污水處理廠接收工業園區內企業排放工業廢水的主管管徑一般在600mm以上，水質污濁，成分復雜，流量變化大。針對此工況，流量計量在設選型時，要求測量儀表具有良好的耐腐蝕和大量程比。污水流量計量多采用渦輪流量計、電磁流量計［1］或孔板流量計等，但此類流量計都需要將其傳感器安裝在管道內［2］，壓損大、易磨損、壽命短，對渦流和速度分布敏感。實際應用中常因傳感器被雜物覆蓋或纏繞而影響正常使用，無法提供準確數據［3］。進口超聲流量計因價格高、售后服務不及

時、安裝要求苛刻等因素，其應用受到很大限制。在某市污水處理廠項目設計中采用了一種新型國產超聲波流量計，它具有準確度高、量程大、無水頭損失、安裝方便等優點［4］，解決了精確計量的難題。

 

1、儀表測量原理

超聲波流量計是利用超聲波傳播的聲速差原理進行測量（如圖1所示）。超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關［5］，儀表通過測量超聲波沿介質順向和逆向傳播的聲速差，算出介質在現場的流速，進而計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為順流傳播時間，s；t2為逆流傳播時間，s；θ為超聲波與流體流向間的夾角；A為管道截面積，m2。

 

2、系統構成及性能指標

項目進水管管徑為DN1200mm，設計采用了超聲流量計。項目設計采用的超聲波流量計為V字型一次反射雙聲道分體型流量計，所選儀表口徑為DN1200mm，精度為0．5級，測量管材質為碳鋼內襯聚四氟乙烯。儀表主要由4部分組成：流量計表體、轉換器、壓力變送器（可選，用于補償）、溫度變送器（可選，用于補償）等，結構如圖2所示。

由于項目中進水主管道流量測量點距離監控中心較遠，要求流量計具有現場顯示瞬時流量、累積流量、工作狀態等參數，歷史數據記錄、儲存，數據自動檢查和檢驗，運行狀況診斷和故障報警等多項功能，其中非常主要的是要能夠將信號傳送至監控中心。綜合實際需求，設計選用的流量計采用RS485接口MODBUS協議，以主從問答方式將采集的信號以通訊模式上傳到監控中心控制站。超聲波流量計通訊數據信息傳輸為異步方式，以字節為單位。主機（監控中心控制站）和從機（流量計）之間傳遞的通訊信息使用11位字格式，位數分配如表1所示。

 

數據位（信息幀）采用地址碼＋功能碼＋數據區＋錯誤校檢的格式，數據位格式及長度如表2所示。當通訊命令由發送設備（主機）發送至接收設備（從機）時，符合相應地址碼的從機接收通訊命令，并根據功能碼及相關要求讀取信息，如果CRC校驗無誤，則執行相應的任務，然后把執行結果（數據）返送給主機。返回的信息中包括地址碼、功能碼、執行后的數據以及CRC校驗碼。如果CRC校驗出錯，數據區就返回0x83。

3安裝與應用

3．1安裝及注意事項

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

（2）管道安裝要求。流量計的上、下游直管段分別為10D和5D［6］（雙向計量上、下游直管段均不少于10D）。測量介質含有粉塵顆粒時，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，利用在法蘭頂部位置的吊環，流量計表體的內徑與直管段的內徑一致，尺寸差值控制在公稱直徑的0．6%～1.0％，避免墊片突入管道。儀表測量管段內腔清潔度，要求無油脂及灰塵，且要保證流經儀表處介質滿管。

（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，數據通信線采用屏蔽線，線徑為1．5mm2。

（4）接地。儀表外殼在安裝地點就近單獨接地，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體相距10cm以上。接地線的地上部分用護套管套住，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側接地。

（5）溫度、壓力變送器安裝。溫度變送器安裝在流量計標準短截（表體）的下游遠離表體約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標準短截上。

（6）轉換器安裝。儀表安裝于空曠場地，轉換器安裝在專門的支架上，將轉換器外殼與支架聯結牢固，以起到有效防雷擊作用；同時在接線端配置儀表側防浪涌保護器。

 

3．2性能比較與實際應用效果

超聲波流量計安裝完成后，經調試、聯運及投產運行的多次測試，均達到了精度要求，性能優良。

（1）不同類型流量計比較。雙聲道超聲流量計具有測量精準、量程比寬、運行穩定、工作壓力低、壓力變化范圍廣、抗干擾性強、維護量少、安裝方便等明顯優勢，是一種比較理想的節能型流量計，在大管徑流量測量方面更具優越性［7］。不同類型流量計性能對比如表3所示。

（2）與國外同類產品對比。當前進口超聲流量計未得到廣泛使用的主要原因是： 價格高（隨口徑不同， 價格區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， 對國內一些特殊地域或工況適應性差。 另外， 進口超聲流量計的技術服務費也非常昂貴， 售后服務響應時間長， 零部件訂貨周期長。

 

針對國外產品的眾多弊端， 選用該國產流量計使問題得到了解決。 自項目竣工投產以來， 流量計性能指標滿足用戶的預期使用要求， 儀表本身自帶故障診斷功能和開放的通訊協議， 在實際應用時更加方便。

 

4 結語

雙聲道超聲波流量計投用后， 各項性能指標均達到設計要求， 大大提升了計量精度和復現性， 提高了輸差原因分析的科學性， 同時降低了維護成本。 與同類產品相比， 在相同的工況下， 系統性價比突出。 實際應用數據表明， 設計采用的超聲波流量計， 具有測流費用少、 運行穩定、 準確度高、 操作簡單、 不破壞流場、 沒有壓力損失、 不影響系統中其他設備正常工作等優點， 特別適合大口徑高精度要求下的污水計量及終端用戶貿易結算。