智能型電磁流量計和電磁水表的區(qū)別對設(shè)計及研發(fā)意義

摘要：了解智能型電磁流量計和電磁水表的區(qū)別對智能型電磁流量計和電磁水表的設(shè)計及研發(fā)具有重要意義。文章介紹了智能型電磁流量計的原理、用途及優(yōu)缺點，從使用領(lǐng)域、精度、口徑、量程范圍(計量流速范圍)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)境等十個方面分析智能型電磁流量計和電磁水表的區(qū)別。

智能型電磁流量計是一種基于法拉*電磁感應(yīng)原理設(shè)計制造的計量導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的速度式儀表。通常智能型電磁流量計與介質(zhì)接觸的內(nèi)腔部位為一個圓筒形直管，一對測量電*鑲嵌在中部，呈對稱分布，電*與介質(zhì)間的部位為一對直徑為6～10mm的圓餅狀薄金屬，其伸出部分厚度僅2～4mm，幾乎不影響流態(tài)的變化。這種簡單的無可動部件的內(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，也不會被某些介質(zhì)中的懸浮物及固態(tài)雜質(zhì)所阻塞。智能型電磁流量計產(chǎn)生的電*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。

智能型電磁流量計測量精度高、量程比寬、重復(fù)性和線性均十分優(yōu)良；通常可測量流速在0.4～12m/s范圍的各種導(dǎo)電介質(zhì)；可以雙向計量；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)將增加計量介質(zhì)體積流量的誤差)。

智能型電磁流量計廣泛應(yīng)用于各類導(dǎo)電介質(zhì)的計量，如清水、污水、液態(tài)酸、堿、鹽、液態(tài)有機化工產(chǎn)品、食品工業(yè)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(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算方法來減少計量的誤差。一般的智能型電磁流量計由于電路復(fù)雜、勵磁功率較大，整機功耗需15～25V·A，因而需市電(AC220V)或?qū)Ｓ玫陌踩娫?DC24V)供電。

隨著電子技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，電磁流量電信號的處理已由2～3mV精密到0.1mV，動態(tài)分辨率可以低至±0.00003mV，這種新技術(shù)功耗*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，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) 智能型電磁流量計使用廣泛，適用于工業(yè)生產(chǎn)中各種導(dǎo)電介質(zhì)的流量連續(xù)計量和生產(chǎn)工藝控制領(lǐng)域、科學(xué)研究的計量測控領(lǐng)域。

(2) 電磁水表以計量清水、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)供水的計量、統(tǒng)計、分析、結(jié)算功能。

2、精度

(1) 智能型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) 智能型電磁流量計生產(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的智能型電磁流量計，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)先進的跨國專業(yè)廠商能生產(chǎn)DN25～DN800口徑的全系列電磁水表。

4、量程范圍(計量流速范圍)及量程遷移

(1) 智能型電磁流量計的介質(zhì)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(yīng)保證精度。如DN100的0.5級表，在量程比20的情況下，在10m³/h(Qmin)至200m³/h(Qmax)流量范圍內(nèi)，均應(yīng)保證±0.5%的精度。作為智能型電磁流量計，考慮使用的經(jīng)濟性，常將Qmax選在6.5～8.5m/s流速范圍內(nèi)，如上述Qmax為200m³/h的DN100智能型電磁流量計，其Qmax流速為7.07m/s。廠商可以自行規(guī)定各種口徑的Qmax流速，例如某型DN100智能型電磁流量計，其0.5級產(chǎn)品的Qmax為200m³/h，Qmax/Qmin≥25；Qmax的流速為7.07m/s，在8～200m³/h量程范圍內(nèi)的誤差小于±0.3%。

所謂“量程遷移”，是指該臺智能型電磁流量計在某種工藝現(xiàn)場，其流量計量范圍要調(diào)整到4～80m³/h，且其電流輸出的4mA對應(yīng)流量是4m³/h，20mA輸出時對應(yīng)的測量值為80m³/h。即將這臺儀表的智能型電磁流量計的計量范圍由標稱的10～200m³/h，通過菜單改變參數(shù)，“遷移”至4～80m³/h。當然，經(jīng)過這樣的量程遷移4～10m³/h流量段的測量精度將超出±0.5%的精度要求。通常，智能型電磁流量計的計量上限流量點，可“遷移”的流速范圍為1～10m/s。選用智能型電磁流量計的口徑，要兼顧經(jīng)濟流速2.5～ 4.5m³/h和工藝要求。

(2) 電磁水表的*高測量流速可達15m/s，通常電磁水表的流量點Q3選在12.5～13.5m/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(zhí)行的標準。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(yè)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=250m³/h(流速為13.48m/s)，Q4=312.5m³/h(流速為16.85m/s)，Q3/Q1=400，Ｒ2/Q1=1.6，Q2=1.0m³/h，Q1=0.63m³/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(yīng)考慮滿足經(jīng)濟流速。

5、重復(fù)性

(1) 對于智能型電磁流量計，重復(fù)性是重要的技術(shù)指標之一，其重復(fù)性指標通常為精度的1/3，例如0.5級精度的智能型電磁流量計，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)性作為一項考核的質(zhì)量指標，它僅是一項設(shè)計和實驗指標。電磁水表*重要的技術(shù)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(xù)的穩(wěn)定運行是十分重要的。

6、供電方式(功耗)

(1) 通常智能型電磁流量計的處理速率快、處理精度高，控制要求快速、穩(wěn)定、準確。因智能型電磁流量計和外界信息交流方式復(fù)雜(輸出4～20mA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15～25V·A，這必須由市電(AC220V)和專用外電源(DC24V)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(shù)措施十分必要。

(2) 電磁水表的采樣速率比較慢，電子線路由先進的低功耗、超低功耗的集成電路為主，計算方法為特殊的高效省電方式，因而功耗*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難度很大的挑戰(zhàn)。

7、采樣速率

(1) 智能型電磁流量計的計量實時性要滿足工業(yè)控制的工藝要求，其特點為精準及高速，因而采樣處理速率普遍要求高于100ms/次。

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

8、管道結(jié)構(gòu)與測量直管段

(1) 智能型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(shù)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。智能型電磁流量計的測量腔為直管，工藝簡單，加工成本低，是智能型電磁流量計測量腔體的普遍設(shè)計方式。直管結(jié)構(gòu)幾乎不會引起被測流場的紊亂，測量的流速基本為經(jīng)濟流速(*高流速低于8m/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，所以智能型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(nèi)裝的鋰電池供電，降低功耗、延長工作壽命是其設(shè)計任務(wù)的關(guān)鍵，因而只能采用較低的勵磁電流(通常它的勵磁電流僅為智能型電磁流量計的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(fā)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(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(wěn)定時間比較長，這也需要遠比智能型電磁流量計更穩(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智能型電磁流量計嚴格。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) 智能型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(chǎn)廠商都有下述配置；

①定量脈沖輸出，如輸出一個脈沖代表1m³/h流量(可選0.1m³/h，甚至0.01m³/h)。

②頻率輸出，表示輸出0～10kHz頻率范圍代表0～Qmax流量。

③輸出4～20mA電流，通常表示瞬時量為Qmin～Qmax。近幾年設(shè)計的4～20mA電流模擬信號，可以同時進行數(shù)字通信，即可以進行HART(協(xié)議)通信。

④RS-485通信，通常執(zhí)行Modbus RTU通信標準。

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算機及控制設(shè)備，以保證計量和工藝控制的精確、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(tǒng)計、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)備進行聯(lián)網(wǎng)通信。

④RS-485通信和智能型電磁流量計一樣，通常執(zhí)行ModbusRTU通信協(xié)議，并且需要外部供電(DC24V)，這往往需要4根電纜。電磁水表可以采用微功耗技術(shù)來進行RS-485通信，這種方式可以使用內(nèi)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。

10、使用環(huán)境

10.1 溫度要求

(1) 智能型電磁流量計使用場合廣泛，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)計和性能試驗時，需考慮夏日高溫直射的炙烤影響。

10.2 維護要求

(1) 智能型電磁流量計通常由專業(yè)人員維護和保養(yǎng)，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(jiān)管狀態(tài)，大口徑表數(shù)據(jù)值對計量結(jié)算影響巨大，因而對其設(shè)計、測試和生產(chǎn)制造的質(zhì)量要求更高。

10.3 防護要求

(1) 智能型電磁流量計使用廣泛，運行環(huán)境復(fù)雜，因而生產(chǎn)廠商針對不同的使用環(huán)境設(shè)計了不同的保護方法供用戶選擇，如采用IP66標準的通用型智能型電磁流量計，僅能防護雨水的淋落；高溫高濕環(huán)境使用要采用特殊的密封耐高溫設(shè)計；潛水型電磁流量計要按IP68標準設(shè)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)使用的智能型電磁流量計，必須按照隔爆標準來設(shè)計外殼防護。所以智能型電磁流量計生產(chǎn)廠商通常會按照用戶的使用環(huán)境條件，提供相適應(yīng)的防護方式產(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性或爆炸性粉塵，使用環(huán)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(shè)計外殼保護，為提高防護質(zhì)量，至少需要達到1m水深7天的試驗要求，其防護應(yīng)執(zhí)行IP68標準2m水深10天以上的要求。電磁水表外殼防護目前按2m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10m水深30天，以達到6年以上防護壽命。