便攜式超聲明渠流量計校準裝置設計*

陳漢松 陳國宇 賴森豪

（廣州能源檢測研究院，廣東 廣州 511400）

0 引言

超聲明渠流量計具有對液體介質要求低、安裝方便、維護簡單、使用壽命長、環境適應性強、工作穩定性好、精度高、測量范圍廣和價格便宜等特點，廣泛用于企業污水排放量計量等領域[1]。它既是環保部門監測污水排放，防止偷排的計量器具，又是部分污水廠污水處理費用結算的計量器具，故保證其計量準確性具有極其重要的意義。

目前，國內便攜式超聲明渠流量計校準裝置大部分測量液位的傳感器是磁致伸縮浮子液位計，如桑曉鳴等研究的便攜式明渠流量計檢定裝置[2-4]。這種液位計必須在流量計水流充足的情況下，才能完成流量計的滿量程測量，而且在流量調節過程中，耗時較長。

現實中，企業生產往往有淡季與旺季之分，每個時期排污量不同，且排污時不一定有水量控制設施，故采用磁致伸縮浮子液位計的校準裝置在滿量程測量與快速測量方面有一定的局限性，給企業帶來極大的不便。

為此，本文設計一種便攜式超聲明渠流量計校準裝置，可快速、準確地完成超聲明渠流量計的校準。

1 超聲明渠流量計的工作原理

超聲明渠流量計由量水堰槽（以巴歇爾槽量水堰槽為例，如圖1所示）和二次儀表（含液位檢測、運算、顯示功能）組成，其測量原理如圖2所示。

圖1 巴歇爾槽量水堰槽示意圖

圖2 超聲明渠流量計測量原理圖

首先，利用超聲傳感器測出實際水頭高度（即液位）；然后，在二次儀表中利用量水堰槽的水位-流量表計算水流流量，并對流量進行時間積分，得到累積量；最后，顯示瞬時流量及累積量、水頭高度等信息，并上傳至上位機。由此可知，超聲明渠流量計的計量準確度取決于液位測量準確度和量水堰槽物理尺寸的規范性[5-7]。

2 校準裝置構成

便攜式超聲明渠流量計校準裝置由水位模擬校準平臺，控制模塊、平板電腦模塊和外觀校準工具模塊構成。

2.1 水位模擬校準平臺

水位模擬校準平臺示意圖如圖3所示。

圖3 水位模擬校準平臺示意圖

水位模擬校準平臺主要包含卡口、支架、導軌、滑塊、伺服電機、底座、3個水平調節螺絲、水平儀、反射平板和絲桿（密閉在支架內部）等部件。其中，伺服電機是水位模擬校準平臺的核心部件，它根據脈沖的個數，準確轉動相應角度；并通過與齒輪、絲桿特定的傳動比例，準確控制反射平板的移動距離；且反饋轉動脈沖，有效減少轉動錯誤的發生[8-10]。

水位模擬校準平臺的主要作用：模擬水位；接收平板電腦的指令，將反射平板準確移動到特定位置。

2.2 控制模塊

控制模塊包括24 V直流電源、無線發射接收模塊和 PLC模塊。其主要作用：驅動水位模擬校準平臺，并作為水位模擬平臺與平板電腦模塊間通訊控制的硬件部分。

2.3 平板電腦模塊

平板電腦模塊包括無線發射接收模塊和顯示器。其主要作用：具有顯示與操作裝置的界面；控制電機移動；收集檢測數據、自動計算校準結果，生成校準原始記錄。

2.4 外觀校準工具模塊

外觀校準工具模塊包括粗糙度比較模塊、鋼直尺、量油尺和角度規等，主要用于校準便攜式超聲明渠流量計量水堰槽的外觀。

3 校準順序

便攜式超聲明渠流量計校準裝置現場安裝示意圖如圖4所示，按圖5所示液位測量點進行校準，校準流程如圖6所示。

圖4 便攜式超聲明渠流量計校準裝置現場安裝示意圖

圖5 液位測量點示意圖

超聲明渠流量計校準步驟如下：

1） 在平板電腦模塊的校準界面進行超聲明渠流量計選型，并添加被檢超聲明渠的信息；

2） 用外觀校準工具模塊按照相應類別的超聲明渠外觀要求，檢測超聲明渠流量計的量水堰槽外觀是否合格；不合格直接輸出原始記錄，合格繼續進行下一步檢測；

3） 在無水的超聲明渠流量計量水堰槽中，安裝水位模擬平臺；調節水平調節螺絲使反射平板水平放置；平板電腦控制伺服電機，使反射平板降至最低點（0點）；同時設置超聲明渠流量計二次儀表的液位顯示為0；

4）根據超聲明渠流量計的液位量程（H）均分5個點（如圖5所示），并設定伺服電機移動的步長（即每次移動的距離）；

5） 移動反射平板到第1個校準點，平板電腦模塊顯示標準液位為h標（反射平板移動的距離），平板電腦根據內置的相應槽型的公式計算出標準流量值Q標；同時彈出窗口，提示用戶輸入被檢超聲明渠二次儀表的液位值h示與流量值Q示；根據式(1)和式(2)計算該點該次的液位與流量的示值誤差；

式中，Δh為液位示值誤差；ΔQ為流量示值誤差。

6） 重復步驟5），得到第2個、第3個、第4個和第5個校準點的第1次的檢測結果。

圖6 明渠流量計校準流程圖

7） 校準過程控制示意圖界面彈出是否開始下一次全程的檢測，得到是指令后，反射平板自動移至0點，重復步驟5）、6），分別得到第1～第5點的第2次檢測結果；同理得到第1～第5點的第3次檢測結果；校準過程控制示意圖界面彈出校準結束及校準的實驗數據（含每點的液位與流量示值誤差平均值等）及原始記錄，并輸出原始記錄。

8） 反射平板返回0點，校準結束。

4 便攜式超聲明渠流量計校準裝置測試

便攜式超聲明渠流量計校準裝置圖（不含外觀校準工具模塊）如圖7所示，包括水位模擬校準平臺、平板電腦模塊和控制模塊。

圖7 便攜式超聲明渠流量計校準裝置圖

便攜式超聲明渠流量計校準裝置最主要的參數是液位測量的準確性，經第三方檢測，液位測量數據如表1所示。

表1 液位測量結果 單位：mm

5 結語

本文設計的便攜式超聲明渠流量計校準裝置具有以下特點：無需排水情況下，實現超聲明渠流量計的全量程校準；安裝方便，只需將設備放置在水槽中，調好水平即可；半自動校準，省時省力；無線操作校準過程，自動記錄檢測數據，并能自動生成校準記錄；具有較高的準確度，最大允許誤差絕對值在 0.2 mm以內，有較高的實用價值。