流量傳感器在水資源監(jiān)測能力建設的應用探討

韋汀貴

（廣西武水工程設計咨詢有限公司，廣西南寧 530000）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和經(jīng)濟的發(fā)展，水資源的需求量越來越大。水資源是人類生活不可或缺的物質(zhì)基礎。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的水資源管理也步入了新的發(fā)展階段。為準確把握水資源動態(tài)、保障用水安全和社會發(fā)展的需求，對水資源進行了全面、系統(tǒng)的監(jiān)測。在全國各地，都有大量的水庫、江河站點，以保證水資源的安全，改善水資源的管理。同時水資源是人類生存和發(fā)展的重要基礎，然而隨著人口增長、氣候變化和環(huán)境污染等因素的不斷加劇，水資源的安全性和可持續(xù)性受到了極大的威脅，因此建立水資源監(jiān)測能力成為保障水資源安全的關鍵。

廣西水資源的監(jiān)測還存在著很多問題，根據(jù)這些問題，本文從儀器的角度，對流量傳感器的應用進行了研究。流量傳感器是實現(xiàn)實時水量控的關鍵設備。在水資源監(jiān)控能力建設工程中，目前應用的流量傳感器有兩類：電磁流量計和超聲波流量計。本文對這兩種類型的傳感器進行了比較和分析。

1 水資源監(jiān)測現(xiàn)狀存在的問題

1.1 水資源監(jiān)測系統(tǒng)不完善

目前，我國水資源監(jiān)測體系尚不健全，在許多方面仍有不足之處，例如，建立了不合理的水情監(jiān)測點、沒有設立專業(yè)的測報機構、測報設備不健全等。鑒于其重要性，政府在水資源的監(jiān)督管理上下了很大的功夫。然而，由于對水資源的監(jiān)控投資十分有限，使得對水資源的監(jiān)控工作很難進行。與此同時，我國的水資源保護意識尚未形成。盡管我國已經(jīng)出臺了有關的法律、法規(guī)來維護水環(huán)境，但在水資源的環(huán)境保護上，仍然存在著監(jiān)管不力的問題，例如，水資源的浪費、水資源費不能按量足額征收等問題。因此，對水資源的監(jiān)督力度還有很大的提升空間[1]。

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和相關行業(yè)的快速發(fā)展，人們越來越關注水的問題，但目前尚無一個清晰的規(guī)范和有效的管理手段。由于缺少有效的監(jiān)督、管理，有關部門難以有效地監(jiān)控水質(zhì)，造成富營養(yǎng)化、缺氧等問題。此外，由于沒有對水環(huán)境進行有效的監(jiān)督和控制，導致一些地區(qū)出現(xiàn)了水污染問題，未及時采取相應的應急措施，導致了嚴重的后果。

為此，必須加強對水資源環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)督的建設和重視，改善和完善監(jiān)測體系。

1.2 缺少先進的儀器設備和先進的管理方法

目前，我國水資源的監(jiān)測與管理仍處于手工監(jiān)測的狀態(tài)，缺乏現(xiàn)代化的檢測手段。許多工作人員在進行水資源監(jiān)測時，往往無法準確地進行數(shù)據(jù)分析，更別提使用現(xiàn)代儀器進行數(shù)據(jù)分析。這使得我國的水資源監(jiān)測工作質(zhì)量不高，難以對全國的水環(huán)境進行科學的監(jiān)測。同時，隨著科學技術的發(fā)展，人們對水質(zhì)的要求越來越高，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法也越來越不適應。為此，必須加強對水資源的自動監(jiān)控技術和儀器的研制，以減少人工觀測的困難。同時將自動測量技術、人工智能技術與信息技術有機地結(jié)合起來，使我國的水資源管理工作能夠達到自動化的目的。

2 水資源監(jiān)測能力建設中流量傳感器的具體應用

2.1 電磁式流量傳感器

2.1.1 工作原理

根據(jù)其結(jié)構和安裝方式，可將其分為管段式和插入式兩種。這兩種類型都是按照法拉第電磁感應原理來設計的。

管段型電磁流量傳感器的外型是一段測量管，其周邊裝有一對探測電極，該探測電極與測量管的軸心和磁場磁力線互相垂直的管壁上裝有一對探測電極，在該測量管的交流磁場中，該導電液體與磁力線成豎直的方向移動時，該電流通過該電流感應電流產(chǎn)生一個與該電流速度成比例的電壓，該感應電壓U 是：

式中：D——被測管子的內(nèi)徑；B——感應磁場的強度；V——在管子橫斷面上的平均速度；K——儀器的恒定值。

插入式電磁流量計的外型是一種帶有兩個電磁線圈的針狀圓筒。在法拉第實驗中，測量管中的導體材料是由兩根在上、下兩端的電磁線圈構成的。在管子中有兩個電極檢測到的傳導介質(zhì)流動時，會產(chǎn)生一個感應電壓，該電壓是：

式中：L——導線的長度。對于插入式EMI，管道內(nèi)的導電流體即為在磁場中移動的導體，兩個電極之間的間距即為導線長度L。

2.1.2 性能及特點

（1）兩種型式都是整體式焊接，具有優(yōu)良的密封性和結(jié)構簡單、可靠性；它的安裝對管道的壓力損失小，使用壽命長；該方法的測量精度達到1 級，并且不會受到介質(zhì)的壓力、溫度、密度（包括固-液比率）等物理參數(shù)的影響；數(shù)據(jù)的輸出可以是4～20mA，也可以是RS-485。

（2）管段傳感器沒有阻流元件，因此不會阻塞液體的流量。

（3）插入式傳感器可以安裝和拆卸而不會斷電。

2.1.3 安裝條件

這兩種類型的電磁流量傳感器必須安裝在便于維護、管道不振動、不受強電磁干擾、不受熱輻射影響的地方。因為電磁流量傳感器對管內(nèi)流速分布和旋轉(zhuǎn)流的影響較大，所以，在傳感器中引入的液體必須是完全發(fā)育的管流，所以必須按照換能器的上游側(cè)的阻流件類型來配置所需的直管節(jié)或流調(diào)器，如果上游的阻流件狀況不清楚，則建議采用5D，后直管為3D；如果安裝空間達不到以上的要求，可以將流量調(diào)節(jié)器安裝在阻流片和傳感器之間[2]。

2.2 時差法超聲波流量傳感器

2.2.1 工作原理

超聲波在流體中傳播時，會把液體的流速信息加載進去，所以超聲波就能對液體進行探測，并將其轉(zhuǎn)換為流量。這種傳感器通常裝有兩個聲電式換能器，分別裝在一段水直管的上游和下游，通過上下兩個換能器分別發(fā)送和接收超聲波。由于超聲波在傳播過程中會與水流的流速進行矢量疊加，所以在下潛和上潛過程中所用的時間是不同的，而所得的時差與水流的流速是直接相關的。

傳感器A、B 成對地安裝在導管的兩邊，它們交替地發(fā)出和接收超聲信號。當傳感器B 在順流方向上發(fā)出超聲波，在t1表示從B 到A 的超聲波信號需要在t1處，然后在通道流動方向上從傳感器A 發(fā)出超聲波，在t2處需要用到超聲波。

式中，lp——聲波的傳播通道的長度；c——靜流體中聲波的傳播速率；v——沿著管子的軸線方向上的液體的流速；vp——聲道的液體的速度成分；θ——聲波在管道中的傳播方向與管道軸線的角度。

從上面的公式可以看出，只要測量t1和t2，就可以求出液體在管道的軸向方向上的流速，以及流體的瞬間和累積的流速。

2.2.2 性能及特點

（1）根據(jù)不同的安裝方法，時間差法超聲波流量傳感器可以分為兩類：外夾式和插入式。兩種安裝方式都可以不間斷地進行安裝和拆卸。

（2）該方法具有1 級的精確度。實驗結(jié)果表明，測量結(jié)果與實驗介質(zhì)壓力、溫度、密度（包括固-液比率）等物理參數(shù)的變化無關。

（3）以4～20mA 或RS-485 的方式輸出數(shù)據(jù)[3]。

2.2.3 安裝條件

兩種安裝方式的傳感器都可以不停地安裝，并且在所安裝的管線中要充分地填充介質(zhì)。為了保證測量的準確性，需要在確定管道安裝材料、壁厚等表體參數(shù)以及準確地確定傳感器安裝距離之后才能進行安裝。為了保證在安裝前不會受到介質(zhì)干擾而造成的湍流和氣泡的干擾，在安裝前，應先確定管線的前10d 和后5d的安裝距離。

2.3 對兩種傳感器的總結(jié)

（1）上述幾種類型的傳感器都可以實現(xiàn)對兩相流動的檢測，如懸浮物、固體顆粒、纖維等，適合于對水資源的實時監(jiān)測。

（2）由于管段電磁流量計的測量是基于全管線的流速，所以它的測量精度高，但是成本高，而且隨著管徑的增加，成本也會隨之增加。同時，由于管道段傳感器是作為管道的一部分被加入供水系統(tǒng)中，因此在安裝過程中需要停水，這對實際使用帶來了一定的不便。

（3）插入式電磁流量傳感器的優(yōu)點是安裝容易，對安裝面的要求非常低（只需要很少的傳感器安裝表面），能進行水壓安裝，適用于不能進行停水安裝的已建成供水系統(tǒng)。

插入式電磁流量傳感器是一種可以直接安裝在管道中測量流量的設備，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、維護方便等特點，被廣泛應用于水資源監(jiān)測能力建設中。在水資源監(jiān)測中，插入式電磁流量傳感器主要應用于以下兩個方面。

水資源調(diào)度：通過實時監(jiān)測管道中的水流量，可以及時掌握供水量和用水量，從而為水資源的合理調(diào)度提供依據(jù)。當管道中的水流量超出預設的范圍時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，以便及時處理問題。

水質(zhì)監(jiān)測：通過插入式電磁流量傳感器的測量，可以獲取水流速、流量和水溫等數(shù)據(jù)，從而判斷水質(zhì)的變化情況。當水質(zhì)異常時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，以便及時采取措施。

（4）采用外夾型超聲流量傳感器，不需要對輸水管進行機械加工，可以利用其管壁的透聲特性，將其外包于管道內(nèi)，從而達到測量流體速度的目的。但是，由于這種傳感器必須用于管道的透聲、管壁對超聲波的衰減很大，而在管路中進行超聲傳遞時，需要有較平滑的管壁，所以，采用外夾式傳感器通常適用于管道聲學條件較好、管徑較小、受環(huán)境電磁干擾較少的情況下。在水資源利用效率評估上可以通過外外夾型超聲流量傳感器的測量，獲取管道中水的流量和水溫等數(shù)據(jù)，從而評估供水管道的運行效率。

（5）插入式超聲流量傳感器克服了外夾式超聲波流量計的固有缺點，適合于管徑較大、管壁較差的輸水管。由于它具有獨特的安裝過程，所以也能達到不停水和帶（水壓）作業(yè)。隨著外夾式超聲波流量計的應用，發(fā)現(xiàn)其存在傳感器安裝使用鋼帶（索）或其他型式（如磁性夾緊座）等固定，傳感器容易移位，耦合劑會流失，傳感器探頭的距離等問題，對儀表示值造成很大的誤差，有時會更加嚴重。此外管道直徑太大都會引起超聲波信號的大幅度衰減，嚴重時無法計量。鑒于外夾式超聲波流量計存在的上述問題，在生活水、過濾水和低硅膠水管線上改為插入式超聲波流量計。經(jīng)過長時間的現(xiàn)場應用，插入式超聲波流量計的示值可靠，經(jīng)上級檢定測量結(jié)果準確。在實際應用中，要根據(jù)工程實際，選用合適的流量傳感器，使其達到最佳的性能[4]。

3 結(jié)語

水資源保護監(jiān)測建設的主要目的是：建立監(jiān)測站網(wǎng)，改造實驗室，建設儀器設備，建設自動監(jiān)測站，建設人員隊伍，對地下水進行監(jiān)測、分析、評價、預測、預警，直接服務于水資源監(jiān)測和保護工作，同時服務于水資源開發(fā)和利用，抑制肆意破壞水資源和生態(tài)環(huán)境的行為，有利于水資源合理開發(fā)、高效利用、有效保護，實現(xiàn)水資源評價、規(guī)劃、配置、調(diào)度、節(jié)約、保護的綜合管理，為經(jīng)濟社會的發(fā)展提供技術支撐。

本文就流量傳感器在我國水資源監(jiān)測能力建設中的應用進行了討論，以期能夠為廣大水利人員的科學決策提供參考。

3.1 對水資源的監(jiān)測

目前，我國水資源的監(jiān)測尚處于初級階段，通過對各主要河流、湖泊、地下水等水資源狀況的調(diào)研和分析，能夠更好地掌握和掌握水資源的狀況。通過對有關數(shù)據(jù)的分析和比較，為以后的水質(zhì)監(jiān)測提供可靠、可重復利用、操作簡便、快速的數(shù)據(jù)支持。

目前，我國大多數(shù)地區(qū)尚未對水文觀測系統(tǒng)進行全面、精確的規(guī)劃與設計，最常用的方法就是利用常規(guī)的方法來建立水文觀測點，對其進行優(yōu)化和改造，可以有效地提高測控系統(tǒng)的精度、效率和費用。

3.2 技術革新需要

隨著技術的進步，常規(guī)的檢測手段已難以適應高精度、高效率的要求。在這一背景下，各種新的傳感器和新技術相繼問世，并在水質(zhì)流量監(jiān)測中得到了廣泛的應用，例如，超聲波流量計在傳統(tǒng)的流量測量中完成了對流量的處理和分析；超聲波傳感器因其體積小、重量輕、不受流動影響的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對高精度流量數(shù)據(jù)的實時測量；利用智能采集技術，對水質(zhì)進行多點監(jiān)測，并利用軟件對水質(zhì)進行監(jiān)測。同時為了適應水資源監(jiān)測能力建設，相關的傳感器也應該逐步進行科學技術上的革新，以適應新時代不同的需求。

隨著我國水資源管理的不斷深入和精細化，對其進行全方位、全天候的監(jiān)控要求也越來越高[5]。