淺談電磁流量計(jì)與電磁水表的區(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(duì)測(cè)量電極鑲嵌在中部, 呈對(duì)稱分布, 電極與介質(zhì)間的部位為一對(duì)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(jiǎn)單的無(wú)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(hào)幅度與流體的流速成正比, 因而電信號(hào)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(cè)量精度高、量程比寬、重復(fù)性和線性均十分優(yōu)良;通?？蓽y(cè)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(cè)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?；煊袣馀莺凸虘B(tài)物質(zhì)的醬料需采用特殊的計(jì)算方法來(lái)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) 或的安全電源 (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(hào)的處理已由2~3 m V精密到0.1 m V, 動(dòng)態(tài)分辨率可以低至±0.000 03 m V, 這種新技術(shù)功耗極低, *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(zhǎng)壽命智能型電磁流量計(jì), 由于市場(chǎng)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(píng)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(cè)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(jí) (Q2~Q4±2%, Q1~Q2±5%) , 高精度的可達(dá)到I級(jí) (Q2~Q4±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(chǎng)應(yīng)用多的電磁水表口徑在DN50~DN300, 少數(shù)先進(jìn)的跨國(guó)專業(yè)廠商能生產(chǎn)DN25~DN800口徑的全系列電磁水表。
4 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(cè)量范圍通常為0.4~12m/s, 通常用Qmax和Qmin來(lái)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(jí)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(jí)產(chǎn)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(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(chǎng), 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 m A對(duì)應(yīng)流量是4 m3/h, 20 m A輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)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(guò)菜單改變參數(shù), “遷移”至4~80 m3/h。當(dāng)然, 經(jīng)過(guò)這樣的量程遷移4~10 m3/h流量段的測(cè)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(cè)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)。*, 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(lái)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(lái)反映。目前跨國(guó)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(jí)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(méi)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(duì)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0.5級(jí)精度的電磁流量計(jì), 其重復(fù)性應(yīng)優(yōu)于±0.16%;0.2級(jí)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(duì)于流量計(jì)來(lái)講, 兩者均能保證長(zhǎng)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 m A電流信號(hào)、0~10KC頻率信號(hào)、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)算方法為特殊的省電方式, 因而功耗極低, 可以由內(nèi)部電池來(lái)連續(xù)長(zhǎng)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(duì)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(cè)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(hào)輸出幅度也較大, 因而不必對(duì)流體額外加速以增強(qiáng)信號(hào)幅值。
電磁流量計(jì)的測(cè)量腔為直管, 工藝簡(jiǎn)單, 加工成本低, 是電磁流量計(jì)測(cè)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(cè)流場(chǎng)的紊亂, 測(cè)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(chǎng)變化帶來(lái)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(zhǎng)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(hào)幅值就很微弱。電磁水表研發(fā)人員通常用兩種方法來(lái)增強(qiáng)信號(hào):一是提高信號(hào)的放大倍數(shù);二是將測(cè)量段縮徑, 人為提高介質(zhì)流速, 這將大幅提升流量信號(hào)。因此, 電磁水表的測(cè)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(chǎng)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(chǎng)的穩(wěn)定, 因此制造商要綜合考慮縮徑和流場(chǎng)穩(wěn)定對(duì)計(jì)量的影響。
電磁水表的采樣速率比較慢, 信號(hào)又很微弱, 這樣計(jì)算處理需要的穩(wěn)定時(shí)間比較長(zhǎng), 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 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(shí)量為Qmin~Qmax。近幾年設(shè)計(jì)的4~20 m A電流模擬信號(hào), 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。 (4) RS-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(guò)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(lái)水的計(jì)量、統(tǒng)計(jì)、分析和結(jié)算上, 幾乎沒(méi)有工藝控制要求, 內(nèi)部電池供應(yīng)又限制它不能過(guò)多的耗電, 因此通信方式比較簡(jiǎn)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(wú)線通信裝置的接口, 可通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信。 (4) RS-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(lái)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(wú)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。
1 0 使用環(huán)境
1 0.1 溫度要求
(1) 電磁流量計(jì)使用場(chǎng)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。
1 0.2 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(cè)試和維護(hù)。
(2) 電磁水表檢測(cè)周期較長(zhǎng) (2年左右) , 平時(shí)幾乎處于無(wú)監(jiān)管狀態(tài), 大口徑表數(shù)據(jù)值對(duì)計(jì)量結(jié)算影響巨大, 因而對(duì)其設(shè)計(jì)、測(cè)試和生產(chǎn)制造的質(zhì)量要求更高。
1 0.3 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(duì)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(chǎng)合 (如紡織廠、面粉加工廠、化工廠、煤礦、易燃易爆場(chǎng)所) 使用的電磁流量計(jì), 必須按照隔爆標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(cè)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(lái)水, 所用場(chǎng)合幾乎無(wú)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(chǎng)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。
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