时差式超声波流量计在黑河输水渠道工程的应用

    黑河输水渠道工程自黑峪口蔺家湾汇流池起，向东沿秦岭北麓，经周至县户县长安区雁塔区到曲江水厂南郊水厂渠首与渠尾落差49.7米，采用重力自流供水，渠道全长125公里，最大设计流量14立方米/秒，渠道日供水量最大为110万立方米，该工程为西安建设国际化大都市提供了有力的保障，是西安市人民的“生命线工程”。

    科学调水离不开对原水流量的精确测量，及时准确的掌握渠道供水流量数据，对于供水企业进行科学管理、成本核算是十分重要的。

    随着电子、信号处理、信息编码技术的迅猛发展，超声波流量计被广泛的使用在大型水利工程中，黑河输水渠道工程便是其中之一。

    本文就对时差式超声波流量计的原理及其在黑河输水渠道的应用进行简要的论述。

    1 时差式超声波流量计的原理

    1.1 超声波信号的产生原理

    利用流量计上压电换能器的压电效应，发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生振动，继而在流体中产生超声波，超声波在流体中传播然后由接受换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，接收换能器则是利用压电效应。

    1.2 超声波流量计的构成原理

    超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能信号转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号传输给积算仪表进行积算，这样就实现了流量的检测和显示。

    1.3 超声波流量计测流原理

    时差式超声波流量计的基本原理是采用时差法测量流速。如图所示对于某一个声路在上下游分别布置有两只换能器P1和P2其间距为L流体流速为vC为室温下静水中声速在水流的作用下声波正逆向传播时间为T1和T2，水的流速与声波正逆向。

    传播时间差之间关系如下：

    式中：

    L为声路长；

    θ为声波路径与流向的夹角。

    2 超声波流量计在黑河输水渠道工程中的应用

    2.1 设备选型

    由于黑河输水渠道运送的原水主要来自周至县金盆水库、眉县石头河水库且水质达到国家一类标准，又因沿线输水暗渠均为PCCP管道（混凝土预应力管），为了保证测量数据的精度，决定选用西安市兰特水电测控技术有限责任公司生产的LCJ－1A型四声路时差式超声波流量计。

    2.2 设备配置及技术指标

    LCJ－1A型四声路时差式超声波流量计配置如下：

    超声波流量计主机采用单片机结构，配备LCD显示屏，显示瞬时流量、累积流量、水深、各层流速，IP65防护等级。输出信号：1路4－20mA模拟输出和4路脉冲/继电器输出，一个RS232/RS485接口，可与计算机和PLC进行通信和数据传输，流速测量范围0.02～20m/s，测量精度可达±0.5%。

    2.3 流量计的安装

    2.3.1 传感器的安装

    1）安装地点：

    为保证渠道原水经过传感器时候沿管轴平行流动，必须在传感器前设置一定的直管段。具体要求是要保证上游管段长度大于10D（D为输水渠道的内径），下游大于5D。传感器应该尽可能安装在与水平直径上下成45度的范围内，避免在垂直位置安装，传感器安装处应避开PCCP管接口。

    2）安装方式：

    传感器必须采用Z方式安装。具体安装过程为：先将暗渠表面处理干净，涂抹专用耦合剂，首先固定一个传感器的位置，用纸带量出管道周长做好对折标记，在周长二分之一处确定另一传感器的位置，确定两传感器在轨道上的相对距离，保证超声波有足够的信号强度，读数显示稳定，仪表正常工作。

    2.3.2 主机安装

    主机安装主要是信号电缆（射频电缆）和电源线的正确连接。信号电缆在铺设时，电缆的两头应做出识别标记，以避免连接出错。电源要保证供电电压波动在设备要求的范围内，否则容易损坏主机。

    流量计与终端系统通过串口连接，系统组网结构利用固定IP地址，GPRS短信通讯方式，采用自报式结构传输数据流量，终端结构进行数据自动采集。

GSM卡信息统计表

    2.4 流量计的调试

    2.4.1 渠道公司调度中心

    调度中心调试流程：复查线路～检查接地电阻～通电检查～通话测试～状态数据测试～雨量、水位数据测试～软件功能测试～填写调试记录。

    1）调试内容：

    接收机、接收软件、外部数据汇总软件和图文一体化信息发布软件的安装，设备布局合理、安放位置安全合理。

    2）调试结果。

    2.4.2 黑河管理站

    黑河站调试流程：复查线路连接～测读电池电压、接地电阻～通电检查～状态数据测试～流量数据测试～填写调试记录。

    1）复查线路连接：根据设备（仪器）连接线路图，核对线路连接无交叉、杂乱现象，用手轻微晃动接线端子，无松动现象。

    2）测读电池电压、接地电阻：采用万用表测量电池电压，蓄电池电压正常范围在11.5V~13.8V；交流电压220V。

    3）通电检查：开机，通电检查，指示灯正常点亮，吴异常杂音。

    4）状态数据测试：根据测试要求，发送模拟状态数据，与渠道公司调度中心核对数据接收成功率。

    5）填写调试记录：调试过程中记录检测过程，记录电池电压、模拟数据发送记录、设备的型号、出现问题及处理措施等。

    2.4.3 系统联调

    系统联调的过程实际上就是一个系统整体测试的过程。将通过确认测试的软件。

    作为整个基于计算机系统的一个元素，与计算机硬件、外设、某些支持软件、数据和人员等其他系统因素结合在一起，在实际运行（使用）环境下，对整个系统进行一系列的组装测试和确认测试。

    一般包括：

    1）恢复测试：

    主要检查系统的纠错能力。当系统出错时，能否在指定的时间间隔内修正错误并重新启动系统。恢复测试首先要采用不同的方式强迫系统出现故障，然后验证系统是否能尽快恢复。如果恢复是自动的（由系统自身完成），则重新初始化、检测点设置、数据恢复以及重新启动等都是对其正确的评价。若恢复需人工干预，则需要算出修复的平均时间，确定其是否在可接受的限制范围内。

    2）安全性测试：

    系统的安全性测试是要检验系统中已存在的系统安全性、保密性措施是否发挥作用，有无漏洞。在安全测试过程中，测试人员应扮演非法入侵者，采用各种办法试图突破防线。如：想方设法截取或破译口令；专门做软件破坏系统的保护机制；故意导致系统失败，企图趁恢复之际非法进入；试图通过浏览非保密数据，推导所需信息等。系统安全设计的准则是使非法入侵的代价超过被保护信息的价值。

    3）强度测试：

    强度测试是要检查在系统运行环境不正常到发生故障的情况下，系统可以运行到何种程度的测试。强度测试是在要求一个非正常数量、频率或容量资源方式下运行一个系统。如定量地增长数据输入率，检查输入子功能的反映能力；运行需要最大的内存或其他资源的测试用例；运行可能导致虚拟操作系统崩溃或磁盘剧烈抖动的测试用例等。

    4）性能测试：

    性能测试就是测试软件在被组装进入环境下运行的性能，性能测试应该覆盖测试过程的每一步。

    2.5 使用中出现的一些问题及解决措施

    2.5.1 故障现象：瞬时流量计波动大

    原因分析：信号强度波动大；渠道内原水波动大。

    解决措施：调整好探头位置，提高信号强度，保证信号强度稳定，必要时需重新选择测试点，确保前10D后5D的工况要求。

    2.5.2 故障现象：开机无显示

    原因分析：电源属性与仪表额定值不对应或者保险丝烧断。

    解决措施：检查电源属性是否与仪表额定值不对应，保险丝是否烧断。如果无以上问题，则通知厂家专业技术人员前来处理。

    2.5.3 故障现象：开机后LCD显示屏仅有背光而无任何字符

    原因分析：程序芯片故障。解决措施：通知厂家专业技术人员处理。

    2.5.4 故障现象：仪表在现场强干扰下无法使用

    原因分析：周围有变频器或强磁场干扰或接地线不正确。解决措施：将仪表安装远离变频器和强磁场干扰；规范设置接地线。

    3 结语

    通过以上分析，笔者认为LCJ-1A型超声波流量计具有测量精度高、安装简便、运行稳定等特点，作为黑河输水渠道工程远程数据监控系统中的重要单元，实现了流量数据的实时传送，完全满足黑河输水渠道原水流量监测工作的需要，为渠道工程管理部门对原水科学调度、流量数据监测发挥了关键作用。随着现代科技水平的迅猛发展，超声波流量计必将在水利行业中得到广泛的使用。