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(chuàng)新設計，研究出一種專門用于農業(yè)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(yōu)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(jié)水發(fā)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(tài)，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(yè)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(yè)上使用。因此，研究一種農業(yè)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(jié)。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(chuàng)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(wěn)定的流場進行重新整流的效果，避免產生漩渦，流量系數穩(wěn)定性好、可靠性高，計量數據穩(wěn)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(yōu)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(yè)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(yōu)勢明顯，在農業(yè)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。