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超聲波流量計(jì)在寶應(yīng)縣小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣工程中的應(yīng)用

黃曉慶劉金海丁德新

一、概述

江蘇省寶應(yīng)縣2015年度小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣工程位于氾水鎮(zhèn)、魯垛鎮(zhèn)、小官莊鎮(zhèn)，投資3005.59萬(wàn)元。主要建設(shè)內(nèi)容：（1）水源工程：灌溉泵站新建40座；拆建1座、更新機(jī)組41臺(tái)套，總裝機(jī)功率1120kW；（2）排澇工程：排澇泵站新建14座，拆建2座，更新機(jī)組17臺(tái)套,總設(shè)計(jì)流量9.4m3/s，總裝機(jī)功率645kW；排水涵閘新建25座、改造23座；（3）高效節(jié)水及渠系建設(shè)：渠道襯砌14.32km,配套渠系建筑物1933座；微灌430畝。工程建成后，將增加有效灌溉面積2.77萬(wàn)畝，增加節(jié)水灌溉面積2.48萬(wàn)畝，灌溉水利用系數(shù)提高到0.65,渠系水利用系數(shù)達(dá)到0.70以上，項(xiàng)目區(qū)糧食生產(chǎn)能力提高10%，項(xiàng)目區(qū)農(nóng)民人均增收近百元。

按照新時(shí)期“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，在近幾年的工程設(shè)計(jì)中，寶應(yīng)縣增加了節(jié)水工程內(nèi)容，與建筑工程做到同步設(shè)計(jì)、同步施工、同時(shí)完成、同時(shí)發(fā)揮效益。

二、超聲波流量計(jì)原理

超聲波流量計(jì)是一種新型流量計(jì)，它分為能動(dòng)型和被動(dòng)型兩大類(lèi)。能動(dòng)型根據(jù)工作原理不同又可分為速度差法（超聲波在順流與逆流中傳播速度之差與介質(zhì)流速有關(guān)）、射束位移法（在流體中傳播的超聲波束會(huì)因流體的流動(dòng)而產(chǎn)生偏移，此方法宜測(cè)高速流體的流量，準(zhǔn)確度較低）和多普勒效應(yīng)法（對(duì)液體中心的懸浮物連續(xù)發(fā)射超聲波，測(cè)量與流束有關(guān)的反射波的頻率移動(dòng)）。

超聲波在順流與逆流中傳播速度之差與介質(zhì)流速有關(guān)，測(cè)得介質(zhì)流速即可得出流量。超聲波在順、逆流中傳播情況如圖1所示。測(cè)定傳播速度差的方法很多，主要有時(shí)間差、相位差和頻率差等方法。超聲波在管壁間的傳播軌跡如圖2所示。

圖1　超聲波在順、逆流中的傳播情況圖

圖2　超聲波在管壁間的傳播圖　

1.流量公式（時(shí)間差法）

設(shè)靜止流體中的聲速為c，流體流速為v，流體靜止時(shí)超聲軌跡與管道軸線之間的夾角為θ,管道直徑為d，則：

（1）順流傳播時(shí)間為：

（2）逆流傳播時(shí)間為：

式中：τ—超聲波在管壁內(nèi)和電脈沖信號(hào)在電路中傳輸所產(chǎn)生的滯后時(shí)間的總和。

（3）時(shí)間差

（4）流量公式

存在的問(wèn)題：①聲速c受介質(zhì)溫度、密度等變化的影響，且聲速的溫度系數(shù)并非常數(shù)，當(dāng)聲速變化時(shí)，由此產(chǎn)生的流量測(cè)量的相對(duì)誤差將等于聲速相對(duì)誤差的兩倍；②時(shí)間差A(yù)r的數(shù)量級(jí)很小。例如：D=300mm，v=1.33m/s，c=1500m/s，θ=20°時(shí)，△t=1×10-6s。如果要保證1%的準(zhǔn)確度，則要求測(cè)量時(shí)間差△t達(dá)到0.01μs的準(zhǔn)確度，所以對(duì)電子線路的要求很高，并且限制了測(cè)量流速的下限。時(shí)間差法超聲波流量計(jì)原理如圖3所示。

圖3　時(shí)間差法超聲波流量計(jì)原理圖

三、超聲波流量計(jì)安裝

1.選擇流量測(cè)量點(diǎn)

為保證測(cè)量精度和穩(wěn)定性，傳感器的安裝點(diǎn)應(yīng)選擇在流場(chǎng)分布均勻的直管段部分（正常使用時(shí)管道中必須充滿液體），必須遵循以下原則：

（1）選擇滿管的位置，如垂直管段（流體向上流動(dòng)）或水平管段。

（2）安裝點(diǎn)應(yīng)選擇上游大于10倍直管徑、下游大于5倍直管徑以?xún)?nèi)無(wú)任何閥門(mén)、彎頭、變徑等均勻的直管段，安裝點(diǎn)應(yīng)充分遠(yuǎn)離閥門(mén)、泵、高壓電和變頻器等干擾源。

（3）避免安裝在管道系統(tǒng)的最高點(diǎn)或帶有自由出口的豎直管道上（流體向下流動(dòng)）。

（4）對(duì)于開(kāi)口或半滿管的管道，流量計(jì)應(yīng)安裝在U型管段處。

（5）兩個(gè)傳感器必須安裝在管道軸面的水平方向上，并且在軸線水平位置±45°范圍內(nèi)，以防止上部有不滿管、氣泡或下部有沉淀等現(xiàn)象影響傳感器正常測(cè)量。如果受安裝地點(diǎn)空間的限制而不能水平對(duì)稱(chēng)安裝時(shí)，可在保證管內(nèi)上部分無(wú)氣泡的條件下，垂直或有傾角地安裝傳感器。

2.超聲波流量計(jì)安裝

超聲波流量計(jì)安裝時(shí)，需將管外壁打磨光滑，擦上硅油，使其接觸良好即可。

超聲波流量計(jì)實(shí)際測(cè)定的是流體速度，它受速度分布不均的影響，故要求變送器前后分別有10D（D為管道外徑）和5D的直管段長(zhǎng)度。

四、超聲波流量計(jì)設(shè)置

超聲波流量計(jì)在安裝完成后，需進(jìn)行初始設(shè)置，主要是管道外徑、管壁厚度、管內(nèi)徑、管道材質(zhì)類(lèi)型選擇、流體種類(lèi)、傳感器類(lèi)型、傳感器安裝方式、傳感器安裝間距、參數(shù)固化及設(shè)置、阻尼系數(shù)等。初始設(shè)置數(shù)據(jù)需與實(shí)際狀況一致，否則得不到正確數(shù)值。

五、結(jié)語(yǔ)

超聲波流量計(jì)屬于非接觸式測(cè)量?jī)x表，對(duì)流體流動(dòng)無(wú)干擾、無(wú)阻力，不產(chǎn)生壓力損失；受介質(zhì)物理性質(zhì)的限制比較少，適應(yīng)性較強(qiáng)。它可用于高溫、高壓、防爆、強(qiáng)腐蝕性、黏性、非導(dǎo)電、渾濁度大的液體的流量測(cè)量，而且準(zhǔn)確度高；量程比較寬，可達(dá)5∶1；輸出與流量之間為線性；安裝方便。其缺點(diǎn)是當(dāng)液體中含有氣泡或有噪聲時(shí)，會(huì)影響聲波傳播；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

2016年4月，寶應(yīng)縣在20座ZLB350灌溉泵站出水管道上安裝了TDS-100型超聲波流量計(jì)，目前運(yùn)行正常。在重點(diǎn)縣工程中安裝超聲波流量計(jì)，能達(dá)到以下幾個(gè)目標(biāo)：為實(shí)現(xiàn)全縣灌溉水實(shí)時(shí)計(jì)量提供數(shù)據(jù)，為實(shí)行灌溉水按方收費(fèi)提供數(shù)據(jù)支持，為水價(jià)改革提供數(shù)據(jù)支持，為反算泵站工程效率提供數(shù)據(jù)支持，為節(jié)水工程實(shí)施效果評(píng)價(jià)提供相關(guān)參數(shù)■

（作者單位：江蘇省寶應(yīng)縣水務(wù)局225800）