淺談電磁流量計(jì)與電磁水表的區(qū)別

了解電磁流量計(jì)和電磁水表的區(qū)別對電磁流量計(jì)和電磁水表的設(shè)計(jì)及研發(fā)具有重要意義。文章介紹了電磁流量計(jì)的原理、用途及優(yōu)缺點(diǎn)，從使用領(lǐng)域、精度、口徑、量程范圍 ( 計(jì)量流速范圍) 及量程遷移、重復(fù)性、供電方式 ( 功耗) 、采樣速率、管道結(jié)構(gòu)與測量直管段、儀表通信和使用環(huán)境等十個(gè)方面分析電磁流量計(jì)和電磁水表的區(qū)別。

電磁流量計(jì)是一種基于法拉第電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)制造的計(jì)量導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的速度式儀表。通常電磁流量計(jì)與介質(zhì)接觸的內(nèi)腔部位為一個(gè)圓筒形直管,一對測量電極鑲嵌在中部,呈對稱分布,電極與介質(zhì)間的部位為一對直徑為6~10 mm的圓餅狀薄金屬,其伸出部分厚度僅2~4 mm,幾乎不影響流態(tài)的變化。這種簡單的無可動(dòng)部件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu),猶如一根普通的圓筒形流體管道,因而不產(chǎn)生任何壓損,也不會(huì)被某些介質(zhì)中的懸浮物及固態(tài)雜質(zhì)所阻塞。電磁流量計(jì)產(chǎn)生的電極信號幅度與流體的流速成正比,因而電信號經(jīng)放大處理后得到的流量數(shù)據(jù),線性度非常理想。

電磁流量計(jì)測量精度高、量程比寬、重復(fù)性和線性均十分優(yōu)良;通?？蓽y量流速在0.4~12 m/s范圍的各種導(dǎo)電介質(zhì);可以雙向計(jì)量;測量介質(zhì)可以是單一溶液,也可以是固、液混合物,也允許有氣泡(氣泡和固態(tài)物質(zhì)將增加計(jì)量介質(zhì)體積流量的誤差)。

電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于各類導(dǎo)電介質(zhì)的計(jì)量,如清水、污水、液態(tài)酸、堿、鹽、液態(tài)有機(jī)化工產(chǎn)品、食品工業(yè)中的醬油、醋及酒類等?；煊袎K狀果肉的蘋果醬、混有沙石的混凝土,這些漿狀混合物也可以計(jì)量,只是各種腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)需配置耐腐蝕的工程材料如橡膠、聚四氟乙烯、尼龍等做流量計(jì)的內(nèi)襯。混有氣泡和固態(tài)物質(zhì)的醬料需采用特殊的計(jì)算方法來減少計(jì)量的誤差。

一般的電磁流量計(jì)由于電路復(fù)雜、勵(lì)磁功率較大，整機(jī)功耗需 15～ 25 V ·A，因而需市電( AC220 V)  或?qū)Ｓ玫陌踩娫?( DC24 V)  供電.

隨著電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電磁流量電信號的處理已由 2 ～ 3 mV 精密到 0. 1 mV，動(dòng)態(tài)分辨率可以低至 ± 0. 000 03 mV，這種新技術(shù)功耗極低，完全可以電池供電。由此產(chǎn)生了電磁水表的概念———一種僅計(jì)量清水、內(nèi)部采用鋰電池供電的長壽命智能型電磁流量計(jì)，由于市場定位和使用要求不同，兩者存在較大的區(qū)別，本文做以下評述。

1.應(yīng)用領(lǐng)域

( 1)  電磁流量計(jì)使用廣泛，適用于工業(yè)生產(chǎn)中各種導(dǎo)電介質(zhì)的流量連續(xù)計(jì)量和生產(chǎn)工藝控制領(lǐng)域、科學(xué)研究的計(jì)量測控領(lǐng)域。

( 2)  電磁水表以計(jì)量清水、原水為主。在市政領(lǐng)域得到廣泛使用，主要解決水源和城鄉(xiāng)供水的計(jì)量、統(tǒng)計(jì)、分析、結(jié)算功能。

2.精度

( 1)  電磁流量計(jì)的精度通常為 ± 0. 5% ，高精度的可達(dá)到 ± 0. 2% 、 ± 0. 3% 。

( 2)  電磁水表的精度一般為Ⅱ級 ( Q2  ～ Q4  ±2% ，Q1 ～ Q2 ± 5% ) ，高精度的可達(dá)到 I 級 ( Q2  ～± 1% ，Q1 ～ Q2 ± 3% ) 。

3.口徑

( 1)  電磁流量計(jì)生產(chǎn)廠商大都可以提供 DN20～ DN500 的產(chǎn)品，規(guī)模較大的專業(yè)廠商可以提供DN10 ～ DN3000 的電磁流量計(jì)，DN25 ～ DN600 規(guī)格的應(yīng)用數(shù)量***多。

( 2) 市場應(yīng)用***多的電磁水表口徑在 DN50 ～DN300，少數(shù)先進(jìn)的跨國專業(yè)廠商能生產(chǎn) DN25 ～

DN800 口徑的全系列電磁水表。

量程范圍 ( 計(jì)量流速范圍)  及量程遷移

1)  電磁流量計(jì)的介質(zhì)流速測量范圍通常為4 ～ 12m / s，通常用 Qmax 和 Qmin 來定義計(jì)量范圍， Qmax / Qmin ( 量程比) 一般在 20 ～ 25 范圍，Qmin ～ Qmax 應(yīng)保證精度。如 DN100 的 0. 5 級表，在量程比20 的情況下，在 10  m3 / h ( Qmin ) 至 200 m3 / h( Qmax ) 流量范圍內(nèi)，均應(yīng)保證 ± 0. 5% 的精度。作為電磁流量計(jì)，考慮使用的經(jīng)濟(jì)性，常將 Qmax 選在 6. 5 ～ 8. 5 m / s 流速范圍內(nèi)，如上述 Qmax 為200 m3 / h 的 DN100 電磁流量計(jì)，其 Qmax 流速為7. 07 m / s。廠商可以自行規(guī)定各種口徑的 Qmax 流速，例如某型 DN100 電磁流量計(jì)，其 0. 5 級產(chǎn)品的 Qmax 為 200 m3 / h，Qmax / Qmin ≥25; Qmax 的流速為07 m / s，在 8 ～ 200 m3 / h 量程范圍內(nèi)的誤差小于0. 3% 。

所謂 “量程遷移”，是指該臺(tái)電磁流量計(jì)在某種工藝現(xiàn)場，其流量計(jì)量范圍要調(diào)整到 4 ～ 80 m3 / h，且其電流輸出的 4 mA 對應(yīng)流量是 4 m3 / h，20 mA輸出時(shí)對應(yīng)的測量值為 80 m3 / h。即將這臺(tái)電磁流量計(jì)的計(jì)量范圍由標(biāo)稱的 10 ～ 200 m3 / h，通過菜單改變參數(shù)，“遷移”至 4 ～ 80 m3 / h。當(dāng)然，經(jīng)過這樣的量程遷移 4 ～ 10 m3 / h 流量段的測量精度將超出 ± 0. 5% 的精度要求。通常，電磁流量計(jì)的計(jì)量上限流量點(diǎn)，可 “遷移 ”的流速范圍為 1 ～ 10 m / s。選用電磁流量計(jì)的口徑，要兼顧經(jīng)濟(jì)流速2. 5 ～ 4. 5 m3 / h 和工藝要求。

( 2) 電磁水表的***高測量流速可達(dá) 15 m / s，

通常電磁水表的流量點(diǎn) Q3 選在 12. 5 ～ 13. 5 m / s 流速上。電磁水表的量程范圍參照冷水水表標(biāo)準(zhǔn)，是一種強(qiáng)制執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。眾所周知，冷水水表的流量范圍可由 Q1 ( ***小流量) 、Q2 ( 分界流量) 、 Q3 ( 常用流量) 、Q4 ( ***大流量) 來表述，一般情況下，其流量計(jì)量特性可由量程比 Q3 / Q1 ( Ｒ值) ，Q4 / Q3 =1. 25，Q2 / Q1 =1. 6 來反映。目前跨國先進(jìn)專業(yè)廠商的電磁水表，其 Q3 / Q1 可達(dá) 400。

如西門子 Ⅱ級 DN100 電磁水表，Q3  =250 m3 / h( 流速為 13. 48 m / s) ，Q4  =312. 5 m3 / h ( 流速為16. 85 m / s ) ， Q3 / Q1 =400， Ｒ2 / Q1 =1. 6， Q2 =1. 0 m3 / h，Q1 =0. 63 m3 / h。

電磁水表沒有 “量程遷移”的概念，它的計(jì)量范圍在始動(dòng)流量 QS 至***大流量 Q4 之間，選用電磁水表的口徑，主要應(yīng)考慮滿足經(jīng)濟(jì)流速。

5.重復(fù)性

( 1) 對于電磁流量計(jì)，重復(fù)性是重要的技術(shù)指標(biāo)之一，其重復(fù)性指標(biāo)通常為精度的 1 /3，例如5 級精度的電磁流量計(jì)，其重復(fù)性應(yīng)優(yōu)于

0. 16% ;  0. 2 級表的重復(fù)性應(yīng)優(yōu)于 ± 0. 06% 。

( 2) 電磁水表并不把重復(fù)性作為一項(xiàng)考核的質(zhì)量指標(biāo)，它僅是一項(xiàng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。電磁水表***重要的技術(shù)指標(biāo)為精度，低的始動(dòng)流量，Q1

流量點(diǎn)和量程比 ( Q3 / Q1 ) 。當(dāng)然，對于流量計(jì)來講，兩者均能保證長期連續(xù)的穩(wěn)定運(yùn)行是十分重要的。

6.供電方式 ( 功耗)

( 1) 通常電磁流量計(jì)的處理速率快、處理精度高，控制要求快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確。因電磁流量計(jì)和外界信息交流方式復(fù)雜 ( 輸出 4 ～ 20 mA 電流信號、0 ～ 10KC 頻率信號、ＲS-485 通信、開關(guān)量控制等) ，隔離程度高，因而電子線路多用大量的高速電子元件，功耗可達(dá) 15 ～ 25 V·A，這必須由市電 ( AC220 V) 和專用外電源 ( DC24 V) 供電。因而抗干擾、光電隔離、電磁隔離等防止電源的強(qiáng)電磁沖擊等技術(shù)措施十分必要。

( 2) 電磁水表的采樣速率比較慢，電子線路由先進(jìn)的低功耗、超低功耗的集成電路為主，計(jì)算方法為特殊的高效省電方式，因而功耗極低，可以由內(nèi)部電池來連續(xù)長期供電。這要求電磁水表的電池工作壽命至少為 5 ～ 6 年，現(xiàn)在也有 8 ～ 10 年的產(chǎn)品。對于電磁水表而言，降低功耗、提高電池工作壽命是一項(xiàng)難度很大的挑戰(zhàn)。

7.采樣速率

( 1) 電磁流量計(jì)的計(jì)量實(shí)時(shí)性要滿足工業(yè)控制的工藝要求，其特點(diǎn)為精準(zhǔn)及高速，因而采樣處理速率普遍要求高于 100 ms / 次。

( 2) 電磁水表的采樣速率在 1 ～ 30 s / 次范圍，就可以得到計(jì)量的流量數(shù)據(jù)，況且采樣速率低，功耗也越低; 通常采樣速率在 15 s / 次時(shí)，內(nèi)部配備的電池可保證連續(xù)計(jì)量 6 年。

8.管道結(jié)構(gòu)與測量直管段

( 1) 電磁流量計(jì)可以由市電供電，因而電子元器件和電子線路的選擇受功耗的影響小，選擇范圍廣; 數(shù)百毫安的勵(lì)磁電流使傳感器的信號輸出幅度也較大，因而不必對流體額外加速以增強(qiáng)信號幅值。

電磁流量計(jì)的測量腔為直管，工藝簡單，加工成本低，是電磁流量計(jì)測量腔體的普遍設(shè)計(jì)方式。直管結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)引起被測流場的紊亂，測量的流速基本為經(jīng)濟(jì)流速 ( ***高流速低于 8 m / s 左右) ，高速采樣率又可及時(shí)修正各種流場變化帶來的誤差，所以電磁流量計(jì)的直管段為前 5D 和后3D 就可以滿足計(jì)量的精度要求。

( 2) 電磁水表使用內(nèi)裝的鋰電池供電，降低功耗、延長工作壽命是其設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵，因而只能采用較低的勵(lì)磁電流 ( 通常它的勵(lì)磁電流僅為電磁流量計(jì)的 1 /10，甚至更低) ，這樣傳感器的有效輸出信號幅值就很微弱。電磁水表研發(fā)人員通常用兩種方法來增強(qiáng)信號: 一是提高信號的放大倍數(shù); 二是將測量段縮徑，人為提高介質(zhì)流速，這將大幅提升流量信號。因此，電磁水表的測量腔體幾乎都采用縮徑工藝，一般縮徑為原標(biāo)稱口徑的 70% ～ 80% ，縮徑率以不顯著影響儀表的壓損并且不顯著改變流場的穩(wěn)定為原則。

電磁水表的縮徑工藝加大了制造難度，增大了壓力損失，太大的縮徑也會(huì)擾亂流場的穩(wěn)定，因此制造商要綜合考慮縮徑和流場穩(wěn)定對計(jì)量的影響。

電磁水表的采樣速率比較慢，信號又很微弱，這樣計(jì)算處理需要的穩(wěn)定時(shí)間比較長，這也需要遠(yuǎn)比電磁流量計(jì)更穩(wěn)定的流速，考慮到縮徑的因素，一般電磁水表的前后直管段選擇要比電磁流量計(jì)嚴(yán)格。為保證計(jì)量精度，電磁水表通常需要前 10D 和后 5D 的直管段。

9.儀表通信

( 1) 電磁流量計(jì)使用廣泛，計(jì)量方式和流量控制方式種類繁雜，因而通信方式比較豐富，一般生產(chǎn)廠商都有下述配置: ①定量脈沖輸出，如輸出一個(gè)脈沖代表 1 m3 / h 流量 ( 可選 0. 1 m3 / h，甚至0. 01 m3 / h) 。②頻率輸出，表示輸出 0 ～ 10 kHz 頻率范圍代表 0 ～ Qmax 流量。③輸出 4 ～ 20 mA 電流，通常表示瞬時(shí)量為 Qmin ～ Qmax 。近幾年設(shè)計(jì)的 4 ～ 20 mA 電流模擬信號，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)字通信，即可以進(jìn)行 HAＲT ( 協(xié)議) 通信。④ＲS-485 通信，通常執(zhí)行 Modbus ＲTU 通信標(biāo)準(zhǔn)。⑤開關(guān)量輸出，一般有 1 ～ 2 路輸出控制，以執(zhí)行超流量上限關(guān)閘，超流量下限開閘等工藝控制。

這些通信幾乎都通過電纜連接儀表和計(jì)算機(jī)及控制設(shè)備，以保證計(jì)量和工藝控制的、實(shí)時(shí)、可靠。

( 2) 電磁水表主要使用在原水和居民自來水的計(jì)量、統(tǒng)計(jì)、分析和結(jié)算上，幾乎沒有工藝控制要求，內(nèi)部電池供應(yīng)又限制它不能過多的耗電，因此通信方式比較簡潔，一般生產(chǎn)廠商都選下述配置中的若干方式進(jìn)行通信: ①和傳統(tǒng)冷水水表一樣，可以人工抄表，因而都有液晶屏進(jìn)行流量數(shù)據(jù)顯示。②開關(guān)量輸出。③與無線通信裝置的接口，可通過無線通信設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信。④ＲS-485 通信和電磁流量計(jì)一樣，通常執(zhí)行 Modbus ＲTU 通信協(xié)議，并且需要外部供電 ( DC24 V) ，這往往需要 4 根電纜。東海集團(tuán)生產(chǎn)的電磁水表可以采用微功耗技術(shù)來進(jìn)行 ＲS-485 通信，這種方式可以使用內(nèi)部鋰電池進(jìn)行供電，省掉外供電的 2根電纜，通信只需 2 根電纜連接。⑤紅外通信，這是一種功耗較低的無線雙向通信方式，容易滿足安裝在井下和水中的電磁水表的苛刻的防護(hù)要求。

10.使用環(huán)境

1 .溫度要求

( 1) 電磁流量計(jì)使用場合廣泛，通常在 － 20 ～ 55 ℃ 的溫度環(huán)境中可連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地工作。某些特定領(lǐng)域，甚至能在 70 ℃ 高溫條件下正常運(yùn)行。

( 2) 電磁水表一般只能在 0. 1 ～ 55 ℃ 的溫度環(huán)境中連續(xù)工作，設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)時(shí)，需考慮夏日高溫直射的炙烤影響。

10. 2 維護(hù)要求

( 1) 電磁流量計(jì)通常由專業(yè)人員維護(hù)和保養(yǎng)，且往往有周期性 ( 1 年左右) 的測試和維護(hù)。

( 2) 電磁水表檢測周期較長 ( 2 年左右) ，平時(shí)幾乎處于無監(jiān)管狀態(tài)，大口徑表數(shù)據(jù)值對計(jì)量結(jié)算影響巨大，因而對其設(shè)計(jì)、測試和生產(chǎn)制造的質(zhì)量要求更高。

10. 3  防護(hù)要求

( 1)  電磁流量計(jì)使用廣泛，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，因而生產(chǎn)廠商針對不同的使用環(huán)境設(shè)計(jì)了不同的保護(hù)方法供用戶選擇，如采用 IP66 標(biāo)準(zhǔn)的通用型電磁流量計(jì)，僅能防護(hù)雨水的淋落;  高溫高濕環(huán)境使用要采用特殊的密封耐高溫設(shè)計(jì);  潛水型電磁流量計(jì)要按 IP68 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)防護(hù)外殼，某些危險(xiǎn)場合 ( 如紡織廠、面粉加工廠、化工廠、煤礦、易燃易爆場所)  使用的電磁流量計(jì)，必須按照隔爆標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)外殼防護(hù)。所以電磁流量計(jì)生產(chǎn)廠商通常會(huì)按照用戶的使用環(huán)境條件，提供相適應(yīng)的防護(hù)方式產(chǎn)品。

( 2)  電磁水表測量介質(zhì)比較單一，主要是潔凈的原水 ( 如輸送的江、河、湖泊之水，井水及地下水)  和市政供應(yīng)的清潔自來水，所用場合幾乎無危險(xiǎn)性或爆炸性粉塵，使用環(huán)境溫度差不是太大，看似其防護(hù)要求比較容易解決，而實(shí)際上電磁水表往往安裝在井下潮濕場所，管道滲漏及雨雪天氣又可將電磁水表泡在水中，要防止電磁水表機(jī)殼密封處和通信電纜進(jìn)線處的水滲漏十分重要，所以電磁水表均按潛水型設(shè)計(jì)外殼保護(hù)，為提高防護(hù)質(zhì)量，至少需要達(dá)到 1 m 水深 7 天的試驗(yàn)要求，其防護(hù)應(yīng)執(zhí)行 IP68 標(biāo)準(zhǔn) 2 m 水深 10 天以上的要求。東海集團(tuán)的電磁水表外殼防護(hù)目前按2 m 水深 30 天的 IP68 標(biāo)準(zhǔn)制造，并且正在考慮將防護(hù)試驗(yàn)要求提高到 10 m 水深 30 天，以達(dá)到 6 年以上防護(hù)壽命。