超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計在不同的環境下各有優勢
點擊次數：3544 發布時間：2021-09-04 02:50:13
摘要：通過對超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計概論、工作原理、分類和工作性能區別的比較，揭示了中國現階段兩種*常用流量計的特征和不同優勢。
1、超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計的概念
超聲波流量計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。超聲流量計和高位消防水箱出水流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點，近年來它是發展迅速的一類流量計之一。
高位消防水箱出水流量計是一種根據法拉*電磁感應定律來測量管內導電介質體積流量的感應式儀表，采用單片機嵌入式技術，實現數字勵磁，同時在高位消防水箱出水流量計上采用CAN現場總線。
2、超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計的工作原理
超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統三部分組成。超聲波發射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經電子線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行顯示和積算。這樣就實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，采用適出的發射電路把電能加到發射換能器的壓電元件上，使其產生超聲波振動。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，并經壓電元件變為電能，以便檢測。發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。高位消防水箱出水流量計的工作原理是基于法拉*電磁感應定律。在高位消防水箱出水流量計中，測量管內的導電介質相當于法拉*試驗中的導電金屬桿，上下兩端的兩個電磁線圈產生恒定磁場。當有導電介質流過時，則會產生感應電壓。管道內部的兩個電極測量產生的感應電壓。測量管道通過不導電的內襯（橡膠，特氟隆等）實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的非磁性測量管內流動，與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢，電動勢的方向按“弗來明右手規則”。
3、超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計的分類
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、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。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：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關法、空間濾波法及噪聲法等類型。其中以噪聲法原理及結構*簡單，便于測量和攜帶，價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合使用。
由于直接時差法、時差法、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時速度之差來反映流體的流速的，故又統稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，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(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。
高位消防水箱出水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）連線的制式分類，有四線制和二線制；按轉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，有接觸型和非接觸型；按流量傳感器結構分類，有短管型和插入型(插入式高位消防水箱出水流量計)；按用途分類，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、超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計的主要區別
4.1介質不同
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儀表，故可解決其它類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的流量測量問題。
高位消防水箱出水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。通用型高位消防水箱出水流量計由于里襯材料限制，不能測量溫度較高液體。高位消防水箱出水流量計是通過測量導電液體的速度確定工作狀態下的體積流量。按照計量要求，對于液態介質，應測量質量流量，測量介質流量應涉及到流體的密度，不同流體介質具有不同的密度，而且隨溫度變化。如果高位消防水箱出水流量計轉換器不考慮流體密度，僅給出常溫狀態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測量流體速度來確定體積流量，對液體應該測量它的質量流量，儀表測量質量流量是通過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，流體密度是變化的，人為設定密度值，不能保證質量流量的準確度。只能在測量流體速度的同時，又測量了流體密度，才能通過運算，得到真實質量流量值。
從超聲波流量計在國內市場使用的經驗來看，目前所存在的缺點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。
超聲波流量計和高位消防水箱出水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的流量測量和明渠類流量計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沒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系，因此在制造上有一定困難。當被測介質的電導率約為10Ω/cm時就開始產生困難，電導率更低時就產生原理性困難。 當電導率為10Ω/cm時，就達到導電介質和電介質之間的“分界線”，熱噪聲電平隨內阻的增大而顯著增加。
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流標定，具有0.5％準確度。目前廣泛使用的國產單聲道超聲流量標稱精度為1％，但在實際應用中，由于現場管道的內徑、壁厚、 圓度都無法精確測量等諸多因素會使測量準確度超出標稱準確度許多，對供水行業的計量來說，超聲波流量計的實際測量誤差能控制在3％以內就算高準確度了。
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，其造價基本上與管徑無關。對于大型管道不僅帶來方便，可認為在無法實現實流校驗的情況下是優先考慮的選擇方案。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用流量儀表中具有的獨特優點，因此可作移動性(即非定點固定安裝)測量，適用于管網流動狀況評估測定超聲流量計為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。流量計的儀表系數是可從實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流校驗。超聲波流量計主要是管外安裝和插入式安裝，簡單方便，可在線拆卸，維護時不需要工藝停車，不影響生產，檢定費用低，按**計量檢定規程每3年檢定一次。
高位消防水箱出水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，從安裝地點的選擇到具體的安裝調試，必須嚴格按照產品說明書要求進行。安裝地點不能有振動，不能有強磁場。在安裝時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，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需要在有電導率的液體條件下安裝，而且一般高位消防水箱出水流量計的安裝必須截管安裝，但是高位消防水箱出水流量計的特點是在符合條件的現場條件下準確度高。高位消防水箱出水流量計拆卸麻煩，必須要求工藝停車，拆卸送檢麻煩，如果是0.5％準確度按**計量檢定規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射出的超聲波不能有效的回收。
電化學極化電勢干擾是由于電極感生電動勢在兩極極性不同而導致電解質在電極表面極化產生。雖然采用正負交變勵磁磁場能顯著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。其特性于流體介質的性質、電極材料性質、電極的外形尺寸形狀有關，具有變化緩慢，數量級不大等特點。因此選擇合適的電極材料，設計*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配合微處理器同步寬脈沖采樣技術，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，另外高位消防水箱出水流量計工作現場的工頻共模干擾，其三供電電源引入的工頻串模干擾等，其產生的物理機理均是電磁感應原理。*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生的工頻干擾對高位消防水箱出水流量計工作影響*大，而且在不同的勵磁技術下其表現的形態、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運行中出現的問題，可采用新型HCMOS系列芯片技術和微處理器系統電源電壓監視技術。
5、結語
綜合以上論述，超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計在不同的環境下各有優勢。在小成本作業，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，應多采用高位消防水箱出水流量計。當然，計量檢測人員要認真考察工作環境中對流量計的干擾來源，并采取有效的抗干擾措施。
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超聲波流量計的應用范圍
1、超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計的概念
超聲波流量計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。超聲流量計和高位消防水箱出水流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點，近年來它是發展迅速的一類流量計之一。
高位消防水箱出水流量計是一種根據法拉*電磁感應定律來測量管內導電介質體積流量的感應式儀表，采用單片機嵌入式技術，實現數字勵磁，同時在高位消防水箱出水流量計上采用CAN現場總線。
2、超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計的工作原理
超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統三部分組成。超聲波發射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經電子線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行顯示和積算。這樣就實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，采用適出的發射電路把電能加到發射換能器的壓電元件上，使其產生超聲波振動。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，并經壓電元件變為電能，以便檢測。發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。高位消防水箱出水流量計的工作原理是基于法拉*電磁感應定律。在高位消防水箱出水流量計中，測量管內的導電介質相當于法拉*試驗中的導電金屬桿，上下兩端的兩個電磁線圈產生恒定磁場。當有導電介質流過時，則會產生感應電壓。管道內部的兩個電極測量產生的感應電壓。測量管道通過不導電的內襯（橡膠，特氟隆等）實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的非磁性測量管內流動，與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢，電動勢的方向按“弗來明右手規則”。
3、超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計的分類
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、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。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：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關法、空間濾波法及噪聲法等類型。其中以噪聲法原理及結構*簡單，便于測量和攜帶，價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合使用。
由于直接時差法、時差法、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時速度之差來反映流體的流速的，故又統稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，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(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。
高位消防水箱出水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）連線的制式分類，有四線制和二線制；按轉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，有接觸型和非接觸型；按流量傳感器結構分類，有短管型和插入型(插入式高位消防水箱出水流量計)；按用途分類，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、超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計的主要區別
4.1介質不同
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儀表，故可解決其它類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的流量測量問題。
高位消防水箱出水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。通用型高位消防水箱出水流量計由于里襯材料限制，不能測量溫度較高液體。高位消防水箱出水流量計是通過測量導電液體的速度確定工作狀態下的體積流量。按照計量要求，對于液態介質，應測量質量流量，測量介質流量應涉及到流體的密度，不同流體介質具有不同的密度，而且隨溫度變化。如果高位消防水箱出水流量計轉換器不考慮流體密度，僅給出常溫狀態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測量流體速度來確定體積流量，對液體應該測量它的質量流量，儀表測量質量流量是通過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，流體密度是變化的，人為設定密度值，不能保證質量流量的準確度。只能在測量流體速度的同時，又測量了流體密度，才能通過運算，得到真實質量流量值。
從超聲波流量計在國內市場使用的經驗來看，目前所存在的缺點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。
超聲波流量計和高位消防水箱出水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的流量測量和明渠類流量計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沒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系，因此在制造上有一定困難。當被測介質的電導率約為10Ω/cm時就開始產生困難，電導率更低時就產生原理性困難。 當電導率為10Ω/cm時，就達到導電介質和電介質之間的“分界線”，熱噪聲電平隨內阻的增大而顯著增加。
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流標定，具有0.5％準確度。目前廣泛使用的國產單聲道超聲流量標稱精度為1％，但在實際應用中，由于現場管道的內徑、壁厚、 圓度都無法精確測量等諸多因素會使測量準確度超出標稱準確度許多，對供水行業的計量來說，超聲波流量計的實際測量誤差能控制在3％以內就算高準確度了。
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，其造價基本上與管徑無關。對于大型管道不僅帶來方便，可認為在無法實現實流校驗的情況下是優先考慮的選擇方案。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用流量儀表中具有的獨特優點，因此可作移動性(即非定點固定安裝)測量，適用于管網流動狀況評估測定超聲流量計為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。流量計的儀表系數是可從實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流校驗。超聲波流量計主要是管外安裝和插入式安裝，簡單方便，可在線拆卸，維護時不需要工藝停車，不影響生產，檢定費用低，按**計量檢定規程每3年檢定一次。
高位消防水箱出水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，從安裝地點的選擇到具體的安裝調試，必須嚴格按照產品說明書要求進行。安裝地點不能有振動，不能有強磁場。在安裝時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，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需要在有電導率的液體條件下安裝，而且一般高位消防水箱出水流量計的安裝必須截管安裝，但是高位消防水箱出水流量計的特點是在符合條件的現場條件下準確度高。高位消防水箱出水流量計拆卸麻煩，必須要求工藝停車，拆卸送檢麻煩，如果是0.5％準確度按**計量檢定規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射出的超聲波不能有效的回收。
電化學極化電勢干擾是由于電極感生電動勢在兩極極性不同而導致電解質在電極表面極化產生。雖然采用正負交變勵磁磁場能顯著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。其特性于流體介質的性質、電極材料性質、電極的外形尺寸形狀有關，具有變化緩慢，數量級不大等特點。因此選擇合適的電極材料，設計*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配合微處理器同步寬脈沖采樣技術，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，另外高位消防水箱出水流量計工作現場的工頻共模干擾，其三供電電源引入的工頻串模干擾等，其產生的物理機理均是電磁感應原理。*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生的工頻干擾對高位消防水箱出水流量計工作影響*大，而且在不同的勵磁技術下其表現的形態、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運行中出現的問題，可采用新型HCMOS系列芯片技術和微處理器系統電源電壓監視技術。
5、結語
綜合以上論述，超聲波流量計和高位消防水箱出水流量計在不同的環境下各有優勢。在小成本作業，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，應多采用高位消防水箱出水流量計。當然，計量檢測人員要認真考察工作環境中對流量計的干擾來源，并采取有效的抗干擾措施。
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