電磁流量計(jì)

1. 1 工作原理

電磁流量計(jì)基于法拉弟電磁感應(yīng)原理工作。當(dāng)流過(guò)測(cè)量導(dǎo)管的導(dǎo)電流體以流速 V 作切割磁通密度為 B 的磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，則在一對(duì)檢測(cè)電極之間檢測(cè)的感應(yīng)電動(dòng)所勢(shì) E 所產(chǎn)生的電。壓 U 可用下式表示: U = K·B·D·V

式中 U—兩檢測(cè)電極之間的信號(hào)電壓，V; B—磁通密度，T; D—測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)徑，m; V—平均流速，m/s; k—比例常數(shù)。

 

通過(guò)測(cè)量導(dǎo)管的瞬時(shí)體積流量 Q 為: Q = π·D/( 4·K·B) ·U

 

由于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)徑固定，勵(lì)磁電流恒定時(shí)，磁通密度 B 也恒定不變，故 U 與 Q 成線性關(guān)系，因此體積流量正比于電極間的信號(hào)電壓，測(cè)出此值并經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換即可得出體積流量 Q。傳感器結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖 1，傳感器工作原理，見(jiàn)圖 2。

1. 2 優(yōu)點(diǎn)

( 1) 精度較高，可達(dá)到 0. 2 ～ 0. 5 級(jí)。 

( 2) 無(wú)壓力損失，測(cè)量管內(nèi)無(wú)阻礙流動(dòng)部件，直管段要求較低。

( 3) 測(cè)量范圍大，電磁流量流量計(jì)的口徑范圍可從幾 mm 到 3 m。( 4) 電磁流量計(jì)測(cè)量被測(cè)流體工作狀態(tài)下的體積流量，測(cè)量原理中不涉及流體的溫度、壓力、密度和粘度的影響。

( 5) 轉(zhuǎn)換器采用 16 位高性能微處理器，2 × 16LCD 顯示，參數(shù)設(shè)定方便，編程可靠。 

( 6) 轉(zhuǎn)換器可與傳感器組成一體型或分離型。 

( 7) 耐用，使用壽命長(zhǎng)，一般使用年限為 10 ～ 20 年以上。 

 

1. 3 缺點(diǎn)

( 1) 電磁流量計(jì)的應(yīng)用有一定局限性，它只能測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的液體流量，不能測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)的流體，例如，氣體和水處理較好的供熱用水。在高溫條件下需要選擇適合的襯里。 

( 2) 測(cè)量管道內(nèi)必須完全充滿(mǎn)液體，不滿(mǎn)管的情況下容易引起流量計(jì)亂跳。 

( 3) 電磁流量計(jì)的安裝與調(diào)試比其它流量計(jì)復(fù)雜，且要求更嚴(yán)格。變送器和轉(zhuǎn)換器必須配套使用，兩者之間不能用 2 種不同型號(hào)的儀表配用。在安裝變送器時(shí)，從安裝地點(diǎn)的選擇到具體的安裝調(diào)試，必須嚴(yán)格按照產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)要求進(jìn)行。安裝地點(diǎn)不能有振動(dòng)，不能有強(qiáng)磁場(chǎng)。在安裝時(shí)必須使變送器和管道有良好的接觸及良好的接地。變送器的電位與被測(cè)流體等電位。在使用時(shí)，必須排盡測(cè)量管中存留的氣體，否則會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。 

( 4) 電磁流量計(jì)用來(lái)測(cè)量帶有污垢的粘性液體時(shí)，粘性物或沉淀物附著在測(cè)量管內(nèi)壁或電極上，使變送器輸出電勢(shì)變化，帶來(lái)測(cè)量誤差，電極上污垢物達(dá)到一定厚度，可能導(dǎo)致儀表無(wú)法測(cè)量。 

( 5) 供水管道結(jié)垢或磨損改變內(nèi)徑尺寸，將影響原定的流量值，造成測(cè)量誤差。如 100 mm 口徑儀表內(nèi)徑變化 1 mm 會(huì)帶來(lái)約 2% 附加誤差。

( 6) 電磁流量計(jì)價(jià)格較高，比超聲波流量計(jì)的價(jià)格高。電磁流量計(jì)的價(jià)格與管徑成正比，隨著管徑的增大價(jià)格也相對(duì)增高。 

 

2 超聲波流量計(jì)

2. 1 工作原理

超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng) 3 部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，超聲波通過(guò)在流體中傳播傳輸?shù)浇邮帐掌鳎�接收器接收到的超聲波信�?hào)可以檢測(cè)出流體的流速，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。超聲波流量計(jì)常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔埽�以便檢測(cè)。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。

 

超聲波流量計(jì)按測(cè)量原理分類(lèi)有: 傳播速度差法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法、噪聲法等等。由于傳播速度差法克服了聲波隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被廣泛采用。傳播速度差法又分為: Z 法( 透過(guò)法) 、V 法( 反射法) 、X 法( 交叉法) 等。按安裝方式分類(lèi)有: 外夾式、插入式、管段式、便攜式。便攜式超聲波流量計(jì)主要用于對(duì)已安裝的其他流量計(jì)進(jìn)行校對(duì)。 

 

2. 2 優(yōu)點(diǎn)

( 1) 超聲波流量計(jì)是一種非接觸式測(cè)量?jī)x表，可用來(lái)測(cè)量不易接觸、不易觀察的流體流量和大管徑流量。它不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生壓力損失，且便于安裝。

 ( 2) 可以測(cè)量強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)的流量。

 ( 3) 超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍寬，測(cè)量口徑范圍從 2 cm ～ 6. 5 m。

( 4) 超聲波流量計(jì)可以測(cè)量各種液體和污水流量。 ( 5) 超聲波流量計(jì)測(cè)量的體積流量不受被測(cè)流體的溫度、壓力、粘度及密度等熱物性參數(shù)的影響。可以做成固定式和便攜式兩種形式。 

( 6) 插入式和外夾式超聲流量計(jì)可不停產(chǎn)安裝和維護(hù)，無(wú)需切斷工藝管道。 

( 7) 成本相對(duì)較低。 

 

2. 3 缺點(diǎn)

( 1) 超聲波流量計(jì)的溫度測(cè)量范圍不高，一般只能測(cè)量溫度低于 200℃的流體。 

( 2) 抗干擾能力差。易受氣泡、結(jié)垢、泵及其它聲源混入的超聲雜音干擾、影響測(cè)量精度。 

( 3) 直管段要求嚴(yán)格，為前 10 D，后 5 D，離泵 30 D 的距離( D 為管道內(nèi)直徑) 。否則離散性差，測(cè)量精度差。 

( 4) 安裝的不確定性，會(huì)給流量測(cè)量帶來(lái)較大誤差。 

( 5) 測(cè)量管道因結(jié)垢，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量準(zhǔn)確度，帶來(lái)顯著的測(cè)量誤差，甚至在嚴(yán)重時(shí)儀表無(wú)流量顯示。 

( 6) 可靠性、精度等級(jí)不高( 一般為 1. 5 ～ 2. 5 級(jí)左右) ，重復(fù)性差。超聲波流量計(jì)是通過(guò)測(cè)量流體速度再乘以管道內(nèi)截面積來(lái)確定流量。而該流量計(jì)無(wú)法直接測(cè)量?jī)?nèi)徑和管道圓度，只能根據(jù)外徑、壁厚按標(biāo)準(zhǔn)圓估算截面積，由此帶來(lái)的不確定性已超過(guò) 1% ，因此精度受到限制。 

( 7) 使用壽命短( 一般精度只能保證 2 年) 。 

( 8) 超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度比電磁流量計(jì)的準(zhǔn)確度低( 超聲波流量計(jì)一般為 1% ，而電磁流量計(jì)一般為 0. 5% ) 。 

( 9) 影響超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確度的不確定因素較多( 如直管段是否足夠、管道里水的流態(tài)、管壁積垢、氣泡、溫度變化、噪 聲、人為因素等) 。 

( 10) 超聲波流量計(jì)對(duì)管道的要求非常嚴(yán)格，不能有異響，否則會(huì)影響測(cè)量誤差很大。 

 

3 經(jīng)驗(yàn)及建議

( 1) 流量計(jì)周?chē)�的測(cè)量環(huán)境，因?yàn)?2 種流量計(jì)均易受電磁波干擾，如果在流量計(jì)的周?chē)�有發(fā)射電磁波的物體，那么就不適宜安裝，盡量避開(kāi)產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)( 如大電機(jī)，大變壓) 的設(shè)備。 

( 2) 根據(jù)測(cè)量性質(zhì)來(lái)分，如果在測(cè)量時(shí)對(duì)瞬時(shí)流量要求嚴(yán)格，更適合安裝電磁流量計(jì)。 

( 3) 超聲波流量計(jì)更推薦使用在大中口徑較重要的流量檢測(cè)點(diǎn)，被測(cè)的流程管道要形狀規(guī)則，壁厚均勻，無(wú)銹斑、無(wú)沉淀、積液等( 盡可能選“帶管段”的形式) ，否則雷諾數(shù)無(wú)法修正的那么精確。 

( 4) 超聲波流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。采用外夾式的方式，該種測(cè)量方式具有安裝簡(jiǎn)單、快速、好維護(hù)、無(wú)需斷流的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些缺點(diǎn)，一是安裝不牢固的話(huà)，如果路面有震動(dòng)容易脫落或者移位。二是傳感器與管道貼合處需要涂抹專(zhuān)用耦合劑，有效期為 2 年，2 年后如果不重新涂抹影響計(jì)量精度，或者不能正常工作。如果沒(méi)有特殊情況不建議使用該種安裝方式。

( 5) 插入式超聲波流量計(jì)與插入式電磁流量計(jì)非常大的特點(diǎn)是安裝時(shí)比較方便，可以不停電、停水，可以帶壓安裝。對(duì)于尺型管道來(lái)說(shuō)，性?xún)r(jià)比非常優(yōu)越。大型管道安裝流量計(jì)多采用這樣的插入式流量計(jì)。該種安裝方式探頭容易結(jié)垢，換能器探頭部位管道內(nèi)的結(jié)垢比較嚴(yán)重的話(huà)，就要考慮進(jìn)行管道內(nèi)部的清潔和除垢，以確保流量計(jì)正常工作，精度不受影響。實(shí)際工作中，可以以檢修段為限，進(jìn)行管道內(nèi)的清潔，或者敲打管道壁，以震落結(jié)垢層。建議 1 年清洗 1 次。 

( 6) 插入式超聲波流量計(jì)安裝過(guò)程中，精確測(cè)量 2 個(gè)換能器的安裝距離非常重要，直接影響表的測(cè)量精度，需多次測(cè)量確認(rèn)。

( 7) 按照國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程超聲波流量計(jì)每 3 年檢定 1 次，電磁流量計(jì)每半年檢定 1 次。為了測(cè)量精準(zhǔn)建議監(jiān)測(cè)企業(yè)按照規(guī)定按時(shí)檢定。檢測(cè)方法常用的有 2 種，超聲波流量計(jì)比對(duì)法和清水池容積法。可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的檢定方式。如果作為標(biāo)準(zhǔn)表的超聲波流量計(jì)必須定期送國(guó)家授權(quán)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定。 

( 8) 電磁流量計(jì)量程范圍的選擇對(duì)提高流量計(jì)工作的可靠性及測(cè)量精度有很大的關(guān)系，根據(jù)不低于預(yù)計(jì)的非常大流量值的原則選擇滿(mǎn)量程。正常常用流量非常好超過(guò)滿(mǎn)量程的 50% ，這樣就可以獲得較高的測(cè)量精度。電磁流量計(jì)只能測(cè) 0. 1 m/s 以上的流速，低于此流速電磁流量計(jì)就很難正確測(cè)量。所以定貨初期要清楚流量范圍比，定貨時(shí)不能按原先管道口徑來(lái)定貨，非常好按實(shí)際流量來(lái)定儀表口徑。 

( 9) 流量計(jì)要同時(shí)具備模擬輸出和通訊輸出功能，通訊要求標(biāo)準(zhǔn) Modbus － RTU 通訊協(xié)議，支持 GPRS 遠(yuǎn)程通訊。可直接將水量輸出給傳輸設(shè)備。監(jiān)測(cè)傳輸設(shè)備要遵循國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目的傳輸規(guī)約，否則不能順利將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)到自治區(qū)水利廳接收平臺(tái)。 

 

4 結(jié)束語(yǔ)

流量計(jì)是一種涉及多門(mén)學(xué)科的工業(yè)自動(dòng)化儀表，隨著科技的進(jìn)步，流量計(jì)的產(chǎn)品性能在不斷提高，也出現(xiàn)了更多的產(chǎn)品型號(hào)與類(lèi)型，擴(kuò)大了用戶(hù)的選擇范圍，也增加了選型難度，在眾多流量計(jì)中選出一款非常適合的就需要多比對(duì)、多了解，產(chǎn)品質(zhì)量與計(jì)算設(shè)計(jì)技巧、制造工藝能力、電子器件產(chǎn)品質(zhì)量、出廠標(biāo)定設(shè)備水平等密切相關(guān)，同時(shí)又與使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件、流體參數(shù)、管道安裝條件等密切相關(guān)。正確和有效地選擇測(cè)量方法和流量計(jì)，必須綜合多方面因素來(lái)考慮，提出非常優(yōu)的方案，使流量計(jì)充分發(fā)揮它的作用，既能滿(mǎn)足測(cè)量要求又能降低運(yùn)維成本。