淺談電磁流量計與電磁水表的區別
電磁流量計是一種基于法拉第電磁感應原理設計制造的計量導電介質體積流量的速度式儀表。通常電磁流量計與介質接觸的內腔部位為一個圓筒形直管, 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, 幾乎不影響流態的變化。這種簡單的無可動部件的內腔結構, 猶如一根普通的圓筒形流體管道, 因而不產生任何壓損, 也不會被某些介質中的懸浮物及固態雜質所阻塞。電磁流量計產生的電極信號幅度與流體的流速成正比, 因而電信號經放大處理后得到的流量數據, 線性度非常理想。
電磁流量計測量精度高、量程比寬、重復性和線性均十分優良;通常可測量流速在0.4~12 m/s范圍的各種導電介質;可以雙向計量;測量介質可以是單一溶液, 也可以是固、液混合物, 也允許有氣泡 (氣泡和固態物質將增加計量介質體積流量的誤差) 。
電磁流量計廣泛應用于各類導電介質的計量, 如清水、污水、液態酸、堿、鹽、液態有機化工產品、食品工業中的醬油、醋及酒類等。混有塊狀果肉的蘋果醬、混有沙石的混凝土, 這些漿狀混合物也可以計量, 只是各種腐蝕性強的介質需配置耐腐蝕的工程材料, 如橡膠、聚四氟乙烯、尼龍等做流量計的內襯。混有氣泡和固態物質的醬料需采用特殊的計算方法來減少計量的誤差。
一般的電磁流量計由于電路復雜、勵磁功率較大, 整機功耗需15~25 V·A, 因而需市電 (AC220 V) 或的安全電源 (DC24 V) 供電。隨著電子技術突飛猛進的發展, 電磁流量電信號的處理已由2~3 m V精密到0.1 m V, 動態分辨率可以低至±0.000 03 m V, 這種新技術功耗極低, *可以電池供電。由此產生了電磁水表的概念———一種僅計量清水、內部采用鋰電池供電的長壽命智能型電磁流量計, 由于市場定位和使用要求不同, 兩者存在較大的區別, 本文做以下評述。
1 應用領域
(1) 電磁流量計使用廣泛, 適用于工業生產中各種導電介質的流量連續計量和生產工藝控制領域、科學研究的計量測控領域。
(2) 電磁水表以計量清水、原水為主。在市政領域得到廣泛使用, 主要解決水源和城鄉供水的計量、統計、分析、結算功能。
2 精度
(1) 電磁流量計的精度通常為±0.5%, 高精度的可達到±0.2%、±0.3%。
(2) 電磁水表的精度一般為Ⅱ級 (Q2~Q4±2%, Q1~Q2±5%) , 高精度的可達到I級 (Q2~Q4±1%, Q1~Q2±3%) 。
3 口徑
(1) 電磁流量計生產廠商大都可以提供DN20~DN500的產品, 規模較大的專業廠商可以提供DN10~DN3000的電磁流量計, DN25~DN600規格的應用數量多。
(2) 市場應用多的電磁水表口徑在DN50~DN300, 少數先進的跨國專業廠商能生產DN25~DN800口徑的全系列電磁水表。
4 量程范圍 (計量流速范圍) 及量程遷移
(1) 電磁流量計的介質流速測量范圍通常為0.4~12m/s, 通常用Qmax和Qmin來定義計量范圍, Qmax/Qmin (量程比) 一般在20~25范圍, Qmin~Qmax應保證精度。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, 均應保證±0.5%的精度。作為電磁流量計, 考慮使用的經濟性, 常將Qmax選在6.5~8.5 m/s流速范圍內, 如上述Qmax為200 m3/h的DN100電磁流量計, 其Qmax流速為7.07 m/s。廠商可以自行規定各種口徑的Qmax流速, 例如某型DN100電磁流量計, 其0.5級產品的Qmax為200 m3/h, Qmax/Qmin≥25;Qmax的流速為7.07 m/s, 在8~200 m3/h量程范圍內的誤差小于±0.3%。
所謂“量程遷移”, 是指該臺電磁流量計在某種工藝現場, 其流量計量范圍要調整到4~80 m3/h, 且其電流輸出的4 m A對應流量是4 m3/h, 20 m A輸出時對應的測量值為80 m3/h。即將這臺電磁流量計的計量范圍由標稱的10~200 m3/h, 通過菜單改變參數, “遷移”至4~80 m3/h。當然, 經過這樣的量程遷移4~10 m3/h流量段的測量精度將超出±0.5%的精度要求。通常, 電磁流量計的計量上限流量點, 可“遷移”的流速范圍為1~10 m/s。選用電磁流量計的口徑, 要兼顧經濟流速2.5~4.5 m3/h和工藝要求。
(2) 電磁水表的高測量流速可達15 m/s, 通常電磁水表的流量點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準, 是一種強制執行的標準。*, 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。目前跨國先進專業廠商的電磁水表, 其Q3/Q1可達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, 它的計量范圍在始動流量QS至大流量Q4之間, 選用電磁水表的口徑, 主要應考慮滿足經濟流速。
5 重復性
(1) 對于電磁流量計, 重復性是重要的技術指標之一, 其重復性指標通常為精度的1/3, 例如0.5級精度的電磁流量計, 其重復性應優于±0.16%;0.2級表的重復性應優于±0.06%。
(2) 電磁水表并不把重復性作為一項考核的質量指標, 它僅是一項設計和實驗指標。電磁水表重要的技術指標為精度, 低的始動流量, Q1流量點和量程比 (Q3/Q1) 。當然, 對于流量計來講, 兩者均能保證長期連續的穩定運行是十分重要的。
6 供電方式 (功耗)
(1) 通常電磁流量計的處理速率快、處理精度高, 控制要求快速、穩定、準確。因電磁流量計和外界信息交流方式復雜 (輸出4~20 m A電流信號、0~10KC頻率信號、RS-485通信、開關量控制等) , 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15~25 V·A, 這必須由市電 (AC220 V) 和外電源 (DC24 V) 供電。因而抗干擾、光電隔離、電磁隔離等防止電源的強電磁沖擊等技術措施十分必要。
(2) 電磁水表的采樣速率比較慢, 電子線路由先進的低功耗、超低功耗的集成電路為主, 計算方法為特殊的省電方式, 因而功耗極低, 可以由內部電池來連續長期供電。這要求電磁水表的電池工作壽命至少為5~6年, 現在也有8~10年的產品。對于電磁水表而言, 降低功耗、提高電池工作壽命是一項難度很大的挑戰。
7 采樣速率
(1) 電磁流量計的計量實時性要滿足工業控制的工藝要求, 其特點為及高速, 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, 就可以得到計量的流量數據, 況且采樣速率低, 功耗也越低;通常采樣速率在15 s/次時, 內部配備的電池可保證連續計量6年。
8 管道結構與測量直管段
(1) 電磁流量計可以由市電供電, 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;數百毫安的勵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信號幅值。
電磁流量計的測量腔為直管, 工藝簡單, 加工成本低, 是電磁流量計測量腔體的普遍設計方式。直管結構幾乎不會引起被測流場的紊亂, 測量的流速基本為經濟流速 (高流速低于8 m/s左右) , 高速采樣率又可及時修正各種流場變化帶來的誤差, 所以電磁流量計的直管段為前5D和后3D就可以滿足計量的精度要求。
(2) 電磁水表使用內裝的鋰電池供電, 降低功耗、延長工作壽命是其設計任務的關鍵, 因而只能采用較低的勵磁電流 (通常它的勵磁電流僅為電磁流量計的1/10, 甚至更低) , 這樣傳感器的有效輸出信號幅值就很微弱。電磁水表研發人員通常用兩種方法來增強信號:一是提高信號的放大倍數;二是將測量段縮徑, 人為提高介質流速, 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, 太大的縮徑也會擾亂流場的穩定, 因此制造商要綜合考慮縮徑和流場穩定對計量的影響。
電磁水表的采樣速率比較慢, 信號又很微弱, 這樣計算處理需要的穩定時間比較長, 這也需要遠比電磁流量計更穩定的流速, 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嚴格。為保證計量精度, 電磁水表通常需要前10D和后5D的直管段。
9 儀表通信
(1) 電磁流量計使用廣泛, 計量方式和流量控制方式種類繁雜, 因而通信方式比較豐富, 一般生產廠商都有下述配置: (1) 定量脈沖輸出, 如輸出一個脈沖代表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 k Hz頻率范圍代表0~Qmax流量。 (3) 輸出4~20 m A電流, 通常表示瞬時量為Qmin~Qmax。近幾年設計的4~20 m A電流模擬信號, 可以同時進行數字通信, 即可以進行HART (協議) 通信。 (4) RS-485通信, 通常執行Modbus RTU通信標準。 (5) 開關量輸出, 一般有1~2路輸出控制, 以執行超流量上限關閘, 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算機及控制設備, 以保證計量和工藝控制的、實時、可靠。
(2) 電磁水表主要使用在原水和居民自來水的計量、統計、分析和結算上, 幾乎沒有工藝控制要求, 內部電池供應又限制它不能過多的耗電, 因此通信方式比較簡潔, 一般生產廠商都選下述配置中的若干方式進行通信: (1) 和傳統冷水水表一樣, 可以人工抄表, 因而都有液晶屏進行流量數據顯示。 (2) 開關量輸出。 (3) 與無線通信裝置的接口, 可通過無線通信設備進行聯網通信。 (4) RS-485通信和電磁流量計一樣, 通常執行Modbus RTU通信協議, 并且需要外部供電 (DC24 V) , 這往往需要4根電纜。東海集團生產的電磁水表可以采用微功耗技術來進行RS-485通信, 這種方式可以使用內部鋰電池進行供電, 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要求。
1 0 使用環境
1 0.1 溫度要求
(1) 電磁流量計使用場合廣泛, 通常在-20~55℃的溫度環境中可連續、穩定、可靠地工作。某些特定領域, 甚至能在70℃高溫條件下正常運行。
(2) 電磁水表一般只能在0.1~55℃的溫度環境中連續工作, 設計和性能試驗時, 需考慮夏日高溫直射的炙烤影響。
1 0.2 維護要求
(1) 電磁流量計通常由專業人員維護和保養, 且往往有周期性 (1年左右) 的測試和維護。
(2) 電磁水表檢測周期較長 (2年左右) , 平時幾乎處于無監管狀態, 大口徑表數據值對計量結算影響巨大, 因而對其設計、測試和生產制造的質量要求更高。
1 0.3 防護要求
(1) 電磁流量計使用廣泛, 運行環境復雜, 因而生產廠商針對不同的使用環境設計了不同的保護方法供用戶選擇, 如采用IP66標準的通用型電磁流量計, 僅能防護雨水的淋落;高溫高濕環境使用要采用特殊的密封耐高溫設計;潛水型電磁流量計要按IP68標準設計防護外殼, 某些危險場合 (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, 必須按照隔爆標準來設計外殼防護。所以電磁流量計生產廠商通常會按照用戶的使用環境條件, 提供相適應的防護方式產品。
(2) 電磁水表測量介質比較單一, 主要是潔凈的原水 (如輸送的江、河、湖泊之水, 井水及地下水) 和市政供應的清潔自來水, 所用場合幾乎無危險性或爆炸性粉塵, 使用環境溫度差不是太大, 看似其防護要求比較容易解決, 而實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, 要防止電磁水表機殼密封處和通信電纜進線處的水滲漏十分重要, 所以電磁水表均按潛水型設計外殼保護, 為提高防護質量, 至少需要達到1 m水深7天的試驗要求, 其防護應執行IP68標準2 m水深10天以上的要求。東海集團的電磁水表外殼防護目前按2 m水深30天的IP68標準制造, 并且正在考慮將防護試驗要求提高到10 m水深30天, 以達到6年以上防護壽命。
86-020-31199948/85550363
86-020-85628533
