常州鑫旺儀表有限公司電磁流量計和超聲波流量計基本性能的比較
作者:常州鑫旺儀表有限公司
2023-07-03
摘 要：隨著傳感器技術、電子技術、計算機技術和新材料技術的迅速發展和應用，電磁流量計和超聲波流量計這兩種高新技術產品的發展迅速，系列越來越多，用途越來越廣，二者之間的選擇也越來越多，由于二者之間之間的性價比很相似，可比性很強，很多用戶在二者之間選擇時猶豫不定。對這兩種流量計的基本原理特性和基本技術性能進行分析和比較，說明了儀表選型應從性能要求、流體特性、安裝要求、環境條件和費用這五方面因素進行綜合考慮，供選擇和使用者參考。
1.前言
在《流量測量方法和儀表選用》一書中說：“有人調查美國裝用的千余臺流量儀表，發現約 60%所選擇的測量方法不是合適的或使用不正確，這60%中的約60%雖然采用了合適的測量方法，卻錯誤的布置和安裝，由此可見正確選擇和使用流量儀表并非易事”。書中又說：“要正確和有效地選擇測量方法和儀表，必須熟悉儀表和使用流體特性這兩方面，同時還要考慮經濟因素。歸納起來有五個方面的因素，即性能要求、流體特性、安裝要求、環境條件和費用，即使經驗豐富的工程師，綜合這些因素提出較優方案亦非易事”。
從原則上講，適合的流量計就是好的流量計。如果只需知道管道中的流體是否正常流動，如果沒有測量**度的要求，就可以選擇價格低廉使用可靠成本較低的流量計即可。但對測量**度要求很高，用于特殊介質或特殊工作條件、差價不大、可比性較強的流量計，選擇起來就不那么容易了，本文將對電磁流量計和超聲波流量計這兩種可比性很強的流量計，通過基本原理特性和基本技術性能的比較和淺析，來闡述在選擇時應該注意的一些地方。
2.電磁流量計和超聲波流量計的基本技術性能比較電磁流量計和超聲波流量計基本技術性能比較見表1。
表1 中兩種流量計的基本技術性能有些比較直觀易解，需要說明的是確定流量計**度的參考流動條件和這兩種流量計的特性。因為無論采用那種確定流量計**度的方法，都必須溯源到原始標準的**度，而原始標準的**度又是建立在有關標準規定的參考流動條件下確定的。
美國**流量專家米勒編著的《流量測量工程手冊》一書中全面歸納出“參比”（編注：參考文獻[5]）流動條件的含義是：
(1)具有充分發展的層流或紊流的速度分布，無旋渦并且是與軸對稱的（圍繞管道的中心軸線是對稱的）。
(2)為牛頓流體。
(3)為充滿圓管的均勻單向流體。
(4)為定常流。
(5)對于因溫度、壓力變化所引起的尺寸變化或其它已知系統誤差，已進行了流量計算的校正。
如果現場流動條件偏離了參比流動條件，就會給測量帶來附加誤差，偏離參比流動條件的因素叫影響量。速度分布的失常，非均相流，脈動流和氣穴是影響各種流量計測量特性的四個主要影響量。一種影響量所造成的誤差程度與該流量計對這種影響量的敏感度，以及是否能進行流量計算的修正有關。
在各種影響量中，速度分布是重要的，也是較少被人理解的一種影響量。旋流、非牛頓流體和軸向不對稱的速度分布對流量計特性的影響，不僅是難以分析的，而且在實驗室中也很難再現。要弄清速度分布對流量計特性的影響，首先要了解與速度分布有關的術語涵義。
(1)速度分布：在管道橫截面積上流體速度軸向矢量的分布模式。
(2)充分發展的速度分布：一種一經形成則從流體流動的一個橫截面積到另一個橫截面積不會發生變化的速度分布，它通常是在足夠長的管道直管段末端形成。
所以在確定流量計**度時，都必須是在同一標準狀態下進行才具有可比性。下面分別將電磁流量計和超聲波流量計的基本特性進行對比說明。
3.電磁流量計的基本特性
電磁流量計近 20 年來獲得迅速發展，占有量躍居前三名。隨著先進技術的發展應用，電磁流量計的優點得以充分發揮，缺點和局限性得以彌補和改進。其優點是：
(1)傳感器結構簡單，無活動部件和阻礙流體流動的擾動件，不會發生管道堵塞。可以測量污水、泥漿、懸浮物，也可測量食品、藥漿類需要衛生條件的流體。無壓力損失，即使是大口徑耗電量也僅有 20 瓦左右，屬于節能環保性儀表。
(2)轉換器通用性強、工作可靠、具有互換性、功能具有多樣性、可選擇性、顯示和輸出方式多種多樣。可以適用不同用戶的需要，特別是智能型電磁流量計，具有可編程的輸出功能，各種數字通信方式，小信號可予切除，具有自檢和自診斷功能，可方便地進行參數設定、編程等。性能穩定、可靠、檢修簡便。
(3) 傳感器襯里和電極材料有多種選擇，可適應不同的介質，耐磨損、耐腐蝕。測量信號不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的影響。采用沉浸結構可在水下工作。采用防爆性，可以在相應的有爆炸危險的場所工作。
(4)測量范圍度寬,從原理上講，它的流量方程式是線性的，每個量程中可以達到線性范圍 50：1。對于同一臺表，可以達到的測量范圍度 2500：1，這是其它流量計無法比擬的。
它的缺點是不能測量氣體、蒸汽和含有大量氣泡的液體，不能測量石油及其制品等不導電液體，受襯里材料和電氣絕緣材料的溫度限制，目前不能測量高溫流體（有的廠家限定200℃以下，有的是 150℃以下）。
4.超聲波流量計的基本特性
超聲波束（超聲脈沖）在流體中的傳輸速度要受到流向及流速的影響，或者流體中顆粒的移動會對超聲波束的頻率或相位造成影響，這些現象都可以用來測量流體的流速（流量），從而造成超聲波流量計。世界上**臺超聲波流量計于 1928 年誕生于德國，此后獲得迅速發展。到現在國內有近十家公司制造或代理這種產品，從*初的只有液體用超聲波流量計發展到現在也有了氣體超聲波流量計。隨著電子技術的飛速發展，該產品的性能和應用范圍也有了很大提高，其主要優點是：
(1)不干擾流場、無壓力損失、無可動易損部件，這點和電磁流量計相同。
(2)既可以測量導電流體、也可以測量非導電流體，可以一表多用（夾裝式）使用在多條管道上，可以作為現場檢定的標準儀表。
(3)超聲波流量計的傳感器（換能器）可以插入管道內壁，做成“直射式”，能獲得較高的測量**度（液體、四聲道、**度±0.5%），也可以把換能器夾裝在測量管外壁，實現非接觸測量，解決高壓流體、有毒流體、腐蝕流體的流量測量問題。
但是它也有一些缺點，例如：轉換器的輸出信號易受電磁波干擾、零點不穩定、操作比較麻煩，安裝一臺新表往往需要專業人員在現場進行調試，對換能器的安裝要求較高，使用中要注意清理其上的粘附物。考慮到該產品的價格和安裝調試的技術要求，該產品推薦使用在大中口徑較重要的流量檢測點，被測的流程管道要形狀規則，壁厚均勻，無銹斑、無沉淀、積液等（盡可能選“帶管段”的形式）。
5 電磁流量計和超聲波流量計之間的選擇建議
在電磁流量計和超聲波流量計之間選擇時應主要從以下幾個方面考慮：
(1)根據被測流體性質，如果流體不導電，則只能選擇超聲波流量計。
(2)流量計周圍的測量環境，因為超聲波流量計易受電磁波干擾，如果在流量計的周圍有發射電磁波的物體，那么就不適宜安裝超聲波流量計。
(3)根據測量性質來分，如果在測量時對瞬時流量要求嚴格，更適合安裝電磁流量計。
(4)超聲波流量計更推薦使用在大中口徑較重要的流量檢測點，被測的流程管道要形狀規則，壁厚均勻，無銹斑、無沉淀、積液等（盡可能選“帶管段”的形式），否則雷諾數無法修正的那么**。
(5)超聲波流量計可以實現非接觸測量。
通常要正確選用流量計，應從以下五個方面考慮：性能要求：準確度、重復性、范圍度、響應時間。
流體特性：溫度、壓力、密度、粘度、腐蝕和結垢、壓縮系數。
安裝要求：垂直、水平、直管段、管道振動、閥門位置。
環境方面：溫度、濕度、安全性、電器干擾。
經濟方面：安裝費、運行費、檢修、維護。
6 結論
流量儀表是一種涉及多門學科的工業自動化儀表，產品質量與計算設計技巧、制造工藝能力、電子器件產品質量、出廠標定設備水平等密切相關，同時又與使用現場環境條件、流體參數、管道安裝條件等密切相關。正確和有效地選擇測量方法和儀表，必須熟悉儀表和使用流體特性這兩個方面，同時還要考慮經濟因素。歸納起來應從性能要求、流體特性、安裝要求、環境條件和費用這五方面因素考慮，綜合這些因素提出較優方案后正確使用，才能使流量儀表充分發揮它的作用。
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