超声波流量计（jì）和高位消防水箱出水流量计在不（bú）同的环境下（xià）各有优势

摘要：通过对超声（shēng）波流量计和（hé）高位消防水箱出水（shuǐ）流量计概论、工作（zuò）原（yuán）理、分类和工作性能区别的比较，揭示了中国现阶段两种*常用流量计的（de）特征和不同优（yōu）势。
1、超（chāo）声波流量计（jì）和高位消防水箱出（chū）水流量计的概念
超声波流量计是通过检测（cè）流体流动对超声束(或超声（shēng）脉冲)的作用以测量流量的（de）仪（yí）表。超声流量计和高位消防水箱出水流量计一样，因仪表流通通道未设置任何（hé）阻碍件，均属无阻碍流量计（jì），是适（shì）于（yú）解决（jué）流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面（miàn）有较突出的优点，近（jìn）年来它（tā）是发（fā）展迅速的一类流量计（jì）之一。
高位消防水（shuǐ）箱出水流量计是一种根据法拉*电磁感应定律（lǜ）来测量管内导（dǎo）电介质体积流量的感应式仪表，采用单片机（jī）嵌（qiàn）入式技术，实现数字励磁，同时在高位（wèi）消防水箱出水（shuǐ）流量计上采用CAN现场总线。
2、超声波流量计和高位消防水箱出水流量计的工作原理
超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超（chāo）声波发射换能器将（jiāng）电能转换（huàn）为超声波能量，并将其发射到被（bèi）测流体中，接收器接（jiē）收到的超声波信号，经电子线路（lù）放大并转换为代表流量的电信号供给显（xiǎn）示和积算仪表进行显示和积算。这（zhè）样就实现了流量的检测和显示（shì）。超声波（bō）流量计常用压电换能器。它利（lì）用压电材料的压电效应，采（cǎi）用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超（chāo）声波振动（dòng）。超声波以某一角（jiǎo）度射入流体中传播，然后由接收换能器接（jiē）收，并经压电元件变为电能，以便（biàn）检测。发射（shè）换能器利用压（yā）电元件的逆压电效应（yīng），而接收换能器则是利用压电效应。高（gāo）位消（xiāo）防水箱出水流量计的工作原理（lǐ）是基于法拉*电磁感应定律。在（zài）高位消（xiāo）防水箱出水流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉*试验中的导电（diàn）金属杆（gǎn），上下两端的两（liǎng）个电磁线圈产生恒定磁（cí）场。当有导电介质流过时，则会产（chǎn）生感应电压。管道（dào）内部的两个电*测量产生的感应电压。测量管道通（tōng）过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现（xiàn）与流体和测量电*的电磁隔离。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向（xiàng）垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则”。
3、超声波流量（liàng）计和（hé）高位消（xiāo）防水箱出水流量计的（de）分（fèn）类
根据检测的方式，可分为传播速（sù）度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及（jí）相关法等不（bú）同类型的（de）超（chāo）声波流量计。根据对信号检测（cè）的原理，目前超声波流量（liàng）计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒（lè）法（fǎ）、相关法、空（kōng）间滤波法及噪声法等类（lèi）型。其中以噪声法原理及结（jié）构*简单，便于测量和携带，价（jià）格便宜但准确度较（jiào）低，适于在流量测（cè）量准确度要求不高的场合使用。
由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超（chāo）声波脉（mò）冲顺（shùn）流和逆流（liú）传报时（shí）速度之差来反映流体的流速的，故又统（tǒng）称为传播速度差（chà）法。其（qí）中频差法和时差法（fǎ）克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高（gāo），所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同（tóng），传播速度差拨又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。
高位（wèi）消防水箱（xiāng）出水流量计按激磁电流方式划分，有直流激磁、交（jiāo）流（liú）（工频或其他频率）激磁、低频矩形波激磁和双频矩形波激磁；按（àn）输出信号连接和激磁（或电源）连线的制式分类，有四线（xiàn）制和（hé）二线制；按转换器（qì）与传感（gǎn）器组（zǔ）装方式分类，有分体型和一体型；按流量传感器与管道连接方式分类，有法兰型、夹持型（xíng）、卫生型、插入型、螺纹连接；按流量传感器电*是否与被测液体接触分（fèn）类，有接触型和非接触型；按流量传感器结构分类，有短管型和插入型(插入式高（gāo）位消防水箱出水流（liú）量计)；按用途分类，有通用型（xíng）、防爆（bào）型、卫生（shēng）型、防侵水（shuǐ）型和用于明（míng）渠流量测量的潜水（shuǐ）型（明渠（qú）流量（liàng）计）。
4、超声波流（liú）量计和高位消防水箱出水流量计（jì）的主要区别
4.1介（jiè）质不同
超声波流量计的流量测量准确度几乎（hū）不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表（biǎo）所难以测量的强腐蚀性、非（fēi）导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题（tí）。
高位消防（fáng）水箱（xiāng）出水流量计不能测量导电（diàn）率很低的液体，如石石油制品和有机溶剂等。通用型高位（wèi）消防水箱出水流量计由（yóu）于里衬材（cái）料限制，不能测（cè）量温度较高液体。高位消防水箱出水流量计是通过测量导电液体的速度确定（dìng）工作状态下（xià）的（de）体积流量。按照计量要求，对于液态介质，应测量质量流量，测量介质流量应涉及（jí）到（dào）流体的密（mì）度，不同流体介质具有不同的密度，而（ér）且随温度（dù）变化。如果高位（wèi）消（xiāo）防水箱出（chū）水流量计转换器不考虑流体密度，仅给出常温状态（tài）下的体积流（liú）量是不合适的。
4.2准确度不同
超声波流量计是通过测量流（liú）体速度来（lái）确定体积（jī）流量，对液体应该测量它的质量流量，仪表测量质量流量（liàng）是通（tōng）过体（tǐ）积流量乘以人为设定的（de）密度后得到的，当流体温度变化时，流体密度是变化的，人（rén）为（wéi）设定（dìng）密度值，不能保证质量流量的准确度。只能在测量流体速度的同时（shí），又测量了流体密度，才能通过运算，得到真实质量流量值。
从超声波流量计在国内市场使用的经（jīng）验来看，目前所存在的缺点主（zhǔ）要是可测流体的温度范围受（shòu）超声波换能铝（lǚ）和换能器与管道之间的耦合材料耐（nài）温程（chéng）度（dù）的限制，另外不足（zú）的是高温下被（bèi）测流体传（chuán）声速度（dù）的原始（shǐ）数据不全。目前中国的超声波流（liú）量计只能用于测（cè）量200℃以下的流（liú）体。
超（chāo）声波流量计和高（gāo）位消（xiāo）防水箱出水流（liú）量计的测量媒介不同，超（chāo）声波是采用声（shēng）波，频率很低，超声（shēng）波频率（lǜ）20KHz~100KHz，雷达是采用2.4GHz级别的电磁波，超声波的限（xiàn）制性比较大，很容易受到其它铁制物体的干扰，另外频率低，衰减大，测量（liàng）范围小，应用的面比较（jiào）窄，常用在大口径的水管线的流量测量和明渠类（lèi）流量计（jì）测液位来换算成流量。也有用在固体料（liào）仓上的（de）。电磁的频率高，衰（shuāi）减小（xiǎo），如果加上导波管测量范围可以（yǐ）很大，用在储罐上比较多。但是需要注意介电常数，介电常数（shù）太小的介质没法测或测量范围很小。由（yóu）于这种传感器（qì）必须保持管道（dào）内电阻和测量电路阻抗之间有一定比例关系，因此在制造上有一定困难。当被（bèi）测介质的电导率约为10Ω/cm时（shí）就开始产生困难，电导率（lǜ）更低时就产生原理性困难（nán）。 当电导率为（wéi）10Ω/cm时，就达到导电介质和电介（jiè）质之间的“分界线”，热噪声电平随内阻的增大而显著增加。
高精度超声流量计均（jun1）为多（duō）声道或管段式，中、小（xiǎo）口径（jìng）管段式超声流量计（jì）通常都做实流标定，具有0.5％准确度。目前广泛使用的国产单声（shēng）道超声流量标称（chēng）精度为（wéi）1％，但在实际（jì）应用中，由于现场管道的内径、壁厚、 圆（yuán）度都无法精确测量等诸多因素会使测量准确度超出标称准确度许多，对供水行业的计量来说，超声波（bō）流量计的实际测量（liàng）误（wù）差能控制在3％以内就算高准确度了。
4.3安装（zhuāng）、维护、检定成本不同（tóng）
超声波流量计适用于大型圆形管道和（hé）矩形管道，且（qiě）原理上不受管径限制，其（qí）造价基本上与管径无关。对于大型管道不仅带来方便，可认（rèn）为在无法实现（xiàn）实流校验的（de）情况下是优先考虑的选择方案。超声流量计可作非接触测（cè）量。夹装式换能器（qì）超（chāo）声流量（liàng）计可无需停流截管安装，只要在既设管道外部（bù）安装换能器即可（kě）。这是（shì）超声流（liú）量（liàng）计在工业用（yòng）流量仪表中具有的独特（tè）优点，因此可作移动性(即非定（dìng）点固定（dìng）安装)测量，适用于管网流动状况评估测（cè）定（dìng）超声流量（liàng）计为无（wú）流动阻挠测量，无额外（wài）压力损失。流量计（jì）的仪表系数是可（kě）从实际（jì）测量管道及声道等几（jǐ）何尺寸计（jì）算求得的，既可采用（yòng）干法标定，除带测量管段式外一般不需作（zuò）实流校验。超声波流量计主要是（shì）管外安装和插入式安（ān）装（zhuāng），简单方便，可在线拆卸，维护时（shí）不需要工艺（yì）停车（chē），不影（yǐng）响生产，检定费用低，按**计量检定规程（chéng）每3年检定（dìng）一次。
高位消防水（shuǐ）箱出水流量（liàng）计的安装与调试比其它流量计（jì）复杂，且要求更严格。变送器和转换器必须配套使用（yòng），两者之间（jiān）不（bú）能用两种不同型号的仪表配用（yòng）。在安装（zhuāng）变送器时，从安（ān）装地点的选择到具体的安装调试，必须严格按照产品说明书要求进行。安装（zhuāng）地点不能有振动，不能有强磁场。在安装时必须使变送器和（hé）管道（dào）有良（liáng）好的接触及良好的接地。变送（sòng）器的电位与被测流体等电位。在使用时，必须排尽测量管中存留的气体，否则会（huì）造成较大的（de）测量误差。高位消防水箱出水流量计需要（yào）在有电导率的液体（tǐ）条件下安装，而且（qiě）一般（bān）高位消防水箱出水流（liú）量计的安装必须截管安（ān）装，但是高（gāo）位消（xiāo）防水箱（xiāng）出水流量计的特点是在符合条件的现场条件下准确度高。高位消防水箱出水流量计拆卸麻烦，必须（xū）要求工艺停车，拆卸送（sòng）检麻（má）烦，如果是0.5％准确度按**计量检定规程每（měi）半年需检定一次。
4.4干扰来源不同
干扰了超声波工作，就是干扰了超（chāo）声波流量计工作。干扰超声波工作（zuò）的主要因素有温度的剧烈变化和杂波的（de）干扰，或管道内有特定角度的旋流或者结构使得流量计发射出的超声波不能有效的回收。
电化（huà）学*化电势干（gàn）扰是由于电*感（gǎn）生电动势在两（liǎng）**性不同而导（dǎo）致电解质在（zài）电*表面（miàn）*化产生。虽然采用正负交变励磁磁场能显著减弱*化（huà）电势的数量级，但不（bú）能根本上完全消除*化电势干扰（rǎo）。其特性于流体介质的性质、电*材料性质（zhì）、电*的（de）外形尺寸形状有关，具有变化缓慢，数量级不大等特点。因此选择合（hé）适的电*材料，设计*佳的电*形状（zhuàng）的尺寸是减小*化电势（shì）的有效（xiào）方法之（zhī）一。另外采用正负两*性交变（biàn）的矩形波励磁技术配合微处理器同（tóng）步（bù）宽脉冲采样技术，到用微处理器运算（suàn）功能前后两次采样值相减消除流（liú）量（liàng）信号电势（shì）中的*化电势干扰。
工频干扰噪声是由电磁流量传感器励磁绕组和流体、电*、放大器（qì）输入回路的电磁耦合，另外高位消防水箱出水流量计工作现场的工频共模干扰，其三供电（diàn）电源引入的工频串模干扰等，其产生的物（wù）理机理均是电磁感应原理。*先就电（diàn）磁流量传感器励磁绕组和流体、电*、放大器（qì）输入回路（lù）的电磁耦合产生的工频干扰对高位消防水箱出（chū）水流量计工（gōng）作影响*大，而且在（zài）不同的励（lì）磁技术（shù）下（xià）其表现（xiàn）的（de）形态（tài）、特性不同，因而采取抗干扰措施也不（bú）同。解决高位消防水箱出水流（liú）量计运行中出现（xiàn）的问题，可采用新型HCMOS系列芯片技术和微处（chù）理器（qì）系统电（diàn）源（yuán）电压监视技术。
5、结语（yǔ）
综（zōng）合以上论述，超声波流量（liàng）计和高位消防水箱出水流量（liàng）计在不同的环境下各有优势。在小成本作业，对测（cè）量准确度要求（qiú）不高的情况下，宜多使用超声波流量计；在安装、维护资金充（chōng）足，对测量准（zhǔn）确（què）度要求高的情况下（xià），应（yīng）多采（cǎi）用高位消防水箱出水（shuǐ）流量计。当然，计量检（jiǎn）测人（rén）员（yuán）要认真考察工作环境（jìng）中对流（liú）量计的（de）干扰来源，并（bìng）采取有效的抗干扰措施。

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