电磁式水表技术报告与选型简介

电磁式水表技术报告与选型简介

马中元，张 志，马 博 （浦瑞斯仪表(上海)有限公司，上海，中国，201108）

山本 弘，铃木 勉     （大连爱知时计科技有限公司，辽宁，中国，116600）

 

摘要：电磁式水表是水表产品技术发展的重要品种之一。作为实现低功耗技术的电磁式水表，为此设计开发了专利技术的残留磁性励磁方式的技术、微弱信号的噪声处理转换电路技术、以及用以提高流速并降低磁阻的计量腔结构。本文还介绍了为了验证电磁式水表低功耗长期运行而进行的各种适用性试验，也介绍了对电磁式水表的选用要点。

关键词：水表、电磁式水表、低功耗、残留磁性励磁、低噪声信号转换、宽计量范围

 

1. 前言

1.1 机械式水表

机械式水表（包括机械式电子水表），因为在构造上有旋转体（可动部件），所以存在以下缺点：

1）大流量时性能差、压损高。

2）旋转部分的磨损以及灰尘和水垢等附着后，引起在微小流量时计量性能较差。

3）因为存在最大流量、微小流量的限制，计量范围狭窄。

4）易发生冻结（低温时）、混入沙土、异物等而损坏。

5）新的水表标准使得Q4过载流量有新的要求内涵，这实际上使常用流量Q3的值显著提高。对用户来说，允许长期使用的流量大了；对制造商来说，意味着水表型式试验时，耐久性试验中的流量增大了，相当于要求机械式水表设计的耐磨性提高2-3倍。

6）新的水表标准使得R（=Q3/Q1）值可以逐级向更高值扩展，但机械式水表实现和推进此项技术进步的难度较大。

1.2 电磁式水表

电磁式水表由常规电磁流量计发展而来，测量原理与电磁流量计相同，采用法拉第电磁感应定律，测量封闭管道内的导电流体的流量。由于励磁的耗能和噪声对微弱信号测量的影响，电磁式水表的技术进步比较缓慢，只有为数不多的制造商能够生产符合水表标准要求的电磁式水表产品。

与机械式水表相比较，电磁式水表具有如下特点：

1）线性的传感器信号，计量精度高，始动流量小（理论上可以达到1mm/s流速的分辨率）。

2）测量管内无可动部件，耐磨损以及耐灰尘和水垢等附着，耐久性好。

3）宽测量范围，适用于大流量至微小流量的精确稳定测量。

4）零维护、低压力损失，节省输水电能，降低供水动力成本。

5）安装方式方便、自由，低维护成本、计量性能长期稳定。

6）过载流量对应的过载流速可以达到10-15m/s。

当前，主要制造商产品参数如表1所示。

表1. 电磁式水表主要制造商产品参数

制造商 Aichi tokei

Elster ABB Siemens Krohne E+H Seametrics

型号 SU、SY

Q4000 Aqua Master MAG 8000 WATERFLUX 3070 Promag 800 AG2000

规格 DN40-DN300 DN15-DN600 DN50-DN300 DN25-DN600 DN25-DN300 DN25-DN300

计量范围（R=） 200 63 160 160 OIML R49     认证 50

400 160 250 250 75

1000 250 400 400 90

电池续航时间（年） 10 5 6（10） 4（8） 3（5）（15） 2.5（5）

励磁方式 残留磁性励磁 传统励磁 传统励磁 传统励磁 传统励磁 传统励磁

励磁间歇时间（s） 连续 15 15（30） 5（15） 3,5,15 15（30）

推向市场时间（年） 1990 1998 2006 2006 2006 2007

 

 

图1. 工作原理

 2. 电磁式水表测量原理

根据弗莱明右手法则，导电物体通过磁场切割磁力线时，会产生感应电动势。感应电动势与切割磁力线的物体运动速度成比例关系。如图1所示，利用这一原理，具有导电性的水流通过电磁水表时，水流切割水表内磁场产生感应电动势，通过测量电动势，仪表智能运算单元可以计算出瞬时流量、累计流量。

感应电动势 (UE)  = 磁场 (B) × 流速 (V) × 电极间距 (D)

 

3. 重要技术的开发

电磁式水表开发的重要课题是在于如何减少仪表功耗，使得内置电池能够工作10年以上。传统励磁方式如图2所示，励磁线圈上通过电流的过程中，产生了磁场。磁场的保持需要励磁电流持续地提供给励磁线圈，所以常规电磁流量计的大部分功耗被励磁线圈所消耗。常规电磁流量计的励磁功耗为1~30W，典型值为5W。电磁式水表的内置电池要工作10年，那么须保证励磁功耗在1mW以下，一般来说，功耗1mW仅有典型常规电磁流量计励磁功耗的五千分之一左右。因此，为了实现电磁式水表而开发了前述的三项创新技术。

3.1 根据低耗电进行微小信号的转换电路

通常，传统电磁流量计的标称单位流速信号约1mV（当1m/s流速时传感器器产生的感应电动势幅度）。采用内置电池供的电磁式水表电时，即使把标称单位流速信号降低到10µV左右，也就是传统的电磁流量计信号的1/100，这时相应的磁场强度，亦即励磁所需的功耗也为传统电磁流量计的1/100。如图2.a所示，传统励磁方式的连续消耗着励磁电流。为了准确地在低噪音并且低功耗下，放大如此微小的电压信号，开发出了在宽流量范围内，放大包含流量信号在内的噪声波形正态分布信号的转换电路。

3.2 残留磁性励磁方式

为了得到高效率（低功耗）的磁场产生回路，开发出了利用半硬质磁性材料的残留磁性励磁方式。残留磁性励磁方式如图2.b所示，当脉冲电流励磁时，由于电感的作用，电流波形呈尖峰状，电流通过线圈后由半硬质磁性材料做成的磁芯就被充磁，形成所需要的工作磁场（磁通密度B），工作磁场并不因脉冲电流的撤销而撤销，直到接下来脉冲电流反向励磁前，始终稳定保持同一方向的磁场。如果将励磁脉冲电流产生的时间设计成励磁周期的1/100的话，虽然产生同样磁场强度，但与传统励磁方式相比，残留磁性励磁方式能量消耗仅为传统励磁方式的1/50。那么，在图2.b所示的残留磁性励磁方式下励磁功耗仅为常规电磁流量计的1/5000。

a. 传统励磁方式

b. 剩磁励磁方式

图2. 励磁方式

3.3 残留磁性励磁与传统励磁方式比较

残留磁性励磁方式的电池节能是依靠微弱的电能和材料的磁能进行能量转换获得，而不是持续消耗电池电流。采样与残留磁性励磁同频率方波磁场所感应的流量信号，既能保持连续流量测量的高分辨率和高精度，也能达到良好的节能效果，是电磁水表最理想的励磁方法。而采用传统励磁方式时，为了减小电池的消耗通常采用长时间休眠，减少流量信号的采样次数，多数公司使用15s测量一次。这样当现场实际流量频繁变化时，可能检测不到这期间流量变化量而造成测量误差。

电磁式水表采用不同励磁方式的采样时间比较如图3所示，图示给出了残留磁性励磁方式和长期休眠的传统励磁方式测量过程的采样分辨率和平均流量。很明显，采用残留磁性励磁方式的电磁式水表能够分辨15s内流量的变化，长休眠（1/15Hz）传统励磁方式电磁水表对15s以内的流量变化分辨不出来，因此，将产生测量误差。

图3. 电磁式水表采用不同励磁方式的采样时间比较

3.3提高流速，减少磁阻的构造

  流量测量传感器设计在圆筒状的测量管内，形状类似于玉米形状的流线型同心锥体，液体在管道和锥体所包围的环状空间内流动。锥体内由于是半硬质磁性材料制成的铁芯、线圈、内磁轭以及铁芯所产生的磁束形成的磁场。根据这种构造，内磁轭与测量管之间的距离短，且相对面积变大，降低了磁阻。在提高残留磁力的同时，因锥体流道（环状空间）被缩小的部分提高了流速，信号电压变大。

3.4 整体构成

    锥形流量测量传感器（SY型产品）实物如图4.a所示，主要构成如图4.b所示。由于电极在宽的流量范围内所检测出的信号电压较高，因此在转换电路，能够将可变增益电流放大器、A/D转换器以及其它控制电路结合实现1：1000放大范围，并能够实现正反相同特性的测量。

图4.a 实物

图4.b主要构成

图4. 锥形流量测量传感器

 

4．基本性能测试

各口径的参数如表2所示，流量范围为常用流量的1/1000，常用流量至它的1/500分界流量的精度为±2%，由分界流量至最小流量精度为±4%。压力损失在常用流量下约为59kPa，在最大流量下约为98kPa。工作压力为0.74MPa，实验压力为1.72MPa。对安装位置没有制限，作为配管条件，上游直管段3-5D。

表2. 各口径的参数

口   径 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 始动流量  m³/h 0.02 0.03 0.05 0.12

工作压力  MPa 0.74

试验压力  MPa 1.72

重量      kg 12.5 7.6 23.1 40.2

精度 在Q2≤Q≤Q4高区为±2.0%；在Q1≤Q＜Q2低区为±5.0%。

流体允许温度  ℃ -40

环境温度  ℃ 10～50

电池工作期限             10年

累计表示  m³ 99999.999 999999.99

瞬间流量表示  m³/h 999.9 999

输出信号 数字输出信号，单位脉冲输出信号

防水性 IP68

安装条件 无安装方位的限制，上流直管段3-5D。

 

5. 电磁式水表的性能试验结果

此次我们所开发的电磁式水表的口径为50、75、100、150四种。以下为口径50mm电磁式水表进行的各种实验结果。

5.1 仪表基本误差

口径50mm电磁式水表的基本误差性能试验如图5所示。试验是在0.016～70 m³/h的1:4400的流量范围下所做的仪表误差曲线，并给出了超低下限流量、超过载流量的误差、压力损失、正向流量和反向流量特性。

在基本误差性能试验后，进行了超大流量以及常用流量的耐久性能测试，超大流量的平均流量为67.4 m³/h，累计量为1200 m³；常用流量的平均流量约为50 m³/h，连续测试71天，累计量为84200 m³。经超大流量以及常用流量的耐久性能测试后的基本误差性能试验如图6所示，结果是在超大流量以及常用流量的耐久性能测试后，仪表基本误差性能均无变化。

 

图5. 基本误差性能试验

 

图6. 经超大流量以及常用流量的耐久性能测试后的基本误差性能试验

5.2 流体湍流的影响

1）上游安装蝶阀的影响。上游安装蝶阀角度为0度时的影响如图7所示，上游安装蝶阀角度为90度时的影响如图8所示。阀门开度选择20%、50%、100%三个位置，电磁式水表的上游直管段选择对2D、4D、8D的三个情况做试验。

图-7蝶阀的影响（角度为0度）

图-8 蝶阀的影响（角度为90度）

2）上游安装泄水阀的影响。采用与蝶阀同样的试验方法，用泄水阀进行的试验结果是呈现出了误差平移的变化（仪表误差的曲线上下移动）。上游安装泄水阀角度为0度时的影响数值在±0.7%以下，上游安装泄水阀角度为90度时的影响数值在±0.1%以下，合乎规格精度的范围内要求。

5.3 流体温度的影响

    水温选定为10℃、30℃、50℃三个温度点，流体温度的影响（基本误差性能试验）如图9所示。根据每个温度下的误差曲线，可以看到温度的变化对影响在精确度等级范围内。对于仪表基本误差随温度变化所产生的误差平移现象，我们认为源于磁芯材料的温度特性，而导致的磁通密度变化。小流量时误差平移较大及偏向正反向，我们认为是由于磁通密度的变化使得仪表零点发生了变化。

图9 流体温度的影响

5.4 试验总结

   我们对电磁式水表试验时，也同时进行了与机械式水表的对比试验。电磁式水表试验总结如下：

1）在R1000时，正反向流量的基本误差均在规定的精确度等级内。

2）证明了在超过载流量、超低下限流量也可以测量。

3）试验证明在超大流量试验，连续常用流量试验前后基本误差均在规定的精确度等级内。

4）实际验证了仪表良好的耐久性。

5）除20%以下的蝶阀开度影响外，其他情况不受影响。

6）在试验的温度点下，基本误差均在规定的精确度等级内。

 

6. 电磁式水表的选用

6.1 概述

SU型产品是采用世界首创低功耗电磁计量技术开发、研制与生产的一款内置电池驱动的电磁式水表（以下简称水表），本产品是一款特别适用于工业与民用水计量的水表，产品外形如图10所示。

a. 法兰式 SU40-KF ～ SU300-KF

b. 夹装式 SU50-KW ～ SU200-KW

c. 螺纹式 SU40-KS

图10. 电磁式水表产品外形

6.2 产品特点

1）精确测量，流量计具有0.3秒的连续采样率，可以确信准确可靠的测量。

2）流量计有40mm至300mm多种口径选择，过程连接有螺纹、夹装和法兰供选择（见图10）。

3）宽测量范围（R200或R400）、低始动流量，适用于大流量至微小流量的精确稳定测量。

4）采用世界上首创的低功耗电磁计量专利技术，仅内置1节锂电池可保证10年连续工作。

5）内置的IrDA接口，可实现无线无源流量传感器方案到任何物联网（IoT）云平台（见图11）。

6）大屏幕LCD实时数据，便于抄表读数（见图12）。

7）无源脉冲输出，可实现贸易交接管控。

8）安装方式自由，可水平、垂直、倾斜等任意安装方式。

9）零维护，无可动部件及10年的稳定运行，寿命期内不需更换电池及定期检定。

10）低压力损失（见图13），节省电能，降低供水动力成本。

11）持久耐用，IP68防水规格、不锈钢材质，保证长期可靠运行（水深1米以内）。

12）可承受2.0 MPa的极限压力，在此压力下无渗漏损坏现象。

13）OIML R49认证，体积小、重量轻，方便搬运安装，减少运营成本。

图11. 无线远传 图

12. 大屏幕液晶显示

图13. 低压力损失

6.3 主要性能参数

1）公称通径：DN40 --- DN300

2）工作压力：0 --- 1.0 MPa（可承受2.0 MPa的极限压力）

3）压力损失：R200时，Q3流量点的压力损失<0.03 MPa；

R400时，Q3流量点的压力损失<0.01 MPa；

3）流体温度：0.1 --- 30 ℃

4）环境温度：-10 --- +55 ℃

5）准确度等级：2.0级（Q2≤Q≤Q4，高区）；5.0级（Q1≤Q＜Q2，低区）。

6）量程比（计量范围）：200:1（R200）或400:1（R400）。（备注3：R=Q3/Q1之比）

7）测量范围（灵敏度）： 600:1（备注：Q4/Q0之比）

8）供电电源：锂电池（电子单元内置），连续工作10年间无需更换电池。

6.4 主要功能

1）现场显示：多功能大屏幕LCD显示，LCD的相关显示与指示如图14所示。

流量显示：总量最大999999.999 m3，瞬时流量0.1 --- 9999 m3/h。

报警提示：空管（无水）、反向流量、电池能量不足、测量停止、信号输入异常（各类报警提示见表5.1）。

13）脉冲输出：100L/p、1m3/p（特殊订货：10m3/p）

图14. 多功能大屏幕LCD显示（相关显示与指示）

 

表3. 各类报警提示

序号 报警项 指示图标 LCD显示报警位置

1 电池能量不足报警

2 测量停止报警，12d表示已经停止测量12天。

3 空管（无水）报警，保持空管前的积算值，瞬时流量显示“----”

4 信号输入异常报警，保持信号输入异常前的积算值、瞬时流量值。

5 反向流量指示，瞬时流量值前加符号“-”。

6.5 不确定度与流量特性

电磁式水表的不确定度按OIML R49 Class II规定如图15所示，在Q2≤Q≤Q4高区为±2.0%；在Q1≤Q＜Q2低区为±5.0%。电磁式水表的流量特性如表4所示。

图15. 电磁式水表的不确定度按OIML R49 Class II规定

表4  电磁式水表的流量特性表

公称通径 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˝

计量范围 R Q3/Q1 250 400 400 400 400 400 400 200 200 200

始测流量 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 应用

1）区域供水计量，优化供水系统，如图16所示。

2）无线监控与计量管理，大范围管控计量数据，如图17所示。

图16. 区域供水计量

图17. 无线监控与计量管理

 

3）替代机械式水表，计量精确度长期稳定，如图18 - 21所示。

图18. 机械式水表长期使用后计量精确度降低

图19. 电磁水表长期使用计量精确度几乎不变

（精确度稳定） （减少计量收费损失）

图20. 两种水表的长期稳定性比较

图21. 两种水表的长期使用效益比较

 

 

 

4）宽流量范围，小流量计量收效明显，如图22 - 23所示。

 

图22. 宽流量范围

 

 

 

图23. 小流量计量收效明显

 

 

 

5）减少水头损失，降低输水能耗费用，如图24 - 25所示。

 

图24. 减少水头损失

 

 

图25. 降低输水能耗费用

 

6.7 供参考的SU产品测试数据图表（DN65，示值误差及其正态分布）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献：

【1】山本 弘等. 電磁式積算体積計に関する技術報告，日本：爱知时计电机株式会社论文集，2005,273-280

【2】蔡武昌，马中元，瞿国芳等. 电磁流量计[M]. 北京：中国石化出版社，2004，36-53

【3】马中元，马  博，金开友等. 测量管粗糙度对电磁流量计高雷诺数测量影响的研究[A]. 2010全国流量测量学术交流会论文集[C]，上海：中国计量测试学会流量计量专业委员会，2010，158-164

 

作者简介：

马中元：浦瑞斯仪表(上海)有限公司技术顾问、高级工程师；国内电磁流量计专家、[电磁流量计]作者之一、陶瓷电磁导管专利发明者；联系电话：021-64831209、E-mail：mazhongyuankf@aliyun.com、通信地址：中国，上海，闵行区颛兴东路1528号、邮政编码：201108