用于水資源監(jiān)測能力建設(shè)項(xiàng)目的流量傳感器介紹與分析

常　亮

(四川省水文水資源勘測局，四川 成都　610036)

用于水資源監(jiān)測能力建設(shè)項(xiàng)目的流量傳感器介紹與分析

常亮

(四川省水文水資源勘測局，四川 成都610036)

摘要：為落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度，目前全國各地均在進(jìn)行針對企業(yè)及生活用水戶水資源取用水量在線監(jiān)測的信息化建設(shè)。對兩種用于水資源取用水量在線監(jiān)測的水量傳感器從工作原理、性能特點(diǎn)、安裝方式等幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述與比對，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)及適用性。

關(guān)鍵詞：水資源；取水量；傳感器；分析

2011年，中共中央《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》明確提出了實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，要求“加強(qiáng)水量水質(zhì)監(jiān)測能力建設(shè)，為強(qiáng)化監(jiān)督考核提供技術(shù)支持”。全國各地均在積極推動(dòng)水資源監(jiān)測能力建設(shè)項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)水資源取水量監(jiān)測的自動(dòng)化、信息化。

流量傳感器是實(shí)現(xiàn)水量在線監(jiān)測的重要設(shè)備。目前用于水資源監(jiān)測能力建設(shè)項(xiàng)目中的流量傳感器主要有電磁式和超聲式兩種。筆者就這兩種傳感器進(jìn)行了對比分析。

1電磁式流量傳感器

1.1工作原理

電磁流量傳感器按其結(jié)構(gòu)和安裝形式又分為管段式和插入式。兩種形式的電磁流量傳感器均根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計(jì)。

管段式電磁流量傳感器外形為一段測量管道，管道圓周內(nèi)安裝有電磁線圈，測量管軸線和磁場磁力線相互垂直的管壁上安裝有一對檢測電極，當(dāng)導(dǎo)電液體在測量管交變磁場中與磁力線成垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體切割磁力線感應(yīng)出一個(gè)與平均流速成正比的電壓，此感應(yīng)電壓由測量管上的兩個(gè)檢測電極檢出其感應(yīng)電壓U為：

U=D·B·V·K

式中D為測量管的內(nèi)徑 ；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；V為測量管截面內(nèi)的平均流速；K為儀表常數(shù)。

插入式電磁流量傳感器外形為針式圓柱體，圓柱體內(nèi)含兩個(gè)電磁線圈。測量時(shí)，測量管道內(nèi)的導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉第試驗(yàn)中的導(dǎo)電金屬桿，上下兩端的兩個(gè)電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場。當(dāng)有導(dǎo)電介質(zhì)流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓,其由管道內(nèi)部的兩個(gè)電極檢出，為：

U=K·B·L·V

式中L為導(dǎo)體長度。對插入式電磁流量傳感器來說，管路中導(dǎo)電的液體就是在磁場中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，兩電極間的距離就是導(dǎo)體的長度L。

1.2性能及特點(diǎn)

(1)兩種形式均采用整體焊接結(jié)構(gòu)，密封性能良好，結(jié)構(gòu)簡單可靠；其安裝對輸水管道幾乎無壓力損失，工作壽命長；測量精度可達(dá)1級，且測量精度均不受被測介質(zhì)的壓力、溫度、密度(包括固液比)、粘度等物理參數(shù)變化的影響；數(shù)據(jù)輸出形式為4-20mA或RS-485。

(2)管段式傳感器無截流部件，從而不會(huì)對流體流動(dòng)產(chǎn)生堵塞。

(3)插入式傳感器能夠在不斷流的情況下進(jìn)行安裝與拆卸。

1.3安裝條件

兩種形式的電磁流量傳感器均需安裝在便于維修、管道無振動(dòng)、無強(qiáng)電磁干擾和熱輻射影響的場所。由于電磁流量傳感器對管道內(nèi)流速分布畸變及旋轉(zhuǎn)流敏感，因此，進(jìn)入傳感器的流體應(yīng)為充分發(fā)展的管流，因此要根據(jù)傳感器上游側(cè)阻流件類型配備必要的直管段或流動(dòng)調(diào)整器，若上游側(cè)阻流件情況不明確，一般推薦前置直管段為5D(D為管道的直徑)，后置直管段為3D；若安裝空間不能滿足上述要求，可在阻流件與傳感器之間安裝流動(dòng)調(diào)整器。

2時(shí)差法超聲波流量傳感器

2.1工作原理

超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)會(huì)加載流體流速的信息，因此，通過接收到的超聲波就可以檢測出流體并換算成流量。該傳感器一般有兩個(gè)聲電換能器并分別安裝于一段輸水直管的上下游，由上下游換能器分別發(fā)、收超聲波。由于超聲波傳播時(shí)與水流速度的矢量疊加，故超聲波下行與上行所花費(fèi)的時(shí)間不同且得到的時(shí)差數(shù)值與水流速度成正比，因此，根據(jù)時(shí)差可以計(jì)算出管道內(nèi)的水流速度。采用時(shí)差法測量流體流量的原理見圖1。

圖1　時(shí)差法測量流體流量原理圖

換能器A、B成對安裝在管道的兩側(cè)，交替發(fā)射和接受超聲波信號。若傳感器B沿順流方向發(fā)射超聲波，將超聲信號由B順流傳播到A所需的時(shí)間設(shè)為t1；再從傳感器A沿逆流方向發(fā)射超聲波，將超聲波傳播到B所需的時(shí)間設(shè)為t2，則有：

t1=lp/(c+vp),t2=lp(c-vp),vp=v·cosθ

式中l(wèi)p為聲波傳播路徑長度；c為聲波在靜止液體中的傳播速度；v為液體沿管道軸向的速度；vp為流體在聲道方向的速度分量；θ為聲波傳播方向與管道軸線之間的夾角。

由上述公式可知：只要測得t1與t2，即可計(jì)算出液體沿管道軸向的速度v，以及流體的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。

2.2性能及特點(diǎn)

(1)時(shí)差法超聲波流量傳感器按其安裝方式可分為外夾式和插入式兩種。兩種安裝形式均能夠在不斷流的情況下進(jìn)行安裝與拆卸。

(2)測量精度可達(dá)1級。測量精度不受被測介質(zhì)壓力、溫度、密度(包括固液比)、粘度等物理參數(shù)變化的影響。

(3)數(shù)據(jù)輸出形式為4-20 mA或RS-485。

2.3安裝條件

兩種安裝形式的傳感器均可不停水安裝，被安裝的管道內(nèi)必須完全充滿介質(zhì)。為保障測量精度，必須在確定安裝管道材質(zhì)、壁厚等表體參數(shù)并精確確定換能器安裝距離后，方能進(jìn)行換能器的安裝。同時(shí)，為保障不受介質(zhì)擾動(dòng)產(chǎn)生的亂流和氣泡影響，安裝前，必須確定管道是否滿足直管段前10D、后5D的安裝距離。

3結(jié)語

(1)以上兩類、四種形式的傳感器均能夠測量有懸浮物、固體顆粒和纖維等兩相流，可適用于水資源取水量的在線監(jiān)測。

(2)鑒于管段式電磁流量傳感器的測量是以整個(gè)管道斷面流速為依據(jù)，因此，其具有的優(yōu)點(diǎn)在于流量測驗(yàn)精度較高，但其造價(jià)較高且價(jià)格隨管道直徑增大而增加。同時(shí)，管段式傳感器是作為輸水管路的一部分加入到輸水系統(tǒng)中的，從而造成其安裝時(shí)必須停水操作，給實(shí)際應(yīng)用帶來了不便。

(3)插入式電磁流量傳感器具有安裝方便、對安裝工作面要求極低(僅需極小的傳感器安裝面)、可以帶(水)壓安裝等特點(diǎn)，可應(yīng)用于已建輸水系統(tǒng)、不便停水安裝的情況，其造價(jià)較管段式電磁流量傳感器低。但由于插入式傳感器是以檢測斷面的局部流速為依據(jù)的，用其來推求全斷面流速時(shí)，其局部流速與斷面流速的相關(guān)程度直接影響到該類傳感器測驗(yàn)的準(zhǔn)確性，因此，其測驗(yàn)精度受安裝及參數(shù)調(diào)試的影響較大。安裝插入式傳感器時(shí)，對其前后管道的直管長度、插入深度和運(yùn)行前的率定要求均較高，從而給其的廣泛應(yīng)用帶來不利影響。

(4)外夾式超聲波流量傳感器無需對輸水管道進(jìn)行機(jī)械加工，可利用其管壁透聲的特點(diǎn)，將換能器外夾于輸水管壁即可實(shí)現(xiàn)流速測驗(yàn)。但由于該類傳感器必須用于透聲管道且管壁對超聲波存在嚴(yán)重衰減，以及超聲波在管道內(nèi)傳輸時(shí)需要有較光滑的水管內(nèi)壁，因此，外夾式傳感器一般應(yīng)用

于管道聲學(xué)條件較好、管徑較小且所處環(huán)境電磁干擾較小的輸水管道。

(5)插入式超聲流量傳感器很好地解決了外夾式傳感器存在的固有缺陷，該傳感器需要在監(jiān)測管道的適當(dāng)部位鉆孔，將兩個(gè)換能器插入與水直接形成聲耦合，從而大大提高了超聲波的傳輸效率，適用于大管徑和管壁透聲性不良的輸水管道。由于其采用了特殊的安裝工藝，因此亦可以實(shí)現(xiàn)不斷水和帶(水)壓操作。當(dāng)管道直徑很大時(shí)，可以采用在同一管道上安裝多對超聲波傳感器的安裝方式以實(shí)現(xiàn)同時(shí)多路測流，可提高測驗(yàn)的精準(zhǔn)度。

因此，在具體實(shí)施過程中，應(yīng)根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的具體情況，選擇適宜的流量傳感器，以發(fā)揮其最大效能。

常亮(1982-)，男，青海西寧人，工程師，學(xué)士，從事水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2014-12-11

文章編號:1001-2184(2015)03-0090-02

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:TK71+2；TV211.1+1;TV213;TV213.9

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