多声路时差式超声波流量计在大型压力钢管与大型箱涵上的安装应用

发布时间：2017-09-01

前言

自上个世纪70年代，多声路超声波流量计在美国被用于水轮机流量测量，至今已有30多年的历史。30多年来多声路超声波流量计经历了多次的更新与发展，最早只能在局部得到应用，而目前己被全面推广。由于多声路超声波流量计已在世界的能源、供水、环境以及其他城市生活中得到广泛的应用，并多声路超声波流量计不是某单一的产品，而是现场应用的一种组合。因此，在不同的场合、不同的现场环境、不同的工况要求下，多声路超声波流量计的安装方法、安装过程也存在较大的不同。本文以贵州某水电厂(压力钢管，管径5米选用8声路超声波流量计)和上海某污水处理厂(混凝土箱涵，4.2mX4.2m，选用4声路超声波流量计)为例进行分析。直管段的要求几乎相同。上海某污水处理厂(以下简称D厂)因具有非常长的直管段，所以对于超声波流量计测量断面的选择变得相对容易一些。

1安装断面的选择

对于水电厂的大型压力钢管，安装断面一般选在涡壳入口上游具有较长直管段的钢管上，最好是安装断面的上、下游均具有一定长度的直管段。贵州某电厂(以下简称D厂)的超声波流量计的安装断面选在蝶阀上游约12米处，从测量中心下游2米开始，压力钢管有一微小变径，而测量中心的上游5米处为一管肘。而混凝土箱涵的安装断面的选择与压力钢管对于直管段的要求几乎相同。上海某污水处理厂(以下简称Z厂)因具有非常长的直管段，所以对于超声波流量计测量断面的选择变得相对容易一些。

2超声波换能器的选择

一般换能器的选择，可根据现场情况来定。若压力钢管的测量断面裸露在外，则可考虑选用插入式的换能器(如图1所示)，选用此种换能器的好处是电缆的敷设相对来说比较简单，并且可以带水检修、更换。假如钢管完全被埋设，则要考虑选用另外一种换能器-一一内贴式换能器(如图2所示)。内贴式换能器安装在管道的内壁，需要用与之配套的穿缆器将电缆从压力钢管内引出，同时内贴式换能器具有双备份的超声波单元，可以在管外通过调换信号电缆进行换能器超声波单元的切换，这就克服了不能进入压力钢管检修换能器的限制。D厂的压力钢管属于埋设钢管所以选用了内贴式换能器，并将穿缆器焊接在靠近蝶阀上游的钢管上。而Z厂，由于箱涵内流动的是污水，考虑到运行后将永远不可能进入管道进行换能器更换，因此选用了插入式换能器。

3声路布盆

由于D厂选择的换能器安装断面的上游为一管肘，因此该断面流态的分布可能会出现不稳定的状况。为了达到设计的精度(0.5%)要求，最后选用了符合ICE-41的8声路布置，如图3所示。

而Z厂测量的是没有经过处理的生活污水，精度要求相对来说也不是很高，并且它测量断面上游的直管段很长，从而保证测量断面的流态相对比较平稳，因此选用4声路的布置(如图4所示)己能满足它的设计要求。

4搭设脚手架

对于压力钢管，当管径大于Zm以上时，根据声路的布置，在接近于钢管顶部处将被安装超声波换能器，因此必须搭设脚手架。脚手架一般搭在换能器安装的管段上，在确定脚手架各杆件位置时，既要考虑安装换能器时工作方便，又要考虑不遮挡激光经纬仪(定位工具)测量视线。D厂安装换能器的钢管直径为5m，管架搭设如图5所示。

对于规则箱涵来说，由于换能器高程已确定，并且高程的测量相对来说比较简单，在安装高处换能器的时候只需在箱涵两侧架设梯子即可，而不必专门搭设脚手架。

5靶板的定位安装

为了找到换能器安装断面的压力钢管的轴心，因此必须在安装断面的中心上、下游各分别选择一横截面安装一块靶板，并保证靶板的板面在钢管的中心，且板面和钢管的截面平行。

在规则的箱涵内，由于箱涵两侧相对平行，所以在两壁间任意拉一条线的中点均在箱涵的垂直中心面上。因此，箱涵的靶板定位相对来说比较容易，只摇在测量中心上、下游1倍管径的地方，在两壁间拉一细，线，该细线的中点则可作为靶板的中心点。

6经纬仪平台的安装

在压力钢管内安装超声波换能器，需要制作专门的经纬仪平台，并保证其高度等于钢管的半径减去经纬仪物镜转轴中心到经纬仪底座的距离，安装平台时需将其焊接在上、下游靶板中心的最低点，并使平台保持水平，而且还要保证经纬仪平台中心与钢管轴线基本在一垂直平面内。

而在箱涵中则无须专门制作经纬仪平台，用它自带的经纬仪架即可。

7换能器安装

压力钢管:在找到上、下游靶板所在截面的圆心后，上、下游靶板上钢管的圆心的连线即可视为钢管的中轴线，当经纬仪精确的骑在管轴线上，此时可根据事先的声路布置及声路角在压力钢管的内壁上找到16个(D厂的声路布置)换能器的安装理论点，并在钢管管壁上根据经纬仪激光所瞄准的点打上标记，由于超声波换能器及换能器座具有一定的高度，安装到管壁后，换能器的超声波发射面与钢管管壁有一定的距离，因此还必须用专用模板对换能器的理论安装位置进行修正，并画出安装换能器座的实际轮廓线，最后根据该轮廓线对换能器座进行焊接。

箱涵:当经纬仪确定骑在箱涵的中心线上后，根据声路角的要求分别在箱涵的两侧内壁上找到换能器安装的理论竖直线，然后根据声路布置的高程，分别画出8个换能器的理论安装位置，并进行换能器的安装。

8电缆敷设

在压力钢管内安装换能器的工作结束后，需要将换能器的信号电缆从穿缆器引出钢管，因为钢管内的压力很高而且水的流速也较大，为了保护电缆，从换能器座到穿缆器之间必须敷设不锈钢电缆护管，并保证电缆护管被牢牢的固定在压力钢管的内壁上。在换能器信号电缆往电缆护管内敷设的过程中一定要特别注意不能弄破电缆，以防水从电缆中渗出，在密封穿缆器之前也要逐一检查穿缆器的密封圈，以防穿缆器漏水。

而对于箱涵，由于Z厂选用的是插入式换能器，因此，换能器的信号电缆可通过电缆护管直接敷设到流量计主机。

9相关参数复测

无论是压力钢管还是混凝土箱涵，在安装多声路超声波流量计后均需要对换能器的声路角和声路长进行测量。声路角的测量，两者方法基本相同，即将激光经纬仪恢复到原先安装换能器时所在位置，并将激光聚点对准换能器的超声波发射面的中心，记录下此时经纬仪的水平盘和竖盘的读数。但是对于声路长的测量，由于内贴式换能器上有两个超声波工作单元，因此相对于插入式换能器来说，内贴式换能器的声路长的测量显得稍微繁琐一点，如图6所示，需要测出四种组合声路长，以供日后使用。

10清理现场

待测量全部结束且确保正确无误后，可以撤去经纬仪、经纬仪架、靶板、脚手架等，在清理现场的过程中，要注意不能碰伤超声波换能器。

摘自：中国计量测控网

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