用于水资源监测能力建设项目的流量传感器介绍与分析

常　亮

(四川省水文水资源勘测局，四川 成都　610036)

用于水资源监测能力建设项目的流量传感器介绍与分析

常亮

(四川省水文水资源勘测局，四川 成都610036)

摘要：为落实最严格的水资源管理制度，目前全国各地均在进行针对企业及生活用水户水资源取用水量在线监测的信息化建设。对两种用于水资源取用水量在线监测的水量传感器从工作原理、性能特点、安装方式等几个方面进行了阐述与比对，分析了其优缺点及适用性。

关键词：水资源；取水量；传感器；分析

2011年，中共中央《关于加快水利改革发展的决定》明确提出了实行最严格的水资源管理制度，要求“加强水量水质监测能力建设，为强化监督考核提供技术支持”。全国各地均在积极推动水资源监测能力建设项目，以实现水资源取水量监测的自动化、信息化。

流量传感器是实现水量在线监测的重要设备。目前用于水资源监测能力建设项目中的流量传感器主要有电磁式和超声式两种。笔者就这两种传感器进行了对比分析。

1电磁式流量传感器

1.1工作原理

电磁流量传感器按其结构和安装形式又分为管段式和插入式。两种形式的电磁流量传感器均根据法拉第电磁感应定律设计。

管段式电磁流量传感器外形为一段测量管道，管道圆周内安装有电磁线圈，测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装有一对检测电极，当导电液体在测量管交变磁场中与磁力线成垂直方向运动时，导电液体切割磁力线感应出一个与平均流速成正比的电压，此感应电压由测量管上的两个检测电极检出其感应电压U为：

U=D·B·V·K

式中D为测量管的内径 ；B为磁感应强度；V为测量管截面内的平均流速；K为仪表常数。

插入式电磁流量传感器外形为针式圆柱体，圆柱体内含两个电磁线圈。测量时，测量管道内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时会产生感应电压,其由管道内部的两个电极检出，为：

U=K·B·L·V

式中L为导体长度。对插入式电磁流量传感器来说，管路中导电的液体就是在磁场中运动的导体，两电极间的距离就是导体的长度L。

1.2性能及特点

(1)两种形式均采用整体焊接结构，密封性能良好，结构简单可靠；其安装对输水管道几乎无压力损失，工作寿命长；测量精度可达1级，且测量精度均不受被测介质的压力、温度、密度(包括固液比)、粘度等物理参数变化的影响；数据输出形式为4-20mA或RS-485。

(2)管段式传感器无截流部件，从而不会对流体流动产生堵塞。

(3)插入式传感器能够在不断流的情况下进行安装与拆卸。

1.3安装条件

两种形式的电磁流量传感器均需安装在便于维修、管道无振动、无强电磁干扰和热辐射影响的场所。由于电磁流量传感器对管道内流速分布畸变及旋转流敏感，因此，进入传感器的流体应为充分发展的管流，因此要根据传感器上游侧阻流件类型配备必要的直管段或流动调整器，若上游侧阻流件情况不明确，一般推荐前置直管段为5D(D为管道的直径)，后置直管段为3D；若安装空间不能满足上述要求，可在阻流件与传感器之间安装流动调整器。

2时差法超声波流量传感器

2.1工作原理

超声波在流动的流体中传播时会加载流体流速的信息，因此，通过接收到的超声波就可以检测出流体并换算成流量。该传感器一般有两个声电换能器并分别安装于一段输水直管的上下游，由上下游换能器分别发、收超声波。由于超声波传播时与水流速度的矢量叠加，故超声波下行与上行所花费的时间不同且得到的时差数值与水流速度成正比，因此，根据时差可以计算出管道内的水流速度。采用时差法测量流体流量的原理见图1。

图1　时差法测量流体流量原理图

换能器A、B成对安装在管道的两侧，交替发射和接受超声波信号。若传感器B沿顺流方向发射超声波，将超声信号由B顺流传播到A所需的时间设为t1；再从传感器A沿逆流方向发射超声波，将超声波传播到B所需的时间设为t2，则有：

t1=lp/(c+vp),t2=lp(c-vp),vp=v·cosθ

式中lp为声波传播路径长度；c为声波在静止液体中的传播速度；v为液体沿管道轴向的速度；vp为流体在声道方向的速度分量；θ为声波传播方向与管道轴线之间的夹角。

由上述公式可知：只要测得t1与t2，即可计算出液体沿管道轴向的速度v，以及流体的瞬时流量和累计流量。

2.2性能及特点

(1)时差法超声波流量传感器按其安装方式可分为外夹式和插入式两种。两种安装形式均能够在不断流的情况下进行安装与拆卸。

(2)测量精度可达1级。测量精度不受被测介质压力、温度、密度(包括固液比)、粘度等物理参数变化的影响。

(3)数据输出形式为4-20 mA或RS-485。

2.3安装条件

两种安装形式的传感器均可不停水安装，被安装的管道内必须完全充满介质。为保障测量精度，必须在确定安装管道材质、壁厚等表体参数并精确确定换能器安装距离后，方能进行换能器的安装。同时，为保障不受介质扰动产生的乱流和气泡影响，安装前，必须确定管道是否满足直管段前10D、后5D的安装距离。

3结语

(1)以上两类、四种形式的传感器均能够测量有悬浮物、固体颗粒和纤维等两相流，可适用于水资源取水量的在线监测。

(2)鉴于管段式电磁流量传感器的测量是以整个管道断面流速为依据，因此，其具有的优点在于流量测验精度较高，但其造价较高且价格随管道直径增大而增加。同时，管段式传感器是作为输水管路的一部分加入到输水系统中的，从而造成其安装时必须停水操作，给实际应用带来了不便。

(3)插入式电磁流量传感器具有安装方便、对安装工作面要求极低(仅需极小的传感器安装面)、可以带(水)压安装等特点，可应用于已建输水系统、不便停水安装的情况，其造价较管段式电磁流量传感器低。但由于插入式传感器是以检测断面的局部流速为依据的，用其来推求全断面流速时，其局部流速与断面流速的相关程度直接影响到该类传感器测验的准确性，因此，其测验精度受安装及参数调试的影响较大。安装插入式传感器时，对其前后管道的直管长度、插入深度和运行前的率定要求均较高，从而给其的广泛应用带来不利影响。

(4)外夹式超声波流量传感器无需对输水管道进行机械加工，可利用其管壁透声的特点，将换能器外夹于输水管壁即可实现流速测验。但由于该类传感器必须用于透声管道且管壁对超声波存在严重衰减，以及超声波在管道内传输时需要有较光滑的水管内壁，因此，外夹式传感器一般应用

于管道声学条件较好、管径较小且所处环境电磁干扰较小的输水管道。

(5)插入式超声流量传感器很好地解决了外夹式传感器存在的固有缺陷，该传感器需要在监测管道的适当部位钻孔，将两个换能器插入与水直接形成声耦合，从而大大提高了超声波的传输效率，适用于大管径和管壁透声性不良的输水管道。由于其采用了特殊的安装工艺，因此亦可以实现不断水和带(水)压操作。当管道直径很大时，可以采用在同一管道上安装多对超声波传感器的安装方式以实现同时多路测流，可提高测验的精准度。

因此，在具体实施过程中，应根据建设项目的具体情况，选择适宜的流量传感器，以发挥其最大效能。

常亮(1982-)，男，青海西宁人，工程师，学士，从事水文基础设施建设技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

收稿日期:2014-12-11

文章编号:1001-2184(2015)03-0090-02

文献标识码:B

中图分类号:TK71+2；TV211.1+1;TV213;TV213.9

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