電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)基本性能的比較

• 發(fā)布時(shí)間：2023-02-22

摘 要：隨著傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和新材料技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)這兩種高新技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)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(jià)比很相似，可比性很強(qiáng)，很多用戶在二者之間選擇時(shí)猶豫不定。對(duì)這兩種流量計(jì)的基本原理特性和基本技術(shù)性能進(jìn)行分析和比較，說明了儀表選型應(yīng)從性能要求、流體特性、安裝要求、環(huán)境條件和費(fèi)用這五方面因素進(jìn)行綜合考慮，供選擇和使用者參考。

1.前言

在《流量測(cè)量方法和儀表選用》一書中說：“有人調(diào)查美國裝用的千余臺(tái)流量儀表，發(fā)現(xiàn)約 60％所選擇的測(cè)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(cè)量方法，卻錯(cuò)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(cè)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(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)因素。歸納起來有五個(gè)方面的因素，即性能要求、流體特性、安裝要求、環(huán)境條件和費(fèi)用，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，綜合這些因素提出較優(yōu)方案亦非易事”。

從原則上講，適合的流量計(jì)就是好的流量計(jì)。如果只需知道管道中的流體是否正常流動(dòng)，如果沒有測(cè)量**度的要求，就可以選擇價(jià)格低廉使用可靠成本較低的流量計(jì)即可。但對(duì)測(cè)量**度要求很高，用于特殊介質(zhì)或特殊工作條件、差價(jià)不大、可比性較強(qiáng)的流量計(jì)，選擇起來就不那么容易了，本文將對(duì)電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)這兩種可比性很強(qiáng)的流量計(jì)，通過基本原理特性和基本技術(shù)性能的比較和淺析，來闡述在選擇時(shí)應(yīng)該注意的一些地方。

2.電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)的基本技術(shù)性能比較電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)基本技術(shù)性能比較見表1。

表1 中兩種流量計(jì)的基本技術(shù)性能有些比較直觀易解，需要說明的是確定流量計(jì)**度的參考流動(dòng)條件和這兩種流量計(jì)的特性。因?yàn)闊o論采用那種確定流量計(jì)**度的方法，都必須溯源到原始標(biāo)準(zhǔn)的**度，而原始標(biāo)準(zhǔn)的**度又是建立在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參考流動(dòng)條件下確定的。

美國**流量專家米勒編著的《流量測(cè)量工程手冊(cè)》一書中全面歸納出“參比”（編注：參考文獻(xiàn)[5]）流動(dòng)條件的含義是：

（1）具有充分發(fā)展的層流或紊流的速度分布，無旋渦并且是與軸對(duì)稱的（圍繞管道的中心軸線是對(duì)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(duì)于因溫度、壓力變化所引起的尺寸變化或其它已知系統(tǒng)誤差，已進(jìn)行了流量計(jì)算的校正。

如果現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)條件偏離了參比流動(dòng)條件，就會(huì)給測(cè)量帶來附加誤差，偏離參比流動(dòng)條件的因素叫影響量。速度分布的失常，非均相流，脈動(dòng)流和氣穴是影響各種流量計(jì)測(cè)量特性的四個(gè)主要影響量。一種影響量所造成的誤差程度與該流量計(jì)對(duì)這種影響量的敏感度，以及是否能進(jìn)行流量計(jì)算的修正有關(guān)。

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(duì)稱的速度分布對(duì)流量計(jì)特性的影響，不僅是難以分析的，而且在實(shí)驗(yàn)室中也很難再現(xiàn)。要弄清速度分布對(duì)流量計(jì)特性的影響，首先要了解與速度分布有關(guān)的術(shù)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(fā)展的速度分布：一種一經(jīng)形成則從流體流動(dòng)的一個(gè)橫截面積到另一個(gè)橫截面積不會(huì)發(fā)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(jì)**度時(shí)，都必須是在同一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行才具有可比性。下面分別將電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)的基本特性進(jìn)行對(duì)比說明。

3.電磁流量計(jì)的基本特性

電磁流量計(jì)近 20 年來獲得迅速發(fā)展，占有量躍居前三名。隨著先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮，缺點(diǎn)和局限性得以彌補(bǔ)和改進(jìn)。其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）傳感器結(jié)構(gòu)簡單，無活動(dòng)部件和阻礙流體流動(dòng)的擾動(dòng)件，不會(huì)發(fā)生管道堵塞。可以測(cè)量污水、泥漿、懸浮物，也可測(cè)量食品、藥漿類需要衛(wèi)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(jié)能環(huán)保性儀表。

（2）轉(zhuǎn)換器通用性強(qiáng)、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?？梢赃m用不同用戶的需要，特別是智能型電磁流量計(jì)，具有可編程的輸出功能，各種數(shù)字通信方式，小信號(hào)可予切除，具有自檢和自診斷功能，可方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、編程等。性能穩(wěn)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(yīng)不同的介質(zhì)，耐磨損、耐腐蝕。測(cè)量信號(hào)不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響。采用沉浸結(jié)構(gòu)可在水下工作。采用防爆性，可以在相應(yīng)的有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所工作。

（4）測(cè)量范圍度寬,從原理上講，它的流量方程式是線性的，每個(gè)量程中可以達(dá)到線性范圍 50：1。對(duì)于同一臺(tái)表，可以達(dá)到的測(cè)量范圍度 2500：1，這是其它流量計(jì)無法比擬的。

它的缺點(diǎn)是不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有大量氣泡的液體，不能測(cè)量石油及其制品等不導(dǎo)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(cè)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(jì)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(dòng)會(huì)對(duì)超聲波束的頻率或相位造成影響，這些現(xiàn)象都可以用來測(cè)量流體的流速（流量），從而造成超聲波流量計(jì)。世界上**臺(tái)超聲波流量計(jì)于 1928 年誕生于德國，此后獲得迅速發(fā)展。到現(xiàn)在國內(nèi)有近十家公司制造或代理這種產(chǎn)品，從*初的只有液體用超聲波流量計(jì)發(fā)展到現(xiàn)在也有了氣體超聲波流量計(jì)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，該產(chǎn)品的性能和應(yīng)用范圍也有了很大提高，其主要優(yōu)點(diǎn)是：

（1）不干擾流場(chǎng)、無壓力損失、無可動(dòng)易損部件，這點(diǎn)和電磁流量計(jì)相同。

（2）既可以測(cè)量導(dǎo)電流體、也可以測(cè)量非導(dǎo)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(xiàn)場(chǎng)檢定的標(biāo)準(zhǔn)儀表。

（3）超聲波流量計(jì)的傳感器（換能器）可以插入管道內(nèi)壁，做成“直射式”，能獲得較高的測(cè)量**度（液體、四聲道、**度±0.5％），也可以把換能器夾裝在測(cè)量管外壁，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，解決高壓流體、有毒流體、腐蝕流體的流量測(cè)量問題。

但是它也有一些缺點(diǎn)，例如：轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)易受電磁波干擾、零點(diǎn)不穩(wěn)定、操作比較麻煩，安裝一臺(tái)新表往往需要專業(yè)人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試，對(duì)換能器的安裝要求較高，使用中要注意清理其上的粘附物?？紤]到該產(chǎn)品的價(jià)格和安裝調(diào)試的技術(shù)要求，該產(chǎn)品推薦使用在大中口徑較重要的流量檢測(cè)點(diǎn)，被測(cè)的流程管道要形狀規(guī)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(jì)和超聲波流量計(jì)之間的選擇建議

在電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)之間選擇時(shí)應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）根據(jù)被測(cè)流體性質(zhì)，如果流體不導(dǎo)電，則只能選擇超聲波流量計(jì)。

（2）流量計(jì)周圍的測(cè)量環(huán)境，因?yàn)槌暡髁坑?jì)易受電磁波干擾，如果在流量計(jì)的周圍有發(fā)射電磁波的物體，那么就不適宜安裝超聲波流量計(jì)。

（3）根據(jù)測(cè)量性質(zhì)來分，如果在測(cè)量時(shí)對(duì)瞬時(shí)流量要求嚴(yán)格，更適合安裝電磁流量計(jì)。

（4）超聲波流量計(jì)更推薦使用在大中口徑較重要的流量檢測(cè)點(diǎn)，被測(cè)的流程管道要形狀規(guī)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(shù)無法修正的那么**。

（5）超聲波流量計(jì)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。

通常要正確選用流量計(jì)，應(yīng)從以下五個(gè)方面考慮：性能要求：準(zhǔn)確度、重復(fù)性、范圍度、響應(yīng)時(shí)間。

流體特性：溫度、壓力、密度、粘度、腐蝕和結(jié)垢、壓縮系數(shù)。

安裝要求：垂直、水平、直管段、管道振動(dòng)、閥門位置。

環(huán)境方面：溫度、濕度、安全性、電器干擾。

經(jīng)濟(jì)方面：安裝費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)、檢修、維護(hù)。

6 結(jié)論

流量儀表是一種涉及多門學(xué)科的工業(yè)自動(dòng)化儀表，產(chǎn)品質(zhì)量與計(jì)算設(shè)計(jì)技巧、制造工藝能力、電子器件產(chǎn)品質(zhì)量、出廠標(biāo)定設(shè)備水平等密切相關(guān)，同時(shí)又與使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件、流體參數(shù)、管道安裝條件等密切相關(guān)。正確和有效地選擇測(cè)量方法和儀表，必須熟悉儀表和使用流體特性這兩個(gè)方面，同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)因素。歸納起來應(yīng)從性能要求、流體特性、安裝要求、環(huán)境條件和費(fèi)用這五方面因素考慮，綜合這些因素提出較優(yōu)方案后正確使用，才能使流量儀表充分發(fā)揮它的作用。