污水處理廠接收工業(yè)園區(qū)內(nèi)企業(yè)排放工業(yè)廢水的主管管徑一般在600mm以上，水質(zhì)污濁，成分復(fù)雜，流量變化大。針對此工況，流量計(jì)量在設(shè)選型時(shí)，要求測量儀表具有良好的耐腐蝕和大量程比。污水流量計(jì)量多采用渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)［1］或孔板流量計(jì)等，但此類流量計(jì)都需要將其傳感器安裝在管道內(nèi)［2］，壓損大、易磨損、壽命短，對渦流和速度分布敏感。實(shí)際應(yīng)用中常因傳感器被雜物覆蓋或纏繞而影響正常使用，無法提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)［3］。進(jìn)口超聲流量計(jì)因價(jià)格高、售后服務(wù)不及

時(shí)、安裝要求苛刻等因素，其應(yīng)用受到很大限制。在某市污水處理廠項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用了一種新型國產(chǎn)超聲波流量計(jì)，它具有準(zhǔn)確度高、量程大、無水頭損失、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)［4］，解決了精確計(jì)量的難題。

 

1、儀表測量原理

超聲波流量計(jì)是利用超聲波傳播的聲速差原理進(jìn)行測量（如圖1所示）。超聲波在流體中的傳播速度與流體流動(dòng)速度有關(guān)［5］，儀表通過測量超聲波沿介質(zhì)順向和逆向傳播的聲速差，算出介質(zhì)在現(xiàn)場的流速，進(jìn)而計(jì)算得出工作狀況下的流量，即：

式中：Q為流量，m3／h；L為傳感器間距離，m；t1為順流傳播時(shí)間，s；t2為逆流傳播時(shí)間，s；θ為超聲波與流體流向間的夾角；A為管道截面積，m2。

 

2、系統(tǒng)構(gòu)成及性能指標(biāo)

項(xiàng)目進(jìn)水管管徑為DN1200mm，設(shè)計(jì)采用了超聲流量計(jì)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用的超聲波流量計(jì)為V字型一次反射雙聲道分體型流量計(jì)，所選儀表口徑為DN1200mm，精度為0．5級，測量管材質(zhì)為碳鋼內(nèi)襯聚四氟乙烯。儀表主要由4部分組成：流量計(jì)表體、轉(zhuǎn)換器、壓力變送器（可選，用于補(bǔ)償）、溫度變送器（可選，用于補(bǔ)償）等，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于項(xiàng)目中進(jìn)水主管道流量測量點(diǎn)距離監(jiān)控中心較遠(yuǎn)，要求流量計(jì)具有現(xiàn)場顯示瞬時(shí)流量、累積流量、工作狀態(tài)等參數(shù)，歷史數(shù)據(jù)記錄、儲存，數(shù)據(jù)自動(dòng)檢查和檢驗(yàn)，運(yùn)行狀況診斷和故障報(bào)警等多項(xiàng)功能，其中非常主要的是要能夠?qū)⑿盘杺魉椭帘O(jiān)控中心。綜合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)選用的流量計(jì)采用RS485接口MODBUS協(xié)議，以主從問答方式將采集的信號以通訊模式上傳到監(jiān)控中心控制站。超聲波流量計(jì)通訊數(shù)據(jù)信息傳輸為異步方式，以字節(jié)為單位。主機(jī)（監(jiān)控中心控制站）和從機(jī)（流量計(jì)）之間傳遞的通訊信息使用11位字格式，位數(shù)分配如表1所示。

 

數(shù)據(jù)位（信息幀）采用地址碼＋功能碼＋數(shù)據(jù)區(qū)＋錯(cuò)誤校檢的格式，數(shù)據(jù)位格式及長度如表2所示。當(dāng)通訊命令由發(fā)送設(shè)備（主機(jī)）發(fā)送至接收設(shè)備（從機(jī)）時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的從機(jī)接收通訊命令，并根據(jù)功能碼及相關(guān)要求讀取信息，如果CRC校驗(yàn)無誤，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果（數(shù)據(jù)）返送給主機(jī)。返回的信息中包括地址碼、功能碼、執(zhí)行后的數(shù)據(jù)以及CRC校驗(yàn)碼。如果CRC校驗(yàn)出錯(cuò)，數(shù)據(jù)區(qū)就返回0x83。

3安裝與應(yīng)用

3．1安裝及注意事項(xiàng)

（1）周圍環(huán)境要求。環(huán)境溫度滿足－25～＋55℃，相對濕度小于85％；避免強(qiáng)振動(dòng)源，避免強(qiáng)電磁或電子干擾；儀表防護(hù)等級為IP68，可以安裝在儀表井內(nèi)。

（2）管道安裝要求。流量計(jì)的上、下游直管段分別為10D和5D［6］（雙向計(jì)量上、下游直管段均不少于10D）。測量介質(zhì)含有粉塵顆粒時(shí)，在表體上游30D之外的直管段位置加裝過濾器（過濾器為80目磁性過濾器）。表體吊裝時(shí)，利用在法蘭頂部位置的吊環(huán)，流量計(jì)表體的內(nèi)徑與直管段的內(nèi)徑一致，尺寸差值控制在公稱直徑的0．6%～1.0％，避免墊片突入管道。儀表測量管段內(nèi)腔清潔度，要求無油脂及灰塵，且要保證流經(jīng)儀表處介質(zhì)滿管。

（3）電源及接線。儀表電源采用UPS供電，電壓等級220VAC±10％，電源線纜為三芯1．5mm2電纜，數(shù)據(jù)通信線采用屏蔽線，線徑為1．5mm2。

（4）接地。儀表外殼在安裝地點(diǎn)就近單獨(dú)接地，接地電阻小于4Ω。接地棒打入潮濕的地下75cm以上，與其他接地棒或金屬導(dǎo)體相距10cm以上。接地線的地上部分用護(hù)套管套住，防止與其他金屬或接地線相接觸，信號電纜屏蔽層在流量計(jì)側(cè)接地。

（5）溫度、壓力變送器安裝。溫度變送器安裝在流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)短截（表體）的下游遠(yuǎn)離表體約3D～4D（單向流）或5D～9D（雙向流）的位置；壓力變送器安裝在流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)短截上。

（6）轉(zhuǎn)換器安裝。儀表安裝于空曠場地，轉(zhuǎn)換器安裝在專門的支架上，將轉(zhuǎn)換器外殼與支架聯(lián)結(jié)牢固，以起到有效防雷擊作用；同時(shí)在接線端配置儀表側(cè)防浪涌保護(hù)器。

 

3．2性能比較與實(shí)際應(yīng)用效果

超聲波流量計(jì)安裝完成后，經(jīng)調(diào)試、聯(lián)運(yùn)及投產(chǎn)運(yùn)行的多次測試，均達(dá)到了精度要求，性能優(yōu)良。

（1）不同類型流量計(jì)比較。雙聲道超聲流量計(jì)具有測量精準(zhǔn)、量程比寬、運(yùn)行穩(wěn)定、工作壓力低、壓力變化范圍廣、抗干擾性強(qiáng)、維護(hù)量少、安裝方便等明顯優(yōu)勢，是一種比較理想的節(jié)能型流量計(jì)，在大管徑流量測量方面更具優(yōu)越性［7］。不同類型流量計(jì)性能對比如表3所示。

（2）與國外同類產(chǎn)品對比。當(dāng)前進(jìn)口超聲流量計(jì)未得到廣泛使用的主要原因是： 價(jià)格高（隨口徑不同， 價(jià)格區(qū)間在十幾萬至幾十萬元人民幣）； 儀表使用所要滿足的壓力底限值大（通常要求介質(zhì)壓力不低于 500 kPa ）， 在低壓條件下無法正常使用；安裝要求苛刻， 對國內(nèi)一些特殊地域或工況適應(yīng)性差。 另外， 進(jìn)口超聲流量計(jì)的技術(shù)服務(wù)費(fèi)也非常昂貴， 售后服務(wù)響應(yīng)時(shí)間長， 零部件訂貨周期長。

 

針對國外產(chǎn)品的眾多弊端， 選用該國產(chǎn)流量計(jì)使問題得到了解決。 自項(xiàng)目竣工投產(chǎn)以來， 流量計(jì)性能指標(biāo)滿足用戶的預(yù)期使用要求， 儀表本身自帶故障診斷功能和開放的通訊協(xié)議， 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)更加方便。

 

4 結(jié)語

雙聲道超聲波流量計(jì)投用后， 各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 大大提升了計(jì)量精度和復(fù)現(xiàn)性， 提高了輸差原因分析的科學(xué)性， 同時(shí)降低了維護(hù)成本。 與同類產(chǎn)品相比， 在相同的工況下， 系統(tǒng)性價(jià)比突出。 實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)表明， 設(shè)計(jì)采用的超聲波流量計(jì)， 具有測流費(fèi)用少、 運(yùn)行穩(wěn)定、 準(zhǔn)確度高、 操作簡單、 不破壞流場、 沒有壓力損失、 不影響系統(tǒng)中其他設(shè)備正常工作等優(yōu)點(diǎn)， 特別適合大口徑高精度要求下的污水計(jì)量及終端用戶貿(mào)易結(jié)算。