超聲波流量計(jì)和高位消防水箱出水流量計(jì)在不同的環(huán)境下各有優(yōu)勢

摘要：通過對超聲波流量計(jì)和高位消防水箱出水流量計(jì)概論、工作原理、分類和工作性能區(qū)別的比較，揭示了中國現(xiàn)階段兩種*常用流量計(jì)的特征和不同優(yōu)勢。
1、超聲波流量計(jì)和高位消防水箱出水流量計(jì)的概念
超聲波流量計(jì)是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表。超聲流量計(jì)和高位消防水箱出水流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計(jì)，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計(jì)，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。
高位消防水箱出水流量計(jì)是一種根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律來測量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表，采用單片機(jī)嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字勵(lì)磁，同時(shí)在高位消防水箱出水流量計(jì)上采用CAN現(xiàn)場總線。
2、超聲波流量計(jì)和高位消防水箱出水流量計(jì)的工作原理
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)三部分組成。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)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)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(xiàn)了流量的檢測和顯示。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。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(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。高位消防水箱出水流量計(jì)的工作原理是基于法拉*電磁感應(yīng)定律。在高位消防水箱出水流量計(jì)中，測量管內(nèi)的導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉*試驗(yàn)中的導(dǎo)電金屬桿，上下兩端的兩個(gè)電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場。當(dāng)有導(dǎo)電介質(zhì)流過時(shí)，則會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。管道內(nèi)部的兩個(gè)電*測量產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。測量管道通過不導(dǎo)電的內(nèi)襯（橡膠，特氟隆等）實(shí)現(xiàn)與流體和測量電*的電磁隔離。導(dǎo)電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內(nèi)流動，與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電勢，電動勢的方向按“弗來明右手規(guī)則”。
3、超聲波流量計(jì)和高位消防水箱出水流量計(jì)的分類
根據(jù)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)法等不同類型的超聲波流量計(jì)。根據(jù)對信號檢測的原理，目前超聲波流量計(jì)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型。其中以噪聲法原理及結(jié)構(gòu)*簡單，便于測量和攜帶，價(jià)格便宜但準(zhǔn)確度較低，適于在流量測量準(zhǔn)確度要求不高的場合使用。
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測量超聲波脈沖順流和逆流傳報(bào)時(shí)速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)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(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。
高位消防水箱出水流量計(jì)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）連線的制式分類，有四線制和二線制；按轉(zhuǎn)換器與傳感器組裝方式分類，有分體型和一體型；按流量傳感器與管道連接方式分類，有法蘭型、夾持型、衛(wèi)生型、插入型、螺紋連接；按流量傳感器電*是否與被測液體接觸分類，有接觸型和非接觸型；按流量傳感器結(jié)構(gòu)分類，有短管型和插入型(插入式高位消防水箱出水流量計(jì))；按用途分類，有通用型、防爆型、衛(wèi)生型、防侵水型和用于明渠流量測量的潛水型（明渠流量計(jì)）。
4、超聲波流量計(jì)和高位消防水箱出水流量計(jì)的主要區(qū)別
4.1介質(zhì)不同
超聲波流量計(jì)的流量測量準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。
高位消防水箱出水流量計(jì)不能測量導(dǎo)電率很低的液體，如石石油制品和有機(jī)溶劑等。通用型高位消防水箱出水流量計(jì)由于里襯材料限制，不能測量溫度較高液體。高位消防水箱出水流量計(jì)是通過測量導(dǎo)電液體的速度確定工作狀態(tài)下的體積流量。按照計(jì)量要求，對于液態(tài)介質(zhì)，應(yīng)測量質(zhì)量流量，測量介質(zhì)流量應(yīng)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。如果高位消防水箱出水流量計(jì)轉(zhuǎn)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(zhǔn)確度不同
超聲波流量計(jì)是通過測量流體速度來確定體積流量，對液體應(yīng)該測量它的質(zhì)量流量，儀表測量質(zhì)量流量是通過體積流量乘以人為設(shè)定的密度后得到的，當(dāng)流體溫度變化時(shí)，流體密度是變化的，人為設(shè)定密度值，不能保證質(zhì)量流量的準(zhǔn)確度。只能在測量流體速度的同時(shí)，又測量了流體密度，才能通過運(yùn)算，得到真實(shí)質(zhì)量流量值。
從超聲波流量計(jì)在國內(nèi)市場使用的經(jīng)驗(yàn)來看，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(shù)據(jù)不全。目前中國的超聲波流量計(jì)只能用于測量200℃以下的流體。
超聲波流量計(jì)和高位消防水箱出水流量計(jì)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(dá)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(yīng)用的面比較窄，常用在大口徑的水管線的流量測量和明渠類流量計(jì)測液位來換算成流量。也有用在固體料倉上的。電磁的頻率高，衰減小，如果加上導(dǎo)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(shù)，介電常數(shù)太小的介質(zhì)沒法測或測量范圍很小。由于這種傳感器必須保持管道內(nèi)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(dāng)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率約為10Ω/cm時(shí)就開始產(chǎn)生困難，電導(dǎo)率更低時(shí)就產(chǎn)生原理性困難。 當(dāng)電導(dǎo)率為10Ω/cm時(shí)，就達(dá)到導(dǎo)電介質(zhì)和電介質(zhì)之間的“分界線”，熱噪聲電平隨內(nèi)阻的增大而顯著增加。
高精度超聲流量計(jì)均為多聲道或管段式，中、小口徑管段式超聲流量計(jì)通常都做實(shí)流標(biāo)定，具有0.5％準(zhǔn)確度。目前廣泛使用的國產(chǎn)單聲道超聲流量標(biāo)稱精度為1％，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場管道的內(nèi)徑、壁厚、 圓度都無法精確測量等諸多因素會使測量準(zhǔn)確度超出標(biāo)稱準(zhǔn)確度許多，對供水行業(yè)的計(jì)量來說，超聲波流量計(jì)的實(shí)際測量誤差能控制在3％以內(nèi)就算高準(zhǔn)確度了。
4.3安裝、維護(hù)、檢定成本不同
超聲波流量計(jì)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)基本上與管徑無關(guān)。對于大型管道不僅帶來方便，可認(rèn)為在無法實(shí)現(xiàn)實(shí)流校驗(yàn)的情況下是優(yōu)先考慮的選擇方案。超聲流量計(jì)可作非接觸測量。夾裝式換能器超聲流量計(jì)可無需停流截管安裝，只要在既設(shè)管道外部安裝換能器即可。這是超聲流量計(jì)在工業(yè)用流量儀表中具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此可作移動性(即非定點(diǎn)固定安裝)測量，適用于管網(wǎng)流動狀況評估測定超聲流量計(jì)為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。流量計(jì)的儀表系數(shù)是可從實(shí)際測量管道及聲道等幾何尺寸計(jì)算求得的，既可采用干法標(biāo)定，除帶測量管段式外一般不需作實(shí)流校驗(yàn)。超聲波流量計(jì)主要是管外安裝和插入式安裝，簡單方便，可在線拆卸，維護(hù)時(shí)不需要工藝停車，不影響生產(chǎn)，檢定費(fèi)用低，按**計(jì)量檢定規(guī)程每3年檢定一次。
高位消防水箱出水流量計(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(diào)試，必須嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書要求進(jìn)行。安裝地點(diǎn)不能有振動，不能有強(qiáng)磁場。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，否則會造成較大的測量誤差。高位消防水箱出水流量計(jì)需要在有電導(dǎo)率的液體條件下安裝，而且一般高位消防水箱出水流量計(jì)的安裝必須截管安裝，但是高位消防水箱出水流量計(jì)的特點(diǎn)是在符合條件的現(xiàn)場條件下準(zhǔn)確度高。高位消防水箱出水流量計(jì)拆卸麻煩，必須要求工藝停車，拆卸送檢麻煩，如果是0.5％準(zhǔn)確度按**計(jì)量檢定規(guī)程每半年需檢定一次。
4.4干擾來源不同
干擾了超聲波工作，就是干擾了超聲波流量計(jì)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(nèi)有特定角度的旋流或者結(jié)構(gòu)使得流量計(jì)發(fā)射出的超聲波不能有效的回收。
電化學(xué)*化電勢干擾是由于電*感生電動勢在兩**性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電*表面*化產(chǎn)生。雖然采用正負(fù)交變勵(lì)磁磁場能顯著減弱*化電勢的數(shù)量級，但不能根本上完全消除*化電勢干擾。其特性于流體介質(zhì)的性質(zhì)、電*材料性質(zhì)、電*的外形尺寸形狀有關(guān)，具有變化緩慢，數(shù)量級不大等特點(diǎn)。因此選擇合適的電*材料，設(shè)計(jì)*佳的電*形狀的尺寸是減小*化電勢的有效方法之一。另外采用正負(fù)兩*性交變的矩形波勵(lì)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(yùn)算功能前后兩次采樣值相減消除流量信號電勢中的*化電勢干擾。
工頻干擾噪聲是由電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電磁耦合，另外高位消防水箱出水流量計(jì)工作現(xiàn)場的工頻共模干擾，其三供電電源引入的工頻串模干擾等，其產(chǎn)生的物理機(jī)理均是電磁感應(yīng)原理。*先就電磁流量傳感器勵(lì)磁繞組和流體、電*、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對高位消防水箱出水流量計(jì)工作影響*大，而且在不同的勵(lì)磁技術(shù)下其表現(xiàn)的形態(tài)、特性不同，因而采取抗干擾措施也不同。解決高位消防水箱出水流量計(jì)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，可采用新型HCMOS系列芯片技術(shù)和微處理器系統(tǒng)電源電壓監(jiān)視技術(shù)。
5、結(jié)語
綜合以上論述，超聲波流量計(jì)和高位消防水箱出水流量計(jì)在不同的環(huán)境下各有優(yōu)勢。在小成本作業(yè)，對測量準(zhǔn)確度要求不高的情況下，宜多使用超聲波流量計(jì)；在安裝、維護(hù)資金充足，對測量準(zhǔn)確度要求高的情況下，應(yīng)多采用高位消防水箱出水流量計(jì)。當(dāng)然，計(jì)量檢測人員要認(rèn)真考察工作環(huán)境中對流量計(jì)的干擾來源，并采取有效的抗干擾措施。

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