电磁流速仪在水文现代化与新技术中的应用

电磁流速仪也是一种可以长期工作的自动流速仪。这类仪器在水文上应用很少，在工业管道流量计上应用普遍，作为海流计也有成功的应用。除了进口仪器外，国内水文部门有少量研制和应用。

2.3.4.1　电磁流速仪的工作原理和仪器类型

电磁流速仪是基于法拉第电磁感应定律工作的，可用来测量多种导电液体的流速。天然水在不同程度上导电，可以用此原理测速。电磁流速仪测速原理图如图2.42所示。

图2.42　电磁流速仪测速原理图

（a）管道；（b）明渠
A—检测电极；B—磁场；D—电极间距；E—感应电动势；—水流平均速度

在与测量水流断面和磁力线相垂直的水流两边安装一对距离为D的检测电极。当水流以的流速流动时，水流切割磁力线产生感应电动势E。此感应电动势由两个检测电极检出，其数值大小与流速成正比。E由下式计算：

式中：E为感应电动势；D为电极间距；B为磁场强度；为水流断面平均速度；K为系数。

已知D和外加磁场B，测得E，由经过率定得到的K就可计算出v。

电磁流速仪有测量点流速和断面平均流速两类。

2.3.4.2　电磁流速仪介绍

1.测量点流速的电磁流速仪

（1）仪器的结构组成。仪器由传感器和控制测量仪组成。传感器放到需测速的测点，控制测量仪在岸上，中间用专用电缆相连接。电磁流速仪外形如图2.43所示。

用来测量管道流量的传感器基本结构如图2.42（a）所示。在过水管道两侧加一稳定的磁场，在另两侧安装两个电极，测量感应电动势。施加磁场的可以是高质量的永磁体，也可以是线圈。传感器中部是过水管，仪器正对水流时，水流从过水管中穿过，测量流速。

现在的电磁流速仪直接在贴近仪器表面处产生一个人造磁场。测量感应电动势的电极就出露在此磁场内，测量此处的流速。使用仪器时，仪器应对准（或自动定向对准）流速方向。有的电磁流速仪可以测得流速、流向。

控制测量部分通过电缆传输测得两电极间的感应电动势，换算成流速流量。如果要通过线圈产生磁场，控制测量部分还有自动上电控制功能。测得值可以通过标准接口输出，用于通信传输。

图2.43　电磁流速仪

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图2.44　S4型电磁海流计

用于海流测量的电磁流速仪常制作成球形，外圆上有3～4个测速点，测速点附近有人造磁场。悬吊或悬浮在水体中时，可以同时测得3～4个流速分量。再合成为相对于仪器本身坐标的流速矢量。美国S4型电磁海流计外形如图2.44所示。仪器内又装有自动罗盘和倾斜仪，根据自动测得的方向和倾斜，将上述基于仪器的流速矢量转换成地球坐标的流速矢量。这样的仪器都是一体化结构，测控部分、数据处理记录部分、电源都安装在仪器内。定点放置在某一位置时，可以长期自动测量该点流速。这样的仪器还可以同时测量多个其他参数。

（2）仪器性能。美国S4型电磁海流计，可以自动测记流速流向，深度、温度、盐度各种水文要素，其测速技术性能如下。测速范围：0～1m/s、0～3.5m/s、0～6m/s、0～7.5 m/s；速度分辨力：0.2cm/s、0.35cm/s；测速准确度：2%±1cm/s；流向：360°；流向分辨力：0.5°；流向准确度：±2°；倾斜修正范围：45°；具有水深测量、常规水质测量等功能；内存：1Mb。

图2.43所示的电磁流速仪是一种用于明渠水流测量的点流速仪。用测杆安装放至水中测点，测量此点流速。由于没有运动部件，此类仪器可以在浅水、低速中测速，也很少受水环境、水质影响。

2.测量断面流速的电磁流速仪

整个仪器可称为一测量系统，如图2.42（b）所示。用于河流断面流速测量时，测量断面很大，要产生一个这么大的磁场很困难。首先就想利用地磁场，但地磁场太弱，又有方向性限制，难以实际应用。另外的方法就是人工产生磁场。在较小河流的河底或河岸上布设一大型线圈，通电产生横过水流的磁场。这样的电磁法测速不但工程量大，还要有一大的供电系统。电极布设和测控部分也会有相应的不同要求和难度。

国内没有这类仪器的应用产品，管道电磁流量计是同类产品，但只用于管道流量测量。国外有少量产品，用于小河、渠道的流量测量。

2.3.4.3　电磁流速仪的安装和应用

测量点流速的传感器可以固定安装在水下，仪器要正对水流。在河流中使用要安装在测杆上，也可以悬吊安装，但传感器必须有自动对准水流的导向装置，如带有尾翼或装在能自动对准流向的铅鱼上。向水上引装电缆要特别注意，尽量使电缆不受水流过分冲击，尽可能加以分段固定在悬索上。一般讲，电磁流速仪的电缆长度有一定限制，使它不宜用于悬吊安装。

电磁海流计都带有专门设计的悬挂装置，悬挂或浮在水体中。也可能是底部锚定的悬浮方式安装。测得数据存储在仪器内，或者用无线电波传出，没有电缆引出。

电磁流速仪可以用于需要长期测记流速的场合，仪器能自动工作。工作前设置好要求的各种参数。电磁海流计只适用于长期自记测速。只用于点流速测量的电磁流速仪常用来测量河流中的点流速，整个应用过程和转子式流速仪相仿。

2.3.4.4　电磁流速仪的特性和准确性分析

电磁流速仪测速很快，无可动部件，可以长期自动工作。用于海流测量的仪器已很成熟可靠，测量准确度也还好，并可用于陆地水体测流。

测量河流剖面流速的电磁流速仪，结构庞大，要布设人工磁场，增设电源，测量结果也并不突出，还只能用于小河，我国很少应用。

需要进行流速自动测量的水库、湖泊、大江大河可以试用电磁海流计。测量点流速的电磁流速仪在应用要求、功能上和转子式流速仪差别不大。虽然电磁流速仪没有可动部件，可以长期测速，但在应用时必须从水下接出一电缆，影响它的应用范围。除了长期测速和野外小河渠道的巡回测速外，电磁流速仪并没有明显优于转子式流速仪。

从物理上讲，应用法拉第电磁感应定律测流应该是准确的。但在野外应用，影响因素太多，各种数值都有误差，计算结果也有较大的不确定性，故测速准确度不会太高。

2.3.4.5　电磁流速仪的定期检查和流速比测

按仪器的要求定期检查其功能。

实际应用中情况复杂，有些仪器需要进行流速比测。测量点流速的电磁流速仪可以用流速仪检定水槽进行室内检定，现场使用中要常和标准转子式流速仪进行比测检定。

测量河流断面平均流速的电磁流速测量系统在现场安装好后，必须用转子式流速仪在现场同步测量断面平均流速，进行比测检定。