电磁水表及其水流量传感器

概述

目前，可用作电子水表使用的水流量传感器主要有超声流量传感器、电磁流量传感器、射流流量传感器以及涡轮和涡街流量传感器等几种。电磁水流量传感器由于具有优越的流量测量特性和长期工作稳定性，因此常被用作高准确度水流量计量与测控仪表中的传感器。

电磁水表是新型电子水表系列产品中的重要成员，而电磁水流量传感器则是电磁水表中最为关键的核心部件。随着全球谈水资源的日趋紧缺，作为节约用水和科学用水管理以及用水贸易结算的必备计量器具，它的性能和作用正在受到人们的关注和期待。

电磁流量传感器非常适合封闭满管道中饮用冷、热水和非饮用水的计量（测量）之用。其主要特点有：

1）仅能用于导电液体的流量测量，被测液体电导率在一定范围内变化不影响测量结果；

2）测量结果与被测液体的密度、粘度、温度、压力等物性参数无关；

3）传感器测量管内无机械运动和阻流部件，压力损失小，测量可靠；

4）流量测量范围大，小流量测量延伸空间大；

5）传感器具有良好的线性度，因而测量准确度比较高；

6）采用权重函数线性化技术后，电磁水表上、下游的直管段可以选得非常短；

7）传感器测量速度较快，动态特性较好；

8）但易受外界电磁干扰和被测液体极化电势干扰等影响。

电磁流量传感器主要由测量管和励磁线圈等组成，其中测量管是由电极、衬里、导管、法兰等构成。

电磁水流量传感器

工作原理

根据法拉第电磁感应定律，当导电液体介质（如饮用水）流过非导磁体测量管切割由励磁磁场产生的磁力线时，导电液体介质就会产生感应电动势，通过放置在与磁力线和测量管均相互垂直的一对电极可将感应电动势E引出。由于感应电动势E与励磁磁场的磁感应强度B、介质的平均流速v 成正比，因此可从感应电动势的强弱来测定被测介质的平均流速。由于


式中 E—感应电动势，V;

　　 k—调整系数；

　 　D—测量管内径，m;

　 　B—磁感应强度，T;

　 　v —测量管内导电液体介质平均流速，m/s。而电磁水流量传感器输出的体积流量qv则为


测量条件

从被测管道内流体实际流动状态和磁场分布情况来考虑，并根据对电磁流量传感器的理论分析，可得到其基本微分方程
　　　　
　
这是一个二阶线性偏微分方程，必须加入适当的边界条件和初始条件才能得到确定的解，这些条件正是电磁流量传感器充分和必要的设计、制造与工作条件：

1）励磁磁场的磁力线方向与两电极轴线、测量管中心轴线（即流体流动方向）三者应相互垂直；

2）导电液体的电气性质（电导率）应为均质；

3）被测液体为不可压缩流体；

4）测量管沿轴线方向的无限长范围内励磁磁场应为均匀分布；

5）测量管内壁应为绝缘材料组成，管壁处流速应为零；

6）被测流速应以测量管中心轴线对称分布，并且是矢径r的函数。

电磁水表构成与性能指标

电磁水表是在电磁水流量传感器基础上增加信号处理电路、嵌入式微计算机系统及数据通信接口等部件组成。

根据GB/T 778-2007《封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水水表和热水水表》国家标准的规定，电磁电子水表的性能指标主要包括：1）流量测量范围；2）常用流量；3）最大允许误差；4）最大允许工作压力；5）水表防护等级；6）被测介质温度范围；7）电池使用寿命；8）数据通信功能等。

除了上述性能指标外，对电子水表尚需进行较为严格的各项环境试验，主要有：电磁环境试验（如：静电放电、电磁敏感性、静磁场、电源电压变化、短时功率降低、浪涌抗扰度、电脉冲群等）和气候环境试验（如：高温、低温、交变湿热等），对于移动式电子水表还需进行机械环境试验（如：随机振动、机械冲击等）。

水表产品国际标准ISO 4064:2014对水表产品性能指标和使用特性等做了新的补充要求，增加了测量重复性要求和电池使用寿命等要求。我国水表标准GB/T 778等同采用该标准，预计在年内也将发布修订稿。

现以WATERFLUX3070型号为例，电磁电子水表目前所能达到的主要性能指标为：1）测量口径范围：DN25～600；2）测量准确度：测量值的±0.2%＋0.5mm/s；3）优良的小流量测量特性，并可进行双向流测量；4）水表前后无需测量用直管段、过滤网、整流器等附加设施；5）微功耗设计，内置电池使用寿命最长可达15年；6）水表的传感器部分可埋地工作，安装时无需建造测量井；水表防护等级最高可达IP68；7）两路脉冲信号输出，可选用GPRS/GSM远传通信方式；8）内置参比（接地）电极，无需专用接地环；9）用于水费结算时，其计量特性符合GB/T 778－2007标准的要求；10）内置供电电池：1～2节锂电池（可外加扩展电池包）。

电磁水表的权重函数

在对式（4）解析过程中，引入一个与点坐标位置和电极大小有关的、被称为权重函数的概念。对于二维坐标，可得到如下电磁水流量传感器两测量电极之间电位差的表达式


式中 W(r,θ )—权重函数；

v(r,θ ) —被测水介质的速度函数；

B(r,θ )—磁感应强度函数。

其中以直角坐标表达的二维权重函数W为


式中R—测量管半径。

图1 二维权重函数分布图

权重函数的物理意义是：相同流速的流体微元在均匀磁场中运动，虽然产生相同大小的感应电动势，都对电极上的电位差有所贡献，但贡献的大小却是不同的。权重函数是用来表示各流体微元对电极间电位的贡献程度，它是所在位置的函数。图1是按式（6）绘制的二维权重函数分布图，从图中可知，电极附近的感应电动势对电极间的流量信号贡献比较大。

权重函数是一个与测量段尺寸、几何形状（包括电极）有关的空间函数,它与流速场的分布和励磁场的分布状态无关，它所反映的是测量段电场的电位分布。

图2 电磁水表工作原理框图

图2是电磁流量传感器沿z轴和y轴方向的权重函数分布示意图。图中表明，Wy随着离开电极所在截面距离的增大（即沿着z轴方向移动）而迅速衰减，当距离大于0.25D时，Wy值实际已接近为零。这表明在离电极平面较远处的管内空间，流体产生的感应电动势对电极信号输出的贡献已微不足道，因而可大大缩短传感器励磁磁场在z轴方向的长度。

上述权重函数具有非线性特性，当被测流体处于非对称分布式，将会引进很大的附加测量误差。目前国内外已在开展权重函数的线性化研究与工程应用的工作。

低功耗励磁

作为电子水表，从安全和实际使用条件考虑是不能使用电网供电的，因此必须使用电池供电。电池供电的电磁水表应做到低功耗工作，这样才能保证电池使用寿命，满足标准和实际工作的要求。

传统降低供电功耗的做法主要是拉长数据采样周期，让电磁水表平时工作在近似“休眠”状况，只有需要采样时才进行供电励磁和信号采集。这样做可以降低水表的工作电耗，但付出的代价是水表测量的实时性和动态特性却大大降低了。

近年来，通过改变励磁材料和励磁方法的技术创新，在持续时间极短的尖脉冲励磁作用下，采用剩磁特性很好的励磁新材料来提高励磁效率，降低励磁功耗。这种做法在不影响电磁水表测量实时性的前提下，可显著降低水表电池消耗，延长电池使用寿命。

小结

我国是淡水起源严重缺失的国家之一，加强对淡水资源的计量与测控，开展节约用水和科学用水管理是唯一正确的解决之道。如何不断提升水计量器具的测量准确度、降低水表产品压力损失的指标、减少供水管网电力消耗、实现自动抄表及测控自动化，都是水表制造企业所必需面对及努力予以解决的。电磁流量传感器和电磁电子水表等新一代流量传感技术和电子水表的出现必将为上述问题的圆满解决提供强有力的技术保障和支持。

水表产品的应用领域目前已从以饮用水计量为主逐步向饮用冷热水、供热热水、灌溉用水、中水与污水、工业用水等领域发展；代表水计量技术最核心部分的传感技术也从传统的叶轮速度式和活塞容积式传感技术向电磁、超声、射流、涡街等新型流量传感与信号处理技术等方面发展。水计量技术与测控自动化的逐步推进与成熟，水表产品的门类和品种也日趋广泛性和多样性，水表产业已成为涵盖机械、电子、计算机、通信、传感与信号处理、流体力学及材料等多学科的综合性产业，产品也从单一终端产品向网络化和系统集成化发展。

水表产品应用领域的扩展以及技术的进步与创新，必将会给水资源的有效测控和管理提供十分有效的方法和手段。