超聲波流量計在供水企業計量中的應用

李毓斌

摘 要：超聲波流量計以其計量方便、經濟、準確等優點，在給排水、石油、化工、冶金、以及電力等領域中得到了廣泛應用。對超聲波流量計在供水企業計量中的應用展開了研究，闡述了時差式超聲波流量計的原理，并對其在供水企業應用中存在的問題進行了分析。

關鍵詞：超聲波流量計；供水企業；水資源；流速

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.139

隨著我國社會經濟的快速發展，我國的水資源日趨緊張，供水企業如何確保用水計量工作的準確性和水資源的有效利用越來越受人們的重視。超聲波流量計采用先進的多脈沖技術、信號數字化處理技術和糾錯技術，使流量計計量更加精確、經濟和方便，其監督測量數據更加準確、可靠，為供水企業生產、計量的準確性提供了保證。基于此，筆者進行了相關介紹。

1 時差式超聲波流量計的測量原理

時差式超聲波流量計采用了先進的數字處理技術和聲波時差探測法，用于測量流體流速對雙向聲波信號的影響，其傳感器探頭（T1和T2）以一定的間距安裝在管壁外側，交替發射和接收超聲波。當超聲波在靜止的流體中傳播時，從T1到T2的聲波信號傳送時間與從T2到T1的傳送時間相同。當流體流動時，上游傳感器T1向下游傳感器T2發射一個信號，同時，下游也向上游發射信號。由于流體流速對超聲波信號的作用，加快從上游到下游方向的信號傳播速度，同時，減慢從下游到上游方向的信號傳播速度，兩個信號之間便產生了時間差，由此可求得流體流速，再與圓管的流通截面積相乘計算出流量。流體流速的基本計算公式如下：

式（1）中：Vf為流速；K為標定系數；dt為上下游傳感器測量時間差；TL為測量出的聲波平均穿過流體時間。

測量原理如圖1所示。

2 供水管道A超聲波流量計無信號的原因

影響時差式超聲波流量計計量的因素很多，比如傳感器探頭的安裝方式、上下游直管段的長度、工藝管道參數等。為了確定供水管道A時差式超聲波流量計出現信號中斷的原因，分別從以下2方面進行了檢測分析。

2.1 換能器探頭安裝方式的檢測

目前，傳感器探頭的安裝方式主要有V法和Z法兩種，如圖2和圖3所示。其中，V法安裝的超聲波信號行程會增加1倍，適用于小管徑、管道條件好的流量測量；Z法安裝超聲波信號衰弱較小，適用于大管徑，一般而言，D>300 mm的管道易采用Z法安裝。

根據傳感器探頭的安裝方式，某供水管管徑為DN600，因此，傳感器探頭采用Z法，安裝完成出現了信號中斷的現象；采用V法安裝方式進行試驗發現，無論采用哪一種安裝方式，均會出現信號中斷的現象。所以，排除了安裝方式原的因。

2.2 上下游直管段長度檢測

對超聲波流量計安裝在直管段上下游的長度有明確的要求：上游直管長度在10D以上，下游在5D以上，同時，盡量遠離泵和閥門，避免有擾動因素產生。根據時差式超聲波流量計計算管道內流體流速的公式，標定系數K是雷諾數的函數，當直管道不滿足長度要求要求時，流體從穩定層流過渡成紊流狀態，流速分布不均勻，標定系數K將產生較大的變化，引起測量準確度下降。如果在靠近三通、閥門的區域（即不滿足直管段長度）安裝傳感器探頭，流體易從層流轉成紊流、渦流狀態，紊流、渦流的產生使流體中有一定的氣體存在。由于氣體會受到一定的聲阻抗，使聲束分散，尤其是當含氣量大時，將大大減小超聲波信號的強度，造成信號中斷。

根據上述分析及現場勘測發現，該供水管道A時差式超聲波流量計安裝位置、下游長度不滿足要求，在探頭安裝位置下游附近管道管徑由DN600變為DN800，且接有1根DN200的支管。因此，在供水高峰期時，此段因受到三通、閥門的影響，水流易產生紊流、渦流，進而產生氣泡，大大減小了聲波信號的強度，導致時差式超聲波流量計出現信號中斷的現象。將傳感器探頭向一側移動7 m后，其位置滿足了上下游直管段長度的要求，利用便攜式超聲波流量計在此位置進行水流計量檢驗，其結果信號良好。由此可見，之前傳感器探頭安裝直管段長度不滿足要求造成了信號中斷。

通過上述分析得出，供水管道A超聲波流量計在供水期間出現信號中斷是因傳感器探頭安裝位置不滿足直管段長度要求而造成的。

3 超聲波流量計的改造

根據上述故障分析，結合超聲波流量計拆除、安裝方便的特點，此次改造不需要改動管路，僅改變傳感器探頭安裝位置即可。

根據傳感器探頭安裝位置直管段長度的要求，該供水管道A計量井向一側移出7 m，沿用原超聲波流量計，重新安裝，安裝方式采用Z法。計量井設計要求防水，設置了日常巡檢站臺，底部設計了水槽，且有爬梯至底部。

由于供水管道A埋設在地下，其外管壁涂有防銹漆，會出現較小的腐蝕坑。在安裝前，先對管道表面進行清污處理。具體處理措施如下：①探頭平行安裝于地面，即水平安裝，分別位于管道水平兩側；②去除管道表面的防護層，清除管道表面的鐵銹、污垢等；③打磨安裝位置，打磨面積為探頭面積的3倍；④將耦合劑涂滿探頭的整個發射表面，不能有氣泡存在；⑤在打磨管道表面涂上硅脂；⑥將探頭牢牢地貼緊在管壁上，用鋼帶固定探頭（探頭發射方向相對）。

4 結束語

綜上所述，在供水企業中，時差式超聲波流量計具有卓越的性能和廣泛的適用性，且計量結果精確、可靠。但在供水企業超聲波流量計的應用中，對超聲波流量計的安裝要求十分嚴格。因此，在超聲波流量計的安裝過程中，相關安裝人員要嚴格按照規范標準操作，還要加強其維護和管理工作，從而確保計量結果的準確性，促進供水企業的健康發展。

參考文獻

[1]肖國燦.超聲波流量計在熱水交接計量的應用[J].工業計量，2015（S1）.

[2]趙育.超聲波流量計在水庫供水中的應用與維護[J].吉林水利，2016（01）.

〔編輯：張思楠〕