超聲波流量計和電磁流量計各自特點(diǎn)及區別說(shuō)明

    1 超聲波流量計和電磁流量計的概念

    超聲波流量計是通過(guò)檢測流體流動(dòng)對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表。超聲流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無(wú)阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問(wèn)題的一類(lèi)流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)它是發(fā)展迅速的一類(lèi)流量計之一。

    電磁流量計是一種根據法拉第電磁感應定律來(lái)測量管內導電介質(zhì)體積流量的感應式儀表，采用單片機嵌入式技術(shù)，實(shí)現數字勵磁，同時(shí)在電磁流量計上采用CAN現場(chǎng)總線(xiàn)。

    2 超聲波流量計和電磁流量計的工作原理

    超聲波流量計由超聲波換能器、電子線(xiàn)路及流量顯示和累積系統三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線(xiàn)路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實(shí)現了流量的檢測和顯示。

    超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應，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�，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，而接收換能器則是利用壓電效應。

    電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律。在電磁流量計中，測量管內的導電介質(zhì)相當于法拉第試驗中的導電金屬桿，上下兩端的兩個(gè)電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。當有導電介質(zhì)流過(guò)時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生感應電壓。管道內部的兩個(gè)電極測量產(chǎn)生的感應電壓。測量管道通過(guò)不導電的內襯（橡膠，特氟隆等）實(shí)現與流體和測量電極的電磁隔離。導電性液體在垂直于磁場(chǎng)的非磁性測量管內流動(dòng)，與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應電勢，電動(dòng)勢的方向按“弗來(lái)明右手規則”。

    3 超聲波流量計和電磁流量計的分類(lèi)

    根據檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類(lèi)型的超聲波流量計。根據對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法（包括：直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法、頻差法）波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類(lèi)型。其中以噪聲法原理及結構最簡(jiǎn)單，便于測量和攜帶，價(jià)格便宜但準確度較低，適于在流量測量準確度要求不高的場(chǎng)合使用。

    由于直接時(shí)差法、時(shí)差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過(guò)測量超聲波脈沖順流和逆流傳報時(shí)速度之差來(lái)反映流體的流速的，故又統稱(chēng)為傳播速度差法。其中頻差法和時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，準確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差撥又分為：Z法（透過(guò)法）、V法（反射法）、X法（交叉法）等。

    電磁流量計按激磁電流方式劃分，有直流激磁、交流（工頻或其他頻率）激磁、低頻矩形波激磁和雙頻矩形波激磁；按輸出信號連接和激磁（或電源）連線(xiàn)的制式分類(lèi)，有四線(xiàn)制和二線(xiàn)制；按轉換器與傳感器組裝方式分類(lèi)，有分體型和一體型；按流量傳感器與管道連接方式分類(lèi)，有法蘭型、夾持型、衛生型、插入型、螺紋連接；按流量傳感器電極是否與被測液體接觸分類(lèi)，有接觸型和非接觸型；按流量傳感器結構分類(lèi)，有短管型和插入型（插入式電磁流量計）；按用途分類(lèi)，有通用型、防爆型、衛生型、防侵水型和用于明渠流量測量的潛水型（明渠流量計）。

    4 超聲波流量計和電磁流量計的主要區別

    4.1 介質(zhì)不同

    超聲波流量計的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響，又可制成非接觸及便攜式測量?jì)x表，故可解決其它類(lèi)型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問(wèn)題。

    電磁流量計不能測量導電率很低的液體，如石石油制品和有機溶劑等。通用型電磁流量計由于里襯材料限制，不能測量溫度較高液體。電磁流量計是通過(guò)測量導電液體的速度確定工作狀態(tài)下的體積流量。按照計量要求，對于液態(tài)介質(zhì)，應測量質(zhì)量流量，測量介質(zhì)流量應涉及到流體的密度，不同流體介質(zhì)具有不同的密度，而且隨溫度變化。如果電磁流量計轉換器不考慮流體密度，僅給出常溫狀態(tài)下的體積流量是不合適的。

    4.2 準確度不同

    超聲波流量計是通過(guò)測量流體速度來(lái)確定體積流量，對液體應該測量它的質(zhì)量流量，儀表測量質(zhì)量流量是通過(guò)體積流量乘以人為設定的密度后得到的，當流體溫度變化時(shí)，流體密度是變化的，人為設定密度值，不能保證質(zhì)量流量的準確度。只能在測量流體速度的同時(shí)，又測量了流體密度，才能通過(guò)運算，得到真實(shí)質(zhì)量流量值。

    從超聲波流量計在國內市場(chǎng)使用的經(jīng)驗來(lái)看，目前所存在的缺點(diǎn)主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁和換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，另外不足的是高溫下被測流體傳聲速度的原始數據不全。目前中國的超聲波流量計只能用于測量200℃以下的流體。

    超聲波流量計和電磁流量計的測量媒介不同，超聲波是采用聲波，頻率很低，超聲波頻率20KHz~100KHz，雷達是采用2.4GHz級別的電磁波，超聲波的限制性比較大，很容易受到其它鐵制物體的干擾，另外頻率低，衰減大，測量范圍小，應用的面比較窄，常用在大口徑的水管線(xiàn)的流量測量和明渠類(lèi)流量計測液位來(lái)?yè)Q算成流量。也有用在固體料倉上的。電磁的頻率高，衰減小，如果加上導波管測量范圍可以很大，用在儲罐上比較多。但是需要注意介電常數，介電常數太小的介質(zhì)沒(méi)法測或測量范圍很小。由于這種傳感器必須保持管道內電阻和測量電路阻抗之間有一定比例關(guān)系，因此在制造上有一定困難。當被測介質(zhì)的電導率約為10Ω/cm時(shí)就開(kāi)始產(chǎn)生困難，電導率更低時(shí)就產(chǎn)生原理性困難。當電導率為10Ω/cm時(shí)，就達到導電介質(zhì)和電介質(zhì)之間的“分界線(xiàn)”，熱噪聲電平隨內阻的增大而顯著(zhù)增加。

    高精度超聲流量計均為多聲道或管段式，中、小口徑管段式超聲流量計通常都做實(shí)流標定，具有0.5％準確度。目前廣泛使用的國產(chǎn)單聲道超聲流量標稱(chēng)精度為1％，但在實(shí)際應用中，由于現場(chǎng)管道的內徑、壁厚、圓度都無(wú)法精確測量等諸多因素會(huì )使測量準確度超出標稱(chēng)準確度許多，對供水行業(yè)的計量來(lái)說(shuō)，超聲波流量計的實(shí)際測量誤差能控制在3％以?xún)染退愀邷蚀_度了。

    4.3 安裝維護檢定成本不同

    超聲波流量計適用于大型圓形管道和矩形管道，且原理上不受管徑限制，其造價(jià)基本上與管徑無(wú)關(guān)。對于大型管道不僅帶來(lái)方便，可認為在無(wú)法實(shí)現實(shí)流校驗的情況下是優(yōu)先考慮的選擇方案。超聲流量計可作非接觸測量。夾裝式換能器超聲流量計可無(wú)需停流截管安裝，只要在既設管道外部安裝換能器即可。這是超聲流量計在工業(yè)用流量?jì)x表中具有的獨特優(yōu)點(diǎn)，因此可作移動(dòng)性（即非定點(diǎn)固定安裝）測量，適用于管網(wǎng)流動(dòng)狀況評估測定超聲流量計為無(wú)流動(dòng)阻撓測量，無(wú)額外壓力損失。流量計的儀表系數是可從實(shí)際測量管道及聲道等幾何尺寸計算求得的，既可采用干法標定，除帶測量管段式外一般不需作實(shí)流校驗。超聲波流量計主要是管外安裝和插入式安裝，簡(jiǎn)單方便，可在線(xiàn)拆卸，維護時(shí)不需要工藝停車(chē)，不影響生產(chǎn)，檢定費用低，按國家計量檢定規程每3年檢定一次。

    電磁流量計的安裝與調試比其它流量計復雜，且要求更嚴格。變送器和轉換器必須配套使用，兩者之間不能用兩種不同型號的儀表配用。在安裝變送器時(shí)，從安裝地點(diǎn)的選擇到具體的安裝調試，必須嚴格按照產(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流體等電位。在使用時(shí)，必須排盡測量管中存留的氣體，否則會(huì )造成較大的測量誤差。電磁流量計需要在有電導率的液體條件下安裝，而且一般電磁流量計的安裝必須截管安裝，但是電磁流量計的特點(diǎn)是在符合條件的現場(chǎng)條件下準確度高。電磁流量計拆卸麻煩，必須要求工藝停車(chē)，拆卸送檢麻煩，如果是0.5％準確度按國家計量檢定規程每半年需檢定一次。

    4.4 干擾來(lái)源不同

    干擾了超聲波工作，就是干擾了超聲波流量計工作。干擾超聲波工作的主要因素有溫度的劇烈變化和雜波的干擾，或管道內有特定角度的旋流或者結構使得流量計發(fā)射出的超聲波不能有效的回收。

    電化學(xué)極化電勢干擾是由于電極感生電動(dòng)勢在兩極極性不同而導致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負交變勵磁磁場(chǎng)能顯著(zhù)減弱極化電勢的數量級，但不能根本上完全消除極化電勢干擾。其特性于流體介質(zhì)的性質(zhì)、電極材料性質(zhì)、電極的外形尺寸形狀有關(guān)，具有變化緩慢，數量級不大等特點(diǎn)。因此選擇合適的電極材料，設計最佳的電極形狀的尺寸是減小極化電勢的有效方法之一。另外采用正負兩極性交變的矩形波勵磁技術(shù)配合微處理器同步寬脈沖采樣技術(shù)，到用微處理器運算功能前后兩次采樣值相減消除流量信號電勢中的極化電勢干擾。

    工頻干擾噪聲是由電磁流量傳感器勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合，另外電磁流量計工作現場(chǎng)的工頻共模干擾，其三供電電源引入的工頻串模干擾等，其產(chǎn)生的物理機理均是電磁感應原理。首先就電磁流量傳感器勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對電磁流量計工作影響最大，而且在不同的勵磁技術(shù)下其表現的形態(tài)、特性不同，因而采取抗干擾措施也不同。解決電磁流量計運行中出現的問(wèn)題，可采用新型HCMOS系列芯片技術(shù)和微處理器系統電源電壓監視技術(shù)。

    5 結語(yǔ)

    綜合以上論述，超聲波流量計和電磁流量計在不同的環(huán)境下各有優(yōu)勢。在小成本作業(yè)，對測量準確度要求不高的情況下，宜多使用超聲波流量計；在安裝、維護資金充足，對測量準確度要求高的情況下，應多采用電磁流量計。當然，計量檢測人員要認真考察工作環(huán)境中對流量計的干擾來(lái)源，并采取有效的抗干擾措施。