管道内介质的情况。

（1）问题

在夏天一次台风过后，出水流量计数据和之前比较偏小百分之五十以上，水泵功率没有明显变化。流量计口径DN400，不锈钢电极，橡胶内衬，安装在流量计井内。

（2）诊断

1）首先查看流量计转换器没有故障报警，后用专用模拟发生器检测正常。排除转换器故障可能性。

2）检测传感器各项阻值，发现励磁线圈对地绝缘电阻小于1M欧姆。正常情况励磁线圈对地绝缘电阻需大于20M欧姆。向客户了解到，该流量计出厂防护等级为IP67，传感器上接线盒内胶水为后期现场封胶。将胶水挖除，发现内部进水，胶水中有很多孔隙。判断：①封IP68胶水时操作不当，没有达到封胶要求；②可能当时天气过热，胶水内部气泡没有充分逸出，导致胶水内部有很多孔隙导致进水。

（3）结论

     1）流量计传感器安装在室外井内，订货时要选择IP68的防护等级。2）建议在井内安装潜水泵及配套控制柜，实现自动排水，保持井内传感器不被水浸泡。

（1）问题

泵站值班人员发现，中控界面显示流量计瞬时流量和累计流量数据波动很大，到现场查看流量计转换器显示数据确实波动很大。流量计转换器和配电柜安装在同一房间。

（2）诊断

1）首先查看流量计转换器没有故障报警，后用专用模拟发生器检测正常。检测传感器各项阻值均正常。排除流量计本身故障问题。

2）泵站是间歇性运行。到现场检查发现，流量计出现波动是在开泵运行时。首先怀疑是水泵不正常运行，导致管道中产生气泡，让流量数据波动，经检测水泵正常。在转换器安装房间查看，发现配电柜外放了一个变频器，询问泵站值班长，了解到之前的变频器坏了，重新采购了一台新变频器，因新旧变频器品牌不同，外形尺寸有差异，新变频器安装不进配电柜内，只能临时安放在房间地面上。查看中控流量计历史数据曲线，出现流量波动时间和更换变频器时间吻合。判断为变频器干扰流量信号。因现场变频器暂时安装不回配电柜，先对流量计的信号线、通讯输出线套镀锌钢管，并对镀锌钢管进行接地处理。开泵测试，流量计数据不再波动，恢复正常。

（3）结论

流量计安装避免磁场干扰，需要远离变频器、动力电缆等。因现场条件限制无法避免，需要在电缆外套金属管，并做好接地。

（1）问题

泵站进水DN1400电磁流量计检测发现，传感器励磁线圈对地绝缘为零，考虑到流量计使用年限超过10年，更换新流量计。在更换新流量计时，出现新流量计法兰和原管道法兰孔错位的问题，导致不能按照停水计划更换新流量计。

（2）诊断

因原先流量计传感器铭牌缺失，技术员到现场实地查看时，测量流量计传感器法兰尺寸不全面，没有测量法兰外周长，精确的测量螺丝孔径，去判定法兰压力等级。错误的判定法兰压力等级为0.6MPa，而实际管道、伸缩节压力等级为1.0 MPa。

补救方案：

根据现场对1.0MPa伸缩节和0.6MPa流量计传感器法兰片的实际测量，确定流量计和伸缩节的实际内径为都为1400mm，螺丝孔数量都为36个，1.0MPa和0.6MPa法兰的区别在于螺丝孔径、法兰外径、螺丝孔中心距不同。经测量流量计法兰孔上边缘离法兰外边缘有17.5mm,可以有8mm扩大距离，通过将流量计法兰孔扩大，流量计和伸缩节以及管道法兰可以穿M30螺杆，进行补救安装。

（3）结论

旧款更换为新款、不同品牌之间流量计的更换，法兰压力等级一定要和初始流量计一致。流量计、管道和伸缩节三者压力等级一定要一致。口径大于DN1200的流量计标配压力等级通常为PN6，会与现场管道常规的PN10不一致，订货时需要特别注意。

作为一名服务于水行业的技术人员，在文中对电磁流量计的选型、安装、使用和案例做了初浅的分享。电磁流量计作为水行业中广泛使用的计量设备，其选型应遵循在满足测量现场的工况条件，达到流量计的精度与功能，且性价比最高。通过不断总结实际应用经验，让电磁流量计能更好的服务于这个行业。

参考文献

[1] ZBN 12007-89 电磁流量计

[2] 左景伊，左禹。腐蚀数据与选材手册。北京：化学工业出版社，1995