江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
冶金企業(yè)是連續(xù)綜合作業(yè)，不但是耗能大戶也是耗淡水大戶。水是一種地球上的一種特殊資源，特別是淡水更是頻臨稀缺資源，地下水的噸水成本逐年大幅提高。節(jié)約用水已經(jīng)不僅僅是一個企業(yè)經(jīng)濟(jì)問題，更重要的是一個關(guān)乎企業(yè)持續(xù)發(fā)展與社會民生和諧發(fā)展的重大社會問題。
計(jì)量是企業(yè)節(jié)約用水績效的測量技術(shù)支撐，計(jì)量對企業(yè)合理控制用水有著不可替代的顯示作用和指導(dǎo)作用。測量技術(shù)的支撐對實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化管理起著基礎(chǔ)作用。
企業(yè)中的水計(jì)量，原來大多采用機(jī)械式水表，它存在著如下缺陷：⑴精度低，正負(fù)偏差大；⑵易損壞；⑶校驗(yàn)或校準(zhǔn)不便捷；⑷接表管道縮徑造成水壓力損失；⑸不能顯示實(shí)時流量；⑹特別是計(jì)量數(shù)據(jù)無法通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳送，不能適應(yīng)企業(yè)信息化需求。技術(shù)人員經(jīng)過對工業(yè)液體流量儀表的資料審閱和實(shí)物對比，結(jié)合企業(yè)信息化建設(shè)需求，大多轉(zhuǎn)而采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行水計(jì)量。據(jù)了解，萊鋼、濟(jì)鋼等大型冶金企業(yè)集團(tuán)計(jì)量處對總公司與煉鐵廠、煉鋼廠、各軋鋼廠、動力廠之間的水計(jì)量已逐步采用超聲波流量計(jì)，并嘗試用便攜式進(jìn)行比對。
一、超聲波流量計(jì)的測量原理
超聲波流量計(jì)是一種非接觸式流量計(jì)。工作原理是：超聲波在流體中傳播時其傳播速度要受到流體流速的影響，通過測量超聲波在流體中傳播速度可以檢測出流體的流速而換算出流量來。
以使用zui廣泛的時差法超聲波流量計(jì)為例，當(dāng)超聲波在流體中傳播時順流方向超聲波的傳播速度會增大、逆流方向則減小，即同一傳播距離就有不同的傳播時間，再利用傳播速度之差與被測流體流速之關(guān)系求取流速而換算出流量。即當(dāng)超聲波束在管道內(nèi)水介質(zhì)流動方向上的“上游傳感器”與“下流傳感器”之間傳播時，水的流動會使超聲波束的傳播時間相對于靜態(tài)傳播產(chǎn)生一個微小變化，并且這個傳播時間的變化與水的流速成正比，這就是時差式超聲波流量計(jì)的測量原理。
其關(guān)系的理論表達(dá)式如下式：
V＝MD/sin2θ×△T/TupTdown
其中，M—為超聲波束在水中的直線傳播次數(shù)
θ—為超聲波束與水流動方向的夾角
Tup—為超聲波束在正方向上的傳播時間（由上游傳感器到下游傳感器間的傳播時間）
Tdown—為超聲波束在逆方向上的傳播時間（由下游傳感器到上游傳感器間的傳播時間）
△T＝Tup－Tdown
二、超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)
超聲波流量計(jì)基于微處理技術(shù)，大多采用集成電路及低電壓寬脈沖發(fā)射技術(shù)而設(shè)計(jì)的。在測量技術(shù)上，為取得更高的分辨率和更大的測量范圍，多使用0.1ns超高分辨率時間測量線路。它專門用于液體介質(zhì)測量特別是水的測量。其顯著特點(diǎn)是：精度等級為±1.0%，可在不停產(chǎn)狀態(tài)下帶壓安裝，主機(jī)既可安裝于值控室還可輸出電流、脈沖等標(biāo)準(zhǔn)信號并可利用RS232或RS485接口通訊進(jìn)行計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送。另外該流量計(jì)具有高可靠性、低功耗、抗干擾、安裝維護(hù)方便之優(yōu)點(diǎn)。
三、超聲波流量計(jì)的構(gòu)造與安裝
1、超聲波流量計(jì)的構(gòu)造
超聲波流量計(jì)一般可分現(xiàn)場傳感器（即探頭），傳輸電纜，顯示主機(jī)三大部分。其傳感器有外夾式、插入式、法藍(lán)式（即管段式），顯示主機(jī)分固定式、便攜式，而便攜式主機(jī)可配備外夾式傳感器對固定在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)進(jìn)行比對（現(xiàn)場校準(zhǔn)）且安裝十分簡便（約10多分鐘）。
2、超聲波流量計(jì)測量點(diǎn)的確定
超聲波流量計(jì)需先選取一個適宜的測量點(diǎn)，然后把測量點(diǎn)的水管參數(shù)輸入流量計(jì)中，zui后將傳感器（即探頭）安裝在水管上。
⑴測量點(diǎn)的一般要求
超聲波流量計(jì)的測量點(diǎn)要求需在一定長度的直管段上，即選擇水流分布均勻的管段，以減少測量誤差。
⑵測量點(diǎn)的選取原則
; a、測量點(diǎn)宜選擇距上游（水流來方向）10倍管徑長度、距下游（水流去方向）5倍管徑長度的均勻直管段（即上、下游閥門在該長度以外，或水管的拐點(diǎn)在該長度之外）。
b、該直管段的材質(zhì)要均勻無疤、裂痕以利于超聲波傳輸。
c、該直管段的內(nèi)壁應(yīng)無水垢（若略有水垢有條件時可用蒸汽或高壓水吹掃）。
d、該直管段要充滿水（無論垂直或水平管段）。
3、超聲波流量計(jì)傳感器的安裝
超聲波流量計(jì)傳感器的安裝質(zhì)量直接關(guān)乎水流量測量的準(zhǔn)確性、可信度和運(yùn)行可靠性。
⑴超聲波流量計(jì)傳感器（探頭）的分類
常用的超聲波流量計(jì)傳感器按安裝方式有如下三種：
外夾式傳感器—安裝時需將管外壁的擬安裝位置打磨光滑后用耦合劑將傳感器（探頭）貼于管外壁再用夾緊裝置固定。該方式能方便地在管外進(jìn)行水流量測量，也適合便攜式。缺點(diǎn)是易因耦合劑的處置不當(dāng)引起信號接收狀態(tài)惡變而影響測量的穩(wěn)定性。
插入式傳感器—安裝時用鉆孔工具在不停產(chǎn)狀態(tài)下將傳感器（探頭）插入管路中。優(yōu)點(diǎn)是能在水管內(nèi)壁結(jié)垢或水中帶氣情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的測量。
管段式傳感器—安裝時需要切開選定的直管段，采用法藍(lán)聯(lián)接。產(chǎn)品已經(jīng)過專門出廠標(biāo)定，好處是傳感器可以不停產(chǎn)進(jìn)行維修，特點(diǎn)是測量準(zhǔn)確度高。
⑵超聲波流量計(jì)傳感器（探頭）的安裝
超聲波流量計(jì)傳感器（探頭）的安裝位置一般選擇兩個傳感器（探頭）管軸在輸水管道的管軸水平方向上或與管軸水平面成45度夾角。
超聲波流量計(jì)傳感器（探頭）的安裝方式有Z、V、N、W方式。其中N、W方式適用于管徑為50mm以下的輸水管道，因使用難度和性價(jià)比較高而很少應(yīng)用。常用方式有兩種：
a、“V”方式安裝
“V”式安裝是標(biāo)準(zhǔn)的安裝方法，可測管徑范圍為25mm—400mm。安裝傳感器（探頭）時須注意上下游兩傳感器（探頭）水平對齊，使其中心連線與輸水管道軸線水平一致。（示意圖見說明書）
b、“Z”方式安裝
“Z”式安裝一般適用于輸水管道粗或水介質(zhì)不很潔凈或管道內(nèi)壁有水垢而使“V”式安裝信號失真狀況。一般說來，300mm以上管徑的輸水管道選用“Z”式安裝較適宜，“Z”式安裝的可測管徑范圍通常在100mm—600mm。安裝傳感器（探頭）時須注意上下游兩傳感器（探頭）與輸水管道軸線在同一平面內(nèi)，且上游傳感器（探頭）在低位、上游傳感器（探頭）在高位。（示意圖見說明書）
⑶超聲波流量計(jì)傳感器探頭的安裝檢查
a、主要檢查傳感器（即探頭）的安裝位置是否適宜。
b、與水管外壁的結(jié)合是否光滑緊密。
c、通過主機(jī)檢查信號強(qiáng)度和信號質(zhì)量，觀察傳感器是否能夠接收到使主機(jī)正常工作的超聲波信號。
4、超聲波流量計(jì)的調(diào)試
⑴按流量計(jì)要求輸入管道參數(shù)，并記錄。
⑵對上下游傳感器（即探頭）的安裝位置、間距、管道接合度進(jìn)行調(diào)整，將上下游兩個方向上接收的信號強(qiáng)度調(diào)整至zui強(qiáng)（信號強(qiáng)度越大則測量值越穩(wěn)定、可信度越大，越能長時可靠運(yùn)行）。
5、超聲波流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳與共享
技術(shù)人員通常通過PC機(jī)或其他通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)超聲波流量計(jì)的通信，用適當(dāng)?shù)拇锌陔娎|將超聲波流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)串行口與上位機(jī)串口聯(lián)接起來，用軟件在上位機(jī)上發(fā)出預(yù)先設(shè)置的命令，就可使流量計(jì)發(fā)出相關(guān)的應(yīng)答信號。
技術(shù)人員使用超聲波流量計(jì)的標(biāo)識碼作為網(wǎng)絡(luò)地址碼，使用相應(yīng)命令集作為通信協(xié)議，使用流量計(jì)的電流環(huán)及其OCT輸出來控制步進(jìn)式（或模擬式）電磁閥的開度，繼電器輸出可控制其他設(shè)備的上下電，既可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集又可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制（數(shù)據(jù)的傳送硬件在較近距離時使用RS232或RS485接口通訊，在較長距離時采用電流環(huán)或無線傳輸），通過以太網(wǎng)將流量計(jì)數(shù)據(jù)傳入企業(yè)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)公司內(nèi)相關(guān)二級單位的數(shù)據(jù)共享。并實(shí)現(xiàn)了水計(jì)量的實(shí)時監(jiān)控狀態(tài)。
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