電磁式水表技術(shù)報告與選型簡介

馬中元，張 志，馬 博 （浦瑞斯儀表(上海)有限公司，上海，中國，201108）

山本 弘，鈴木 勉     （大連愛知時計(jì)科技有限公司，遼寧，中國，116600）

 

摘要：電磁式水表是水表產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的重要品種之一。作為實(shí)現(xiàn)低功耗技術(shù)的電磁式水表，為此設(shè)計(jì)開發(fā)了專利技術(shù)的殘留磁性勵磁方式的技術(shù)、微弱信號的噪聲處理轉(zhuǎn)換電路技術(shù)、以及用以提高流速并降低磁阻的計(jì)量腔結(jié)構(gòu)。本文還介紹了為了驗(yàn)證電磁式水表低功耗長期運(yùn)行而進(jìn)行的各種適用性試驗(yàn)，也介紹了對電磁式水表的選用要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：水表、電磁式水表、低功耗、殘留磁性勵磁、低噪聲信號轉(zhuǎn)換、寬計(jì)量范圍

 

1. 前言

1.1 機(jī)械式水表

機(jī)械式水表（包括機(jī)械式電子水表），因?yàn)樵跇?gòu)造上有旋轉(zhuǎn)體（可動部件），所以存在以下缺點(diǎn)：

1）大流量時性能差、壓損高。

2）旋轉(zhuǎn)部分的磨損以及灰塵和水垢等附著后，引起在微小流量時計(jì)量性能較差。

3）因?yàn)榇嬖谧畲罅髁俊⑽⑿×髁康南拗疲?jì)量范圍狹窄。

4）易發(fā)生凍結(jié)（低溫時）、混入沙土、異物等而損壞。

5）新的水表標(biāo)準(zhǔn)使得Q4過載流量有新的要求內(nèi)涵，這實(shí)際上使常用流量Q3的值顯著提高。對用戶來說，允許長期使用的流量大了；對制造商來說，意味著水表型式試驗(yàn)時，耐久性試驗(yàn)中的流量增大了，相當(dāng)于要求機(jī)械式水表設(shè)計(jì)的耐磨性提高2-3倍。

6）新的水表標(biāo)準(zhǔn)使得R（=Q3/Q1）值可以逐級向更高值擴(kuò)展，但機(jī)械式水表實(shí)現(xiàn)和推進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的難度較大。

1.2 電磁式水表

電磁式水表由常規(guī)電磁流量計(jì)發(fā)展而來，測量原理與電磁流量計(jì)相同，采用法拉第電磁感應(yīng)定律，測量封閉管道內(nèi)的導(dǎo)電流體的流量。由于勵磁的耗能和噪聲對微弱信號測量的影響，電磁式水表的技術(shù)進(jìn)步比較緩慢，只有為數(shù)不多的制造商能夠生產(chǎn)符合水表標(biāo)準(zhǔn)要求的電磁式水表產(chǎn)品。

與機(jī)械式水表相比較，電磁式水表具有如下特點(diǎn)：

1）線性的傳感器信號，計(jì)量精度高，始動流量小（理論上可以達(dá)到1mm/s流速的分辨率）。

2）測量管內(nèi)無可動部件，耐磨損以及耐灰塵和水垢等附著，耐久性好。

3）寬測量范圍，適用于大流量至微小流量的精確穩(wěn)定測量。

4）零維護(hù)、低壓力損失，節(jié)省輸水電能，降低供水動力成本。

5）安裝方式方便、自由，低維護(hù)成本、計(jì)量性能長期穩(wěn)定。

6）過載流量對應(yīng)的過載流速可以達(dá)到10-15m/s。

當(dāng)前，主要制造商產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。

表1. 電磁式水表主要制造商產(chǎn)品參數(shù)

制造商 Aichi tokei

Elster ABB Siemens Krohne E+H Seametrics

型號 SU、SY

Q4000 Aqua Master MAG 8000 WATERFLUX 3070 Promag 800 AG2000

規(guī)格 DN40-DN300 DN15-DN600 DN50-DN300 DN25-DN600 DN25-DN300 DN25-DN300

計(jì)量范圍（R=） 200 63 160 160 OIML R49     認(rèn)證 50

400 160 250 250 75

1000 250 400 400 90

電池續(xù)航時間（年） 10 5 6（10） 4（8） 3（5）（15） 2.5（5）

勵磁方式 殘留磁性勵磁 傳統(tǒng)勵磁 傳統(tǒng)勵磁 傳統(tǒng)勵磁 傳統(tǒng)勵磁 傳統(tǒng)勵磁

勵磁間歇時間（s） 連續(xù) 15 15（30） 5（15） 3,5,15 15（30）

推向市場時間（年） 1990 1998 2006 2006 2006 2007

 

 

圖1. 工作原理

 2. 電磁式水表測量原理

根據(jù)弗萊明右手法則，導(dǎo)電物體通過磁場切割磁力線時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢與切割磁力線的物體運(yùn)動速度成比例關(guān)系。如圖1所示，利用這一原理，具有導(dǎo)電性的水流通過電磁水表時，水流切割水表內(nèi)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過測量電動勢，儀表智能運(yùn)算單元可以計(jì)算出瞬時流量、累計(jì)流量。

感應(yīng)電動勢 (UE)  = 磁場 (B) × 流速 (V) × 電極間距 (D)

 

3. 重要技術(shù)的開發(fā)

電磁式水表開發(fā)的重要課題是在于如何減少儀表功耗，使得內(nèi)置電池能夠工作10年以上。傳統(tǒng)勵磁方式如圖2所示，勵磁線圈上通過電流的過程中，產(chǎn)生了磁場。磁場的保持需要勵磁電流持續(xù)地提供給勵磁線圈，所以常規(guī)電磁流量計(jì)的大部分功耗被勵磁線圈所消耗。常規(guī)電磁流量計(jì)的勵磁功耗為1~30W，典型值為5W。電磁式水表的內(nèi)置電池要工作10年，那么須保證勵磁功耗在1mW以下，一般來說，功耗1mW僅有典型常規(guī)電磁流量計(jì)勵磁功耗的五千分之一左右。因此，為了實(shí)現(xiàn)電磁式水表而開發(fā)了前述的三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。

3.1 根據(jù)低耗電進(jìn)行微小信號的轉(zhuǎn)換電路

通常，傳統(tǒng)電磁流量計(jì)的標(biāo)稱單位流速信號約1mV（當(dāng)1m/s流速時傳感器器產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幅度）。采用內(nèi)置電池供的電磁式水表電時，即使把標(biāo)稱單位流速信號降低到10µV左右，也就是傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)信號的1/100，這時相應(yīng)的磁場強(qiáng)度，亦即勵磁所需的功耗也為傳統(tǒng)電磁流量計(jì)的1/100。如圖2.a所示，傳統(tǒng)勵磁方式的連續(xù)消耗著勵磁電流。為了準(zhǔn)確地在低噪音并且低功耗下，放大如此微小的電壓信號，開發(fā)出了在寬流量范圍內(nèi)，放大包含流量信號在內(nèi)的噪聲波形正態(tài)分布信號的轉(zhuǎn)換電路。

3.2 殘留磁性勵磁方式

為了得到高效率（低功耗）的磁場產(chǎn)生回路，開發(fā)出了利用半硬質(zhì)磁性材料的殘留磁性勵磁方式。殘留磁性勵磁方式如圖2.b所示，當(dāng)脈沖電流勵磁時，由于電感的作用，電流波形呈尖峰狀，電流通過線圈后由半硬質(zhì)磁性材料做成的磁芯就被充磁，形成所需要的工作磁場（磁通密度B），工作磁場并不因脈沖電流的撤銷而撤銷，直到接下來脈沖電流反向勵磁前，始終穩(wěn)定保持同一方向的磁場。如果將勵磁脈沖電流產(chǎn)生的時間設(shè)計(jì)成勵磁周期的1/100的話，雖然產(chǎn)生同樣磁場強(qiáng)度，但與傳統(tǒng)勵磁方式相比，殘留磁性勵磁方式能量消耗僅為傳統(tǒng)勵磁方式的1/50。那么，在圖2.b所示的殘留磁性勵磁方式下勵磁功耗僅為常規(guī)電磁流量計(jì)的1/5000。

a. 傳統(tǒng)勵磁方式

b. 剩磁勵磁方式

圖2. 勵磁方式

3.3 殘留磁性勵磁與傳統(tǒng)勵磁方式比較

殘留磁性勵磁方式的電池節(jié)能是依靠微弱的電能和材料的磁能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換獲得，而不是持續(xù)消耗電池電流。采樣與殘留磁性勵磁同頻率方波磁場所感應(yīng)的流量信號，既能保持連續(xù)流量測量的高分辨率和高精度，也能達(dá)到良好的節(jié)能效果，是電磁水表最理想的勵磁方法。而采用傳統(tǒng)勵磁方式時，為了減小電池的消耗通常采用長時間休眠，減少流量信號的采樣次數(shù)，多數(shù)公司使用15s測量一次。這樣當(dāng)現(xiàn)場實(shí)際流量頻繁變化時，可能檢測不到這期間流量變化量而造成測量誤差。

電磁式水表采用不同勵磁方式的采樣時間比較如圖3所示，圖示給出了殘留磁性勵磁方式和長期休眠的傳統(tǒng)勵磁方式測量過程的采樣分辨率和平均流量。很明顯，采用殘留磁性勵磁方式的電磁式水表能夠分辨15s內(nèi)流量的變化，長休眠（1/15Hz）傳統(tǒng)勵磁方式電磁水表對15s以內(nèi)的流量變化分辨不出來，因此，將產(chǎn)生測量誤差。

圖3. 電磁式水表采用不同勵磁方式的采樣時間比較

3.3提高流速，減少磁阻的構(gòu)造

  流量測量傳感器設(shè)計(jì)在圓筒狀的測量管內(nèi)，形狀類似于玉米形狀的流線型同心錐體，液體在管道和錐體所包圍的環(huán)狀空間內(nèi)流動。錐體內(nèi)由于是半硬質(zhì)磁性材料制成的鐵芯、線圈、內(nèi)磁軛以及鐵芯所產(chǎn)生的磁束形成的磁場。根據(jù)這種構(gòu)造，內(nèi)磁軛與測量管之間的距離短，且相對面積變大，降低了磁阻。在提高殘留磁力的同時，因錐體流道（環(huán)狀空間）被縮小的部分提高了流速，信號電壓變大。

3.4 整體構(gòu)成

    錐形流量測量傳感器（SY型產(chǎn)品）實(shí)物如圖4.a所示，主要構(gòu)成如圖4.b所示。由于電極在寬的流量范圍內(nèi)所檢測出的信號電壓較高，因此在轉(zhuǎn)換電路，能夠?qū)⒖勺冊鲆骐娏鞣糯笃鳌/D轉(zhuǎn)換器以及其它控制電路結(jié)合實(shí)現(xiàn)1：1000放大范圍，并能夠?qū)崿F(xiàn)正反相同特性的測量。

圖4.a 實(shí)物

圖4.b主要構(gòu)成

圖4. 錐形流量測量傳感器

 

4．基本性能測試

各口徑的參數(shù)如表2所示，流量范圍為常用流量的1/1000，常用流量至它的1/500分界流量的精度為±2%，由分界流量至最小流量精度為±4%。壓力損失在常用流量下約為59kPa，在最大流量下約為98kPa。工作壓力為0.74MPa，實(shí)驗(yàn)壓力為1.72MPa。對安裝位置沒有制限，作為配管條件，上游直管段3-5D。

表2. 各口徑的參數(shù)

口   徑 50mm 75mm 100mm 150mm

Q4 最大流量  m³/h 65 130 260 580

Q3 常用流量  m³/h 50 100 200 450

Q2 分界流量  m³/h 0.1 0.2 0.4 0.9

Q1 最小流量  m³/h 0.05 0.1 0.2 0.45

Q0 始動流量  m³/h 0.02 0.03 0.05 0.12

工作壓力  MPa 0.74

試驗(yàn)壓力  MPa 1.72

重量      kg 12.5 7.6 23.1 40.2

精度 在Q2≤Q≤Q4高區(qū)為±2.0%；在Q1≤Q＜Q2低區(qū)為±5.0%。

流體允許溫度  ℃ -40

環(huán)境溫度  ℃ 10～50

電池工作期限             10年

累計(jì)表示  m³ 99999.999 999999.99

瞬間流量表示  m³/h 999.9 999

輸出信號 數(shù)字輸出信號，單位脈沖輸出信號

防水性 IP68

安裝條件 無安裝方位的限制，上流直管段3-5D。

 

5. 電磁式水表的性能試驗(yàn)結(jié)果

此次我們所開發(fā)的電磁式水表的口徑為50、75、100、150四種。以下為口徑50mm電磁式水表進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

5.1 儀表基本誤差

口徑50mm電磁式水表的基本誤差性能試驗(yàn)如圖5所示。試驗(yàn)是在0.016～70 m³/h的1:4400的流量范圍下所做的儀表誤差曲線，并給出了超低下限流量、超過載流量的誤差、壓力損失、正向流量和反向流量特性。

在基本誤差性能試驗(yàn)后，進(jìn)行了超大流量以及常用流量的耐久性能測試，超大流量的平均流量為67.4 m³/h，累計(jì)量為1200 m³；常用流量的平均流量約為50 m³/h，連續(xù)測試71天，累計(jì)量為84200 m³。經(jīng)超大流量以及常用流量的耐久性能測試后的基本誤差性能試驗(yàn)如圖6所示，結(jié)果是在超大流量以及常用流量的耐久性能測試后，儀表基本誤差性能均無變化。

 

圖5. 基本誤差性能試驗(yàn)

 

圖6. 經(jīng)超大流量以及常用流量的耐久性能測試后的基本誤差性能試驗(yàn)

5.2 流體湍流的影響

1）上游安裝蝶閥的影響。上游安裝蝶閥角度為0度時的影響如圖7所示，上游安裝蝶閥角度為90度時的影響如圖8所示。閥門開度選擇20%、50%、100%三個位置，電磁式水表的上游直管段選擇對2D、4D、8D的三個情況做試驗(yàn)。

圖-7蝶閥的影響（角度為0度）

圖-8 蝶閥的影響（角度為90度）

2）上游安裝泄水閥的影響。采用與蝶閥同樣的試驗(yàn)方法，用泄水閥進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果是呈現(xiàn)出了誤差平移的變化（儀表誤差的曲線上下移動）。上游安裝泄水閥角度為0度時的影響數(shù)值在±0.7%以下，上游安裝泄水閥角度為90度時的影響數(shù)值在±0.1%以下，合乎規(guī)格精度的范圍內(nèi)要求。

5.3 流體溫度的影響

    水溫選定為10℃、30℃、50℃三個溫度點(diǎn)，流體溫度的影響（基本誤差性能試驗(yàn)）如圖9所示。根據(jù)每個溫度下的誤差曲線，可以看到溫度的變化對影響在精確度等級范圍內(nèi)。對于儀表基本誤差隨溫度變化所產(chǎn)生的誤差平移現(xiàn)象，我們認(rèn)為源于磁芯材料的溫度特性，而導(dǎo)致的磁通密度變化。小流量時誤差平移較大及偏向正反向，我們認(rèn)為是由于磁通密度的變化使得儀表零點(diǎn)發(fā)生了變化。

圖9 流體溫度的影響

5.4 試驗(yàn)總結(jié)

   我們對電磁式水表試驗(yàn)時，也同時進(jìn)行了與機(jī)械式水表的對比試驗(yàn)。電磁式水表試驗(yàn)總結(jié)如下：

1）在R1000時，正反向流量的基本誤差均在規(guī)定的精確度等級內(nèi)。

2）證明了在超過載流量、超低下限流量也可以測量。

3）試驗(yàn)證明在超大流量試驗(yàn)，連續(xù)常用流量試驗(yàn)前后基本誤差均在規(guī)定的精確度等級內(nèi)。

4）實(shí)際驗(yàn)證了儀表良好的耐久性。

5）除20%以下的蝶閥開度影響外，其他情況不受影響。

6）在試驗(yàn)的溫度點(diǎn)下，基本誤差均在規(guī)定的精確度等級內(nèi)。

 

6. 電磁式水表的選用

6.1 概述

SU型產(chǎn)品是采用世界首創(chuàng)低功耗電磁計(jì)量技術(shù)開發(fā)、研制與生產(chǎn)的一款內(nèi)置電池驅(qū)動的電磁式水表（以下簡稱水表），本產(chǎn)品是一款特別適用于工業(yè)與民用水計(jì)量的水表，產(chǎn)品外形如圖10所示。

a. 法蘭式 SU40-KF ～ SU300-KF

b. 夾裝式 SU50-KW ～ SU200-KW

c. 螺紋式 SU40-KS

圖10. 電磁式水表產(chǎn)品外形

6.2 產(chǎn)品特點(diǎn)

1）精確測量，流量計(jì)具有0.3秒的連續(xù)采樣率，可以確信準(zhǔn)確可靠的測量。

2）流量計(jì)有40mm至300mm多種口徑選擇，過程連接有螺紋、夾裝和法蘭供選擇（見圖10）。

3）寬測量范圍（R200或R400）、低始動流量，適用于大流量至微小流量的精確穩(wěn)定測量。

4）采用世界上首創(chuàng)的低功耗電磁計(jì)量專利技術(shù)，僅內(nèi)置1節(jié)鋰電池可保證10年連續(xù)工作。

5）內(nèi)置的IrDA接口，可實(shí)現(xiàn)無線無源流量傳感器方案到任何物聯(lián)網(wǎng)（IoT）云平臺（見圖11）。

6）大屏幕LCD實(shí)時數(shù)據(jù)，便于抄表讀數(shù)（見圖12）。

7）無源脈沖輸出，可實(shí)現(xiàn)貿(mào)易交接管控。

8）安裝方式自由，可水平、垂直、傾斜等任意安裝方式。

9）零維護(hù)，無可動部件及10年的穩(wěn)定運(yùn)行，壽命期內(nèi)不需更換電池及定期檢定。

10）低壓力損失（見圖13），節(jié)省電能，降低供水動力成本。

11）持久耐用，IP68防水規(guī)格、不銹鋼材質(zhì)，保證長期可靠運(yùn)行（水深1米以內(nèi)）。

12）可承受2.0 MPa的極限壓力，在此壓力下無滲漏損壞現(xiàn)象。

13）OIML R49認(rèn)證，體積小、重量輕，方便搬運(yùn)安裝，減少運(yùn)營成本。

圖11. 無線遠(yuǎn)傳 圖

12. 大屏幕液晶顯示

圖13. 低壓力損失

6.3 主要性能參數(shù)

1）公稱通徑：DN40 --- DN300

2）工作壓力：0 --- 1.0 MPa（可承受2.0 MPa的極限壓力）

3）壓力損失：R200時，Q3流量點(diǎn)的壓力損失<0.03 MPa；

R400時，Q3流量點(diǎn)的壓力損失<0.01 MPa；

3）流體溫度：0.1 --- 30 ℃

4）環(huán)境溫度：-10 --- +55 ℃

5）準(zhǔn)確度等級：2.0級（Q2≤Q≤Q4，高區(qū)）；5.0級（Q1≤Q＜Q2，低區(qū)）。

6）量程比（計(jì)量范圍）：200:1（R200）或400:1（R400）。（備注3：R=Q3/Q1之比）

7）測量范圍（靈敏度）： 600:1（備注：Q4/Q0之比）

8）供電電源：鋰電池（電子單元內(nèi)置），連續(xù)工作10年間無需更換電池。

6.4 主要功能

1）現(xiàn)場顯示：多功能大屏幕LCD顯示，LCD的相關(guān)顯示與指示如圖14所示。

流量顯示：總量最大999999.999 m3，瞬時流量0.1 --- 9999 m3/h。

報警提示：空管（無水）、反向流量、電池能量不足、測量停止、信號輸入異常（各類報警提示見表5.1）。

13）脈沖輸出：100L/p、1m3/p（特殊訂貨：10m3/p）

圖14. 多功能大屏幕LCD顯示（相關(guān)顯示與指示）

 

表3. 各類報警提示

序號 報警項(xiàng) 指示圖標(biāo) LCD顯示報警位置

1 電池能量不足報警

2 測量停止報警，12d表示已經(jīng)停止測量12天。

3 空管（無水）報警，保持空管前的積算值，瞬時流量顯示“----”

4 信號輸入異常報警，保持信號輸入異常前的積算值、瞬時流量值。

5 反向流量指示，瞬時流量值前加符號“-”。

6.5 不確定度與流量特性

電磁式水表的不確定度按OIML R49 Class II規(guī)定如圖15所示，在Q2≤Q≤Q4高區(qū)為±2.0%；在Q1≤Q＜Q2低區(qū)為±5.0%。電磁式水表的流量特性如表4所示。

圖15. 電磁式水表的不確定度按OIML R49 Class II規(guī)定

表4  電磁式水表的流量特性表

公稱通徑 DN mm 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300

Inch 1.5? 2? 2.5? 3? 4? 5? 6? 8? 10? 12?

計(jì)量范圍 R Q3/Q1 250 400 400 400 400 400 400 200 200 200

始測流量 Q0 m3/h 0.05 0.08 0.126 0.2 0.32 0.5 0.8 1.26 2 2

最小流量 Q1 0.1 0.10 0.158 0.250 0.400 0.625 1.000 3.15 5 5

分界流量 Q2 0.16 0.16 0.252 0.4 0.64 1 1.6 5.04 8 8

常用流量 Q3 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 1000

最大流量 Q4 31.25 50 78.75 125 200 312.5 500 787.5 1250 1250

 

6.6 應(yīng)用

1）區(qū)域供水計(jì)量，優(yōu)化供水系統(tǒng)，如圖16所示。

2）無線監(jiān)控與計(jì)量管理，大范圍管控計(jì)量數(shù)據(jù)，如圖17所示。

圖16. 區(qū)域供水計(jì)量

圖17. 無線監(jiān)控與計(jì)量管理

 

3）替代機(jī)械式水表，計(jì)量精確度長期穩(wěn)定，如圖18 - 21所示。

圖18. 機(jī)械式水表長期使用后計(jì)量精確度降低

圖19. 電磁水表長期使用計(jì)量精確度幾乎不變

（精確度穩(wěn)定） （減少計(jì)量收費(fèi)損失）

圖20. 兩種水表的長期穩(wěn)定性比較

圖21. 兩種水表的長期使用效益比較

 

 

 

4）寬流量范圍，小流量計(jì)量收效明顯，如圖22 - 23所示。

 

圖22. 寬流量范圍

 

 

 

圖23. 小流量計(jì)量收效明顯

 

 

 

5）減少水頭損失，降低輸水能耗費(fèi)用，如圖24 - 25所示。

 

圖24. 減少水頭損失

 

 

圖25. 降低輸水能耗費(fèi)用

 

6.7 供參考的SU產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)圖表（DN65，示值誤差及其正態(tài)分布）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

參考文獻(xiàn)：

【1】山本 弘等. 電磁式積算體積計(jì)に関する技術(shù)報告，日本：愛知時計(jì)電機(jī)株式會社論文集，2005,273-280

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作者簡介：

馬中元：浦瑞斯儀表(上海)有限公司技術(shù)顧問、高級工程師；國內(nèi)電磁流量計(jì)專家、[電磁流量計(jì)]作者之一、陶瓷電磁導(dǎo)管專利發(fā)明者；聯(lián)系電話：021-64831209、E-mail：mazhongyuankf@aliyun.com、通信地址：中國，上海，閔行區(qū)顓興東路1528號、郵政編碼：201108