用于灌溉機井用水計量的新型插入式流量計研究

【摘要】針對農田灌溉機井管道管徑小的特點，在電磁流量計的基礎上對其結構進行創新設計，研究出一種專門用于農業灌溉的新型插入式流量計。該流量計具有壓力損失小、量程大、安裝方便、價格低等優點。

【關鍵詞】灌溉機井；新型插入式流量計；傳感器

根據天津市節水發展趨勢，將縮減地下水開采量，提高水資源利用效率，對全市的農用灌溉機井全部實現井口計量，全面推進機井計量系統的建設，實現對機井智能化管理。而流量計作為機井計量系統中的重要計量設備，高精度、低成本的流量計需求巨大。目前，高精度低成本的流量計處于空白狀態，因此研究新型插入式電磁流量計，以解決機井計量系統中流量計選型使用問題，彌補市場空缺，有效降低機井計量系統的建設成本和維護成本。

1、當前灌溉機井用水計量流量計存在的問題

目前市場上用于農業灌溉機井計量系統中的流量計主要為渦輪流量計和電磁流量計，渦輪流量計的旋轉葉輪容易損壞，造成流量計的損壞，損壞后需將整個流量計拆解下來維修，且維護復雜；電磁流量計安裝方便，適用于地表水及地下水的使用計量，但價格昂貴，不利于農業上使用。因此，研究一種農業灌溉機井計量用的新型插入式電磁流量計，可解決成本高、安裝維護困難等問題。

2、新型插入式流量計的工作原理

新型插入式電磁流量計應用法拉第電磁感應定律。傳感器測量管為內襯絕緣材料的非導磁ABS短管，兩只電極沿管徑方向固定在測量管兩側， 其電極頭凸出于測量管表面。勵磁線圈為雙向脈沖勵磁時， 將在與測量管軸線垂直的方向產生一磁通密度為 B 的工作磁場。此時， 如果有一定電導率的流體流經測量管， 將切割磁力線感應出電動勢 E。電動勢 E 與磁通密度 B、測量管內徑D 和平均流速的關系如下：

E = kBdv

式中： E 為電極間的信號電壓，（ V；B為磁通密度，T ；d為測量管內徑，m；v- 為平均流速， m /s；k， d為常數。

由于勵磁電流是恒流的， 故 B是常數， 則由上式可知， 體積流量 Q與信號電壓 E成正比， 即流速感應的信號電壓 E 與體積 Q成線性關系。電動勢 E（電流信號 ）由電極檢出并通過電纜傳至轉換器。轉換器將流量信號放大處理后， 可顯示流量、總量， 并能輸出模擬、脈沖等信號， 用于流量的控制與調節。因此， 只要測量出 E 就可確定流量 Q， 這就是新型插入式電磁流量計的基本工作原理。

3、新型插入式流量計的設計

3.1 電極設計

新型插入式流量計電極位置設計在傳感器的兩側，管道中的水流速不受流量計的影響，測量數據更準確。

將插入式流量計插入到管道中，當水流動時，會在兩側電極上產生極性相反的感應電動勢，當激磁電流為正負方波時，兩個電極也會感生方波信號，由電極上的兩根導線，將感應的對稱方波信號傳至放大轉換通信裝置。新型插入式流量計的電極設計如圖1所示。

圖1 新型插入式流量計電極設計圖

3.2 傳感器的結構設計

針對機井管道小口徑的特點，對傳感器外形進行創新設計，在保證測量精度的前提下，將其設計成機翼形結構。這種結構可以減小傳感器插入管道內部所占用的截面積。設計傳感器的尺寸小于100mm。機翼形傳感器對介質條件要求低，阻力系數最小，保證了壓損低、能耗小，而且具有對不太穩定的流場進行重新整流的效果，避免產生漩渦，流量系數穩定性好、可靠性高，計量數據穩定精確。

傳感器內部布置：將凸出的電極安裝在傳感器短邊的兩端，通過轉軸將兩個電極相連接，轉軸上設置工字型鐵芯，線圈纏繞在工字型鐵芯上。

傳感器外殼為ABS材料，具有無毒、耐腐蝕、抗氧化、造價低等優點。新型插入式流量計的傳感器設計如圖2所示。

圖2 新型插入式流量計傳感器設計圖

圖3 傳感器外殼實物圖

3.3 轉換器設計

轉換器主要是為傳感器勵磁線圈提供勵磁電磁，同時接收傳感器電極檢測到的電信號，通過中央處理器進行數據運算和處理，然后進行現場顯示和遠程通信。轉換器設計支持485串行通訊、脈沖輸出，采用儀表放大器作為信號放大轉換的核心電路，轉換器協議支持同機井計量系統通訊。

轉換器以單片機作為測量流量、溫度等模擬信號的控制核心，以高性能低價格的儀表放大器作為信號放大轉換的核心電路，放大轉化器由放大器、A/D轉換器、CPU數據處理器和濾波器組成。在軟件上通過使用一些智能算法和濾波設計，從而使流量計有更廣泛的適用性和靈活性。

3.4 新型流量計的特點

（1）安裝方便。傳感器可直接插入被測流體管道。與管段式電磁流量計相比，插入式電磁流量計體積小，可以在管道上任意位置打孔安裝，不用斷開管道（管段式電磁流量計需預先在管道上留出安裝位置）。

（2）壓力損失小。新型流量計傳感器插入管道的深度一般為管道直徑的1/4～1/8，且傳感器表面很光滑，因此壓損可以忽略不計。

（3）維護非常簡單。只要拔出傳感器即可進行維護，而對于管段式流量計來說，在沒有旁通管路的情況下，只能斷水才能進行維護。

（4）生產成本比較低。插入式流量計的本體采用ABS塑料注塑而成，成本一般在管段式流量計的1/2～1/40，且被測流體管徑越大性價比越高。

3.5 適用范圍

流速范圍： 0.5～10m/s；

流量范圍：9～180m3/h；

測量管道直徑范圍： 80～200mm。機井管道尺寸為DN80、DN100、DN125mm。

應用領域：農田水利灌溉地下水計量。

3.6 安裝要求

（1）對直管段的要求。流量計可水平安裝也可垂直安裝在管道上，安裝時流量計軸線應與管道軸線垂直，流量計的傳感器與管道軸線偏差角度要控制在±3°以內。安裝要求上游直管段為10D、下游為5D。

（2）傳感器的插入深度。由于流體在管道中為層流，靠近管壁的流體流速較慢，靠近管道中心的流速較快，根據計算，管道的D/8處最接近流體的平均速度。安裝時要計算管道的壁厚和開孔固定儀器的鋼管長度，確保傳感器的電極插深在D/4-D/8位置。

4、新型插入式流量計的試驗應用

新型流量計試驗應用裝置為一套完整的水標定裝置，該裝置共有3個儲水箱，由電動閥控制流量。大容量儲水罐容量為1m3，中等容量儲水罐容量為0.1m3，小儲水罐容量為0.01 m3。大儲水罐用來測量流量較大的情況；小儲水罐控制流量的精度高一些，可以測量小流量及始動流量等。裝置的精度達到工業標定的要求，試驗被測管道無劇烈振動，滿足試驗條件。

4.1 信號的穩定性

當一切準備就緒后，啟動水泵，管道中的水開始流動。此時，在新型流量計轉換器電路的輸入口用示波器測量時可以觀察到圖3所示的波形圖。由圖3可以看到，傳感器上的電極信號良好，波形清晰，抗干擾能力強，測量的數值非常穩定。

圖3新型流量計電極信號波形圖

4.2 測量精準度和一致性

在確定電極上有穩定的信號后，在不同流速下進行流量計的一致性和精準度試驗。

由表1可以看出，流量計的一致性為±0.5%，精度達到±1.5%，符合工程標準，流量計精度達到1.5級。

5、結論

用于灌溉機井用水計量的新型插入式流量計的研究，解決了老插入式流量計無法在小口徑管道上使用的瓶頸問題。新型插入式流量計體積小，安裝維護方便，生產成本低，比渦輪流量計成本降低30%～40%，比電磁流量計降低50%～70%。價格優勢明顯，在農業用水計量系統中利用價值很大。

作者簡介：田家賓（1985-），男，工程師，從事水利信息化研究工作。