用于水資源監(jiān)測能力建設(shè)項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：為落實最嚴格的水資源管理制度，目前全國各地均在進行針對企業(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、安裝方式等幾個方面進行了闡述與比對，分析了其優(yōu)缺點及適用性。

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》明確提出了實行最嚴格的水資源管理制度，要求“加強水量水質(zhì)監(jiān)測能力建設(shè)，為強化監(jiān)督考核提供技術(shù)支持”。全國各地均在積極推動水資源監(jiān)測能力建設(shè)項目，以實現(xiàn)水資源取水量監(jiān)測的自動化、信息化。

流量傳感器是實現(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。

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動時，導(dǎo)電液體切割磁力線感應(yīng)出一個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)含兩個電磁線圈。測量時，測量管道內(nèi)的導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉第試驗中的導(dǎo)電金屬桿，上下兩端的兩個電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場。當(dāng)有導(dǎo)電介質(zhì)流過時會產(chǎn)生感應(yīng)電壓,其由管道內(nèi)部的兩個電極檢出，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動的導(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

(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，從而不會對流體流動產(chǎn)生堵塞。

(3)插入式傳感器能夠在不斷流的情況下進行安裝與拆卸。

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、無強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調(diào)整器。

2時差法超聲波流量傳感器

2.1工作原理

超聲波在流動的流體中傳播時會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。由于超聲波傳播時與水流速度的矢量疊加，故超聲波下行與上行所花費的時間不同且得到的時差數(shù)值與水流速度成正比，因此，根據(jù)時差可以計算出管道內(nèi)的水流速度。采用時差法測量流體流量的原理見圖1。

圖1　時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，即可計算出液體沿管道軸向的速度v，以及流體的瞬時流量和累計流量。

2.2性能及特點

(1)時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行安裝與拆卸。

(2)測量精度可達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，方能進行換能器的安裝。同時，為保障不受介質(zhì)擾動產(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管道斷面流速為依據(jù)，因此，其具有的優(yōu)點在于流量測驗精度較高，但其造價較高且價格隨管道直徑增大而增加。同時，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，從而造成其安裝時必須停水操作，給實際應(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，可應(yīng)用于已建輸水系統(tǒng)、不便停水安裝的情況，其造價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，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的準確性，因此，其測驗精度受安裝及參數(shù)調(diào)試的影響較大。安裝插入式傳感器時，對其前后管道的直管長度、插入深度和運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行機械加工，可利用其管壁透聲的特點，將換能器外夾于輸水管壁即可實現(xiàn)流速測驗。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重衰減，以及超聲波在管道內(nèi)傳輸時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，因此亦可以實現(xiàn)不斷水和帶(水)壓操作。當(dāng)管道直徑很大時，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現(xiàn)同時多路測流，可提高測驗的精準度。

因此，在具體實施過程中，應(yīng)根據(jù)建設(shè)項目的具體情況，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

文獻標(biāo)識碼:B

中圖分類號:TK71+2；TV211.1+1;TV213;TV213.9

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