時(shí)差式超聲波流量計在黑河輸水渠道工程的應用

    黑河輸水渠道工程自黑峪口藺家灣匯流池起，向東沿秦嶺北麓，經(jīng)周至縣戶(hù)縣長(cháng)安區雁塔區到曲江水廠(chǎng)南郊水廠(chǎng)渠首與渠尾落差49.7米，采用重力自流供水，渠道全長(cháng)125公里，最大設計流量14立方米/秒，渠道日供水量最大為110萬(wàn)立方米，該工程為西安建設國際化大都市提供了有力的保障，是西安市人民的“生命線(xiàn)工程”。

    科學(xué)調水離不開(kāi)對原水流量的精確測量，及時(shí)準確的掌握渠道供水流量數據，對于供水企業(yè)進(jìn)行科學(xué)管理、成本核算是十分重要的。

    隨著(zhù)電子、信號處理、信息編碼技術(shù)的迅猛發(fā)展，超聲波流量計被廣泛的使用在大型水利工程中，黑河輸水渠道工程便是其中之一。

    本文就對時(shí)差式超聲波流量計的原理及其在黑河輸水渠道的應用進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。

    1 時(shí)差式超聲波流量計的原理

    1.1 超聲波信號的產(chǎn)生原理

    利用流量計上壓電換能器的壓電效應，發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生振動(dòng)，繼而在流體中產(chǎn)生超聲波，超聲波在流體中傳播然后由接受換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔�，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，接收換能器則是利用壓電效應。

    1.2 超聲波流量計的構成原理

    超聲波流量計由超聲波換能器、電子線(xiàn)路及流量顯示和累積系統三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能信號轉換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線(xiàn)路放大并轉換為代表流量的電信號傳輸給積算儀表進(jìn)行積算，這樣就實(shí)現了流量的檢測和顯示。

    1.3 超聲波流量計測流原理

    時(shí)差式超聲波流量計的基本原理是采用時(shí)差法測量流速。如圖所示對于某一個(gè)聲路在上下游分別布置有兩只換能器P1和P2其間距為L(cháng)流體流速為vC為室溫下靜水中聲速在水流的作用下聲波正逆向傳播時(shí)間為T(mén)1和T2，水的流速與聲波正逆向。

    傳播時(shí)間差之間關(guān)系如下：

    式中：

    L為聲路長(cháng)；

    θ為聲波路徑與流向的夾角。

    2 超聲波流量計在黑河輸水渠道工程中的應用

    2.1 設備選型

    由于黑河輸水渠道運送的原水主要來(lái)自周至縣金盆水庫、眉縣石頭河水庫且水質(zhì)達到國家一類(lèi)標準，又因沿線(xiàn)輸水暗渠均為PCCP管道（混凝土預應力管），為了保證測量數據的精度，決定選用西安市蘭特水電測控技術(shù)有限責任公司生產(chǎn)的LCJ－1A型四聲路時(shí)差式超聲波流量計。

    2.2 設備配置及技術(shù)指標

    LCJ－1A型四聲路時(shí)差式超聲波流量計配置如下：

    超聲波流量計主機采用單片機結構，配備LCD顯示屏，顯示瞬時(shí)流量、累積流量、水深、各層流速，IP65防護等級。輸出信號：1路4－20mA模擬輸出和4路脈沖/繼電器輸出，一個(gè)RS232/RS485接口，可與計算機和PLC進(jìn)行通信和數據傳輸，流速測量范圍0.02～20m/s，測量精度可達±0.5%。

    2.3 流量計的安裝

    2.3.1 傳感器的安裝

    1）安裝地點(diǎn)：

    為保證渠道原水經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)候沿管軸平行流動(dòng)，必須在傳感器前設置一定的直管段。具體要求是要保證上游管段長(cháng)度大于10D（D為輸水渠道的內徑），下游大于5D。傳感器應該盡可能安裝在與水平直徑上下成45度的范圍內，避免在垂直位置安裝，傳感器安裝處應避開(kāi)PCCP管接口。

    2）安裝方式：

    傳感器必須采用Z方式安裝。具體安裝過(guò)程為：先將暗渠表面處理干凈，涂抹專(zhuān)用耦合劑，首先固定一個(gè)傳感器的位置，用紙帶量出管道周長(cháng)做好對折標記，在周長(cháng)二分之一處確定另一傳感器的位置，確定兩傳感器在軌道上的相對距離，保證超聲波有足夠的信號強度，讀數顯示穩定，儀表正常工作。

    2.3.2 主機安裝

    主機安裝主要是信號電纜（射頻電纜）和電源線(xiàn)的正確連接。信號電纜在鋪設時(shí)，電纜的兩頭應做出識別標記，以避免連接出錯。電源要保證供電電壓波動(dòng)在設備要求的范圍內，否則容易損壞主機。

    流量計與終端系統通過(guò)串口連接，系統組網(wǎng)結構利用固定IP地址，GPRS短信通訊方式，采用自報式結構傳輸數據流量，終端結構進(jìn)行數據自動(dòng)采集。

GSM卡信息統計表

    2.4 流量計的調試

    2.4.1 渠道公司調度中心

    調度中心調試流程：復查線(xiàn)路～檢查接地電阻～通電檢查～通話(huà)測試～狀態(tài)數據測試～雨量、水位數據測試～軟件功能測試～填寫(xiě)調試記錄。

    1）調試內容：

    接收機、接收軟件、外部數據匯總軟件和圖文一體化信息發(fā)布軟件的安裝，設備布局合理、安放位置安全合理。

    2）調試結果。

    2.4.2 黑河管理站

    黑河站調試流程：復查線(xiàn)路連接～測讀電池電壓、接地電阻～通電檢查～狀態(tài)數據測試～流量數據測試～填寫(xiě)調試記錄。

    1）復查線(xiàn)路連接：根據設備（儀器）連接線(xiàn)路圖，核對線(xiàn)路連接無(wú)交叉、雜亂現象，用手輕微晃動(dòng)接線(xiàn)端子，無(wú)松動(dòng)現象。

    2）測讀電池電壓、接地電阻：采用萬(wàn)用表測量電池電壓，蓄電池電壓正常范圍在11.5V~13.8V；交流電壓220V。

    3）通電檢查：開(kāi)機，通電檢查，指示燈正常點(diǎn)亮，吳異常雜音。

    4）狀態(tài)數據測試：根據測試要求，發(fā)送模擬狀態(tài)數據，與渠道公司調度中心核對數據接收成功率。

    5）填寫(xiě)調試記錄：調試過(guò)程中記錄檢測過(guò)程，記錄電池電壓、模擬數據發(fā)送記錄、設備的型號、出現問(wèn)題及處理措施等。

    2.4.3 系統聯(lián)調

    系統聯(lián)調的過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)系統整體測試的過(guò)程。將通過(guò)確認測試的軟件。

    作為整個(gè)基于計算機系統的一個(gè)元素，與計算機硬件、外設、某些支持軟件、數據和人員等其他系統因素結合在一起，在實(shí)際運行（使用）環(huán)境下，對整個(gè)系統進(jìn)行一系列的組裝測試和確認測試。

    一般包括：

    1）恢復測試：

    主要檢查系統的糾錯能力。當系統出錯時(shí)，能否在指定的時(shí)間間隔內修正錯誤并重新啟動(dòng)系統�；謴蜏y試首先要采用不同的方式強迫系統出現故障，然后驗證系統是否能盡快恢復。如果恢復是自動(dòng)的（由系統自身完成），則重新初始化、檢測點(diǎn)設置、數據恢復以及重新啟動(dòng)等都是對其正確的評價(jià)。若恢復需人工干預，則需要算出修復的平均時(shí)間，確定其是否在可接受的限制范圍內。

    2）安全性測試：

    系統的安全性測試是要檢驗系統中已存在的系統安全性、保密性措施是否發(fā)揮作用，有無(wú)漏洞。在安全測試過(guò)程中，測試人員應扮演非法入侵者，采用各種辦法試圖突破防線(xiàn)。如：想方設法截取或破譯口令；專(zhuān)門(mén)做軟件破壞系統的保護機制；故意導致系統失敗，企圖趁恢復之際非法進(jìn)入；試圖通過(guò)瀏覽非保密數據，推導所需信息等。系統安全設計的準則是使非法入侵的代價(jià)超過(guò)被保護信息的價(jià)值。

    3）強度測試：

    強度測試是要檢查在系統運行環(huán)境不正常到發(fā)生故障的情況下，系統可以運行到何種程度的測試。強度測試是在要求一個(gè)非正常數量、頻率或容量資源方式下運行一個(gè)系統。如定量地增長(cháng)數據輸入率，檢查輸入子功能的反映能力；運行需要最大的內存或其他資源的測試用例；運行可能導致虛擬操作系統崩潰或磁盤(pán)劇烈抖動(dòng)的測試用例等。

    4）性能測試：

    性能測試就是測試軟件在被組裝進(jìn)入環(huán)境下運行的性能，性能測試應該覆蓋測試過(guò)程的每一步。

    2.5 使用中出現的一些問(wèn)題及解決措施

    2.5.1 故障現象：瞬時(shí)流量計波動(dòng)大

    原因分析：信號強度波動(dòng)大；渠道內原水波動(dòng)大。

    解決措施：調整好探頭位置，提高信號強度，保證信號強度穩定，必要時(shí)需重新選擇測試點(diǎn)，確保前10D后5D的工況要求。

    2.5.2 故障現象：開(kāi)機無(wú)顯示

    原因分析：電源屬性與儀表額定值不對應或者保險絲燒斷。

    解決措施：檢查電源屬性是否與儀表額定值不對應，保險絲是否燒斷。如果無(wú)以上問(wèn)題，則通知廠(chǎng)家專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員前來(lái)處理。

    2.5.3 故障現象：開(kāi)機后LCD顯示屏僅有背光而無(wú)任何字符

    原因分析：程序芯片故障。解決措施：通知廠(chǎng)家專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員處理。

    2.5.4 故障現象：儀表在現場(chǎng)強干擾下無(wú)法使用

    原因分析：周?chē)�有變頻器或強磁場(chǎng)干擾或接地線(xiàn)不正確。解決措施：將儀表安裝遠離變頻器和強磁場(chǎng)干擾；規范設置接地線(xiàn)。

    3 結語(yǔ)

    通過(guò)以上分析，筆者認為L(cháng)CJ-1A型超聲波流量計具有測量精度高、安裝簡(jiǎn)便、運行穩定等特點(diǎn)，作為黑河輸水渠道工程遠程數據監控系統中的重要單元，實(shí)現了流量數據的實(shí)時(shí)傳送，完全滿(mǎn)足黑河輸水渠道原水流量監測工作的需要，為渠道工程管理部門(mén)對原水科學(xué)調度、流量數據監測發(fā)揮了關(guān)鍵作用。隨著(zhù)現代科技水平的迅猛發(fā)展，超聲波流量計必將在水利行業(yè)中得到廣泛的使用。