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智能型电磁流量计和电磁水表的区别对设计及研发意义

发布时间:2020-12-22 05:44:01  点击次数:45次

摘要:了解智能型电磁流量计和电磁水表的区别对智能型电磁流量计和电磁水表的设计及研发具有重要意义。文章介绍了智能型电磁流量计的原理、用途及优缺点,从使用领域、精度、口径、量程范围(计量流速范围)及量程迁移、重复性、供电方式(功耗)、采样速率、管道结构与测量直管段、仪表通信和使用环境等十个方面分析智能型电磁流量计和电磁水表的区别。
智能型电磁流量计是一种基于法拉第电磁感应原理设计制造的计量导电介质体积流量的速度式仪表。通常智能型电磁流量计与介质接触的内腔部位为一个圆筒形直管,一对测量电极镶嵌在中部,呈对称分布,电极与介质间的部位为一对直径为6~10mm的圆饼状薄金属,其伸出部分厚度仅2~4mm,几乎不影响流态的变化。这种简单的无可动部件的内腔结构,犹如一根普通的圆筒形流体管道,因而不产生任何压损,也不会被某些介质中的悬浮物及固态杂质所阻塞。智能型电磁流量计产生的电极信号幅度与流体的流速成正比,因而电信号经放大处理后得到的流量数据,线性度非常理想。
智能型电磁流量计测量精度高、量程比宽、重复性和线性均十分优良;通常可测量流速在0.4~12m/s范围的各种导电介质;可以双向计量;测量介质可以是单一溶液,也可以是固、液混合物,也允许有气泡(气泡和固态物质将增加计量介质体积流量的误差)。
智能型电磁流量计广泛应用于各类导电介质的计量,如清水、污水、液态酸、碱、盐、液态有机化工产品、食品工业中的酱油、醋及酒类等。混有块状果肉的苹果酱、混有沙石的混凝土,这些浆状混合物也可以计量,只是各种腐蚀性强的介质需配置耐腐蚀的工程材料,如橡胶、聚四氟乙烯、尼龙等做流量计的内衬。混有气泡和固态物质的酱料需采用特殊的计算方法来减少计量的误差。一般的智能型电磁流量计由于电路复杂、励磁功率较大,整机功耗需15~25V·A,因而需市电(AC220V)或专用的安全电源(DC24V)供电。
随着电子技术突飞猛进的发展,电磁流量电信号的处理已由2~3mV精密到0.1mV,动态分辨率可以低至±0.00003mV,这种新技术功耗极低,完全可以电池供电。由此产生了电磁水表的概念一种仅计量清水、内部采用锂电池供电的长寿命智能型电磁流量计,由于市场定位和使用要求不同,两者存在较大的区别,本文做以下评述。
1、应用领域
(1) 智能型电磁流量计使用广泛,适用于工业生产中各种导电介质的流量连续计量和生产工艺控制领域、科学研究的计量测控领域。
(2) 电磁水表以计量清水、原水为主。在市政领域得到广泛使用,主要解决水源和城乡供水的计量、统计、分析、结算功能。
2、精度
(1) 智能型电磁流量计的精度通常为±0.5%,高精度的可达到±0.2%、±0.3%。
(2) 电磁水表的精度一般为Ⅱ级(Q2~Q4 ±2%,Q1~Q2 ±5%),高精度的可达到I级(Q2~Q4 ±1%,Q1~Q2 ±3%)。
3、口径
(1) 智能型电磁流量计生产厂商大都可以提供DN20~DN500的产品,规模较大的专业厂商可以提供DN10~DN3000的智能型电磁流量计,DN25~DN600规格的应用数量最多。
(2) 市场应用最多的电磁水表口径在DN50~DN300,少数先进的跨国专业厂商能生产DN25~DN800口径的全系列电磁水表。
4、量程范围(计量流速范围)及量程迁移
(1) 智能型电磁流量计的介质流速测量范围通常为0.4~12m/s,通常用Qmax和Qmin来定义计量范围,Qmax/Qmin(量程比)一般在20~25范围,Qmin~Qmax应保证精度。如DN100的0.5级表,在量程比20的情况下,在10m³/h(Qmin)至200m³/h(Qmax)流量范围内,均应保证±0.5%的精度。作为智能型电磁流量计,考虑使用的经济性,常将Qmax选在6.5~8.5m/s流速范围内,如上述Qmax为200m³/h的DN100智能型电磁流量计,其Qmax流速为7.07m/s。厂商可以自行规定各种口径的Qmax流速,例如某型DN100智能型电磁流量计,其0.5级产品的Qmax为200m³/h,Qmax/Qmin≥25;Qmax的流速为7.07m/s,在8~200m³/h量程范围内的误差小于±0.3%。
所谓“量程迁移”,是指该台智能型电磁流量计在某种工艺现场,其流量计量范围要调整到4~80m³/h,且其电流输出的4mA对应流量是4m³/h,20mA输出时对应的测量值为80m³/h。即将这台仪表的智能型电磁流量计的计量范围由标称的10~200m³/h,通过菜单改变参数,“迁移”至4~80m³/h。当然,经过这样的量程迁移4~10m³/h流量段的测量精度将超出±0.5%的精度要求。通常,智能型电磁流量计的计量上限流量点,可“迁移”的流速范围为1~10m/s。选用智能型电磁流量计的口径,要兼顾经济流速2.5~ 4.5m³/h和工艺要求。
(2) 电磁水表的最高测量流速可达15m/s,通常电磁水表的流量点Q3选在12.5~13.5m/s流速上。电磁水表的量程范围参照冷水水表标准,是一种强制执行的标准。众所周知,冷水水表的流量范围可由Q1(最小流量)、Q2(分界流量)、Q3(常用流量)、Q4(最大流量)来表述,一般情况下,其流量计量特性可由量程比Q3/Q1(R值),Q4/Q3=1.25,Q2/Q1=1.6来反映。目前跨国先进专业厂商的电磁水表,其Q3/Q1可达400。如西门子Ⅱ级DN100电磁水表,Q3=250m³/h(流速为13.48m/s),Q4=312.5m³/h(流速为16.85m/s),Q3/Q1=400,R2/Q1=1.6,Q2=1.0m³/h,Q1=0.63m³/h。电磁水表没有“量程迁移”的概念,它的计量范围在始动流量QS至最大流量Q4之间,选用电磁水表的口径,主要应考虑满足经济流速。
5、重复性
(1) 对于智能型电磁流量计,重复性是重要的技术指标之一,其重复性指标通常为精度的1/3,例如0.5级精度的智能型电磁流量计,其重复性应优于±0.16%;0.2级表的重复性应优于±0.06%。
(2) 电磁水表并不把重复性作为一项考核的质量指标,它仅是一项设计和实验指标。电磁水表最重要的技术指标为精度,低的始动流量,Q1流量点和量程比(Q3/Q1)。当然,对于流量计来讲,两者均能保证长期连续的稳定运行是十分重要的。
6、供电方式(功耗)
(1) 通常智能型电磁流量计的处理速率快、处理精度高,控制要求快速、稳定、准确。因智能型电磁流量计和外界信息交流方式复杂(输出4~20mA电流信号、0~10KC频率信号、RS-485通信、开关量控制等),隔离程度高,因而电子线路多用大量的高速电子元件,功耗可达15~25V·A,这必须由市电(AC220V)和专用外电源(DC24V)供电。因而抗干扰、光电隔离、电磁隔离等防止电源的强电磁冲击等技术措施十分必要。
(2) 电磁水表的采样速率比较慢,电子线路由先进的低功耗、超低功耗的集成电路为主,计算方法为特殊的高效省电方式,因而功耗极低,可以由内部电池来连续长期供电。这要求电磁水表的电池工作寿命至少为5~6年,现在也有8~10年的产品。对于电磁水表而言,降低功耗、提高电池工作寿命是一项难度很大的挑战。
7、采样速率
(1) 智能型电磁流量计的计量实时性要满足工业控制的工艺要求,其特点为精准及高速,因而采样处理速率普遍要求高于100ms/次。
(2) 电磁水表的采样速率在1~30s/次范围,就可以得到计量的流量数据,况且采样速率低,功耗也越低; 通常采样速率在15s/次时,内部配备的电池可保证连续计量6年。
8、管道结构与测量直管段
(1) 智能型电磁流量计可以由市电供电,因而电子元器件和电子线路的选择受功耗的影响小,选择范围广;数百毫安的励磁电流使传感器的信号输出幅度也较大,因而不必对流体额外加速以增强信号幅值。智能型电磁流量计的测量腔为直管,工艺简单,加工成本低,是智能型电磁流量计测量腔体的普遍设计方式。直管结构几乎不会引起被测流场的紊乱,测量的流速基本为经济流速(最高流速低于8m/s左右),高速采样率又可及时修正各种流场变化带来的误差,所以智能型电磁流量计的直管段为前5D和后3D就可以满足计量的精度要求。
(2) 电磁水表使用内装的锂电池供电,降低功耗、延长工作寿命是其设计任务的关键,因而只能采用较低的励磁电流(通常它的励磁电流仅为智能型电磁流量计的1/10,甚至更低),这样传感器的有效输出信号幅值就很微弱。电磁水表研发人员通常用两种方法来增强信号:一是提高信号的放大倍数;二是将测量段缩径,人为提高介质流速,这将大幅提升流量信号。因此,电磁水表的测量腔体几乎都采用缩径工艺,一般缩径为原标称口径的70%~80%,缩径率以不显著影响仪表的压损并且不显著改变流场的稳定为原则。
电磁水表的缩径工艺加大了制造难度,增大了压力损失,太大的缩径也会扰乱流场的稳定,因此制造商要综合考虑缩径和流场稳定对计量的影响。
电磁水表的采样速率比较慢,信号又很微弱,这样计算处理需要的稳定时间比较长,这也需要远比智能型电磁流量计更稳定的流速,考虑到缩径的因素,一般电磁水表的前后直管段选择要比智能型电磁流量计严格。为保证计量精度,电磁水表通常需要前10D和后5D的直管段。
9、仪表通信
(1) 智能型电磁流量计使用广泛,计量方式和流量控制方式种类繁杂,因而通信方式比较丰富,一般生产厂商都有下述配置;
①定量脉冲输出,如输出一个脉冲代表1m³/h流量(可选0.1m³/h,甚至0.01m³/h)。
②频率输出,表示输出0~10kHz频率范围代表0~Qmax流量。
③输出4~20mA电流,通常表示瞬时量为Qmin~Qmax。近几年设计的4~20mA电流模拟信号,可以同时进行数字通信,即可以进行HART(协议)通信。
④RS-485通信,通常执行Modbus RTU通信标准。
⑤开关量输出,一般有1~2路输出控制,以执行超流量上限关闸,超流量下限开闸等工艺控制。这些通信几乎都通过电缆连接仪表和计算机及控制设备,以保证计量和工艺控制的精确、实时、可靠。
(2) 电磁水表主要使用在原水和居民自来水的计量、统计、分析和结算上,几乎没有工艺控制要求,内部电池供应又限制它不能过多的耗电,因此通信方式比较简洁,一般生产厂商都选下述配置中的若干方式进行通信:
①和传统冷水水表一样,可以人工抄表,因而都有液晶屏进行流量数据显示。
②开关量输出。
③与无线通信装置的接口,可通过无线通信设备进行联网通信。
④RS-485通信和智能型电磁流量计一样,通常执行ModbusRTU通信协议,并且需要外部供电(DC24V),这往往需要4根电缆。电磁水表可以采用微功耗技术来进行RS-485通信,这种方式可以使用内部锂电池进行供电,省掉外供电的2根电缆,通信只需2根电缆连接。
⑤红外通信,这是一种功耗较低的无线双向通信方式,容易满足安装在井下和水中的电磁水表的苛刻的防护要求。
10、使用环境
10.1 温度要求
(1) 智能型电磁流量计使用场合广泛,通常在-20~55℃的温度环境中可连续、稳定、可靠地工作。某些特定领域,甚至能在70℃高温条件下正常运行。
(2) 电磁水表一般只能在0.1~55℃的温度环境中连续工作,设计和性能试验时,需考虑夏日高温直射的炙烤影响。
10.2 维护要求
(1) 智能型电磁流量计通常由专业人员维护和保养,且往往有周期性(1年左右)的测试和维护。
(2) 电磁水表检测周期较长(2年左右),平时几乎处于无监管状态,大口径表数据值对计量结算影响巨大,因而对其设计、测试和生产制造的质量要求更高。
10.3 防护要求
(1) 智能型电磁流量计使用广泛,运行环境复杂,因而生产厂商针对不同的使用环境设计了不同的保护方法供用户选择,如采用IP66标准的通用型智能型电磁流量计,仅能防护雨水的淋落;高温高湿环境使用要采用特殊的密封耐高温设计;潜水型电磁流量计要按IP68标准设计防护外壳,某些危险场合(如纺织厂、面粉加工厂、化工厂、煤矿、易燃易爆场所)使用的智能型电磁流量计,必须按照隔爆标准来设计外壳防护。所以智能型电磁流量计生产厂商通常会按照用户的使用环境条件,提供相适应的防护方式产品。
(2) 电磁水表测量介质比较单一,主要是洁净的原水(如输送的江、河、湖泊之水,井水及地下水)和市政供应的清洁自来水,所用场合几乎无危险性或爆炸性粉尘,使用环境温度差不是太大,看似其防护要求比较容易解决,而实际上电磁水表往往安装在井下潮湿场所,管道渗漏及雨雪天气又可将电磁水表泡在水中,要防止电磁水表机壳密封处和通信电缆进线处的水渗漏十分重要,所以电磁水表均按潜水型设计外壳保护,为提高防护质量,至少需要达到1m水深7天的试验要求,其防护应执行IP68标准2m水深10天以上的要求。电磁水表外壳防护目前按2m水深30天的IP68标准制造,并且正在考虑将防护试验要求提高到10m水深30天,以达到6年以上防护寿命。

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