陳漢松 陳國宇 賴森豪

（廣州能源檢測研究院，廣東 廣州 511400）

0 引言

超聲明渠流量計具有對液體介質(zhì)要求低、安裝方便、維護簡單、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強、工作穩(wěn)定性好、精度高、測量范圍廣和價格便宜等特點，廣泛用于企業(yè)污水排放量計量等領(lǐng)域[1]。它既是環(huán)保部門監(jiān)測污水排放，防止偷排的計量器具，又是部分污水廠污水處理費用結(jié)算的計量器具，故保證其計量準(zhǔn)確性具有極其重要的意義。

目前，國內(nèi)便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置大部分測量液位的傳感器是磁致伸縮浮子液位計，如桑曉鳴等研究的便攜式明渠流量計檢定裝置[2-4]。這種液位計必須在流量計水流充足的情況下，才能完成流量計的滿量程測量，而且在流量調(diào)節(jié)過程中，耗時較長。

現(xiàn)實中，企業(yè)生產(chǎn)往往有淡季與旺季之分，每個時期排污量不同，且排污時不一定有水量控制設(shè)施，故采用磁致伸縮浮子液位計的校準(zhǔn)裝置在滿量程測量與快速測量方面有一定的局限性，給企業(yè)帶來極大的不便。

為此，本文設(shè)計一種便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置，可快速、準(zhǔn)確地完成超聲明渠流量計的校準(zhǔn)。

1 超聲明渠流量計的工作原理

超聲明渠流量計由量水堰槽（以巴歇爾槽量水堰槽為例，如圖1所示）和二次儀表（含液位檢測、運算、顯示功能）組成，其測量原理如圖2所示。

圖1 巴歇爾槽量水堰槽示意圖

圖2 超聲明渠流量計測量原理圖

首先，利用超聲傳感器測出實際水頭高度（即液位）；然后，在二次儀表中利用量水堰槽的水位-流量表計算水流流量，并對流量進行時間積分，得到累積量；最后，顯示瞬時流量及累積量、水頭高度等信息，并上傳至上位機。由此可知，超聲明渠流量計的計量準(zhǔn)確度取決于液位測量準(zhǔn)確度和量水堰槽物理尺寸的規(guī)范性[5-7]。

2 校準(zhǔn)裝置構(gòu)成

便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置由水位模擬校準(zhǔn)平臺，控制模塊、平板電腦模塊和外觀校準(zhǔn)工具模塊構(gòu)成。

2.1 水位模擬校準(zhǔn)平臺

水位模擬校準(zhǔn)平臺示意圖如圖3所示。

圖3 水位模擬校準(zhǔn)平臺示意圖

水位模擬校準(zhǔn)平臺主要包含卡口、支架、導(dǎo)軌、滑塊、伺服電機、底座、3個水平調(diào)節(jié)螺絲、水平儀、反射平板和絲桿（密閉在支架內(nèi)部）等部件。其中，伺服電機是水位模擬校準(zhǔn)平臺的核心部件，它根據(jù)脈沖的個數(shù)，準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度；并通過與齒輪、絲桿特定的傳動比例，準(zhǔn)確控制反射平板的移動距離；且反饋轉(zhuǎn)動脈沖，有效減少轉(zhuǎn)動錯誤的發(fā)生[8-10]。

水位模擬校準(zhǔn)平臺的主要作用：模擬水位；接收平板電腦的指令，將反射平板準(zhǔn)確移動到特定位置。

2.2 控制模塊

控制模塊包括24 V直流電源、無線發(fā)射接收模塊和 PLC模塊。其主要作用：驅(qū)動水位模擬校準(zhǔn)平臺，并作為水位模擬平臺與平板電腦模塊間通訊控制的硬件部分。

2.3 平板電腦模塊

平板電腦模塊包括無線發(fā)射接收模塊和顯示器。其主要作用：具有顯示與操作裝置的界面；控制電機移動；收集檢測數(shù)據(jù)、自動計算校準(zhǔn)結(jié)果，生成校準(zhǔn)原始記錄。

2.4 外觀校準(zhǔn)工具模塊

外觀校準(zhǔn)工具模塊包括粗糙度比較模塊、鋼直尺、量油尺和角度規(guī)等，主要用于校準(zhǔn)便攜式超聲明渠流量計量水堰槽的外觀。

3 校準(zhǔn)順序

便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置現(xiàn)場安裝示意圖如圖4所示，按圖5所示液位測量點進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)流程如圖6所示。

圖4 便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置現(xiàn)場安裝示意圖

圖5 液位測量點示意圖

超聲明渠流量計校準(zhǔn)步驟如下：

1） 在平板電腦模塊的校準(zhǔn)界面進行超聲明渠流量計選型，并添加被檢超聲明渠的信息；

2） 用外觀校準(zhǔn)工具模塊按照相應(yīng)類別的超聲明渠外觀要求，檢測超聲明渠流量計的量水堰槽外觀是否合格；不合格直接輸出原始記錄，合格繼續(xù)進行下一步檢測；

3） 在無水的超聲明渠流量計量水堰槽中，安裝水位模擬平臺；調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)螺絲使反射平板水平放置；平板電腦控制伺服電機，使反射平板降至最低點（0點）；同時設(shè)置超聲明渠流量計二次儀表的液位顯示為0；

4）根據(jù)超聲明渠流量計的液位量程（H）均分5個點（如圖5所示），并設(shè)定伺服電機移動的步長（即每次移動的距離）；

5） 移動反射平板到第1個校準(zhǔn)點，平板電腦模塊顯示標(biāo)準(zhǔn)液位為h標(biāo)（反射平板移動的距離），平板電腦根據(jù)內(nèi)置的相應(yīng)槽型的公式計算出標(biāo)準(zhǔn)流量值Q標(biāo)；同時彈出窗口，提示用戶輸入被檢超聲明渠二次儀表的液位值h示與流量值Q示；根據(jù)式(1)和式(2)計算該點該次的液位與流量的示值誤差；

式中，Δh為液位示值誤差；ΔQ為流量示值誤差。

6） 重復(fù)步驟5），得到第2個、第3個、第4個和第5個校準(zhǔn)點的第1次的檢測結(jié)果。

圖6 明渠流量計校準(zhǔn)流程圖

7） 校準(zhǔn)過程控制示意圖界面彈出是否開始下一次全程的檢測，得到是指令后，反射平板自動移至0點，重復(fù)步驟5）、6），分別得到第1～第5點的第2次檢測結(jié)果；同理得到第1～第5點的第3次檢測結(jié)果；校準(zhǔn)過程控制示意圖界面彈出校準(zhǔn)結(jié)束及校準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)（含每點的液位與流量示值誤差平均值等）及原始記錄，并輸出原始記錄。

8） 反射平板返回0點，校準(zhǔn)結(jié)束。

4 便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置測試

便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置圖（不含外觀校準(zhǔn)工具模塊）如圖7所示，包括水位模擬校準(zhǔn)平臺、平板電腦模塊和控制模塊。

圖7 便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置圖

便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置最主要的參數(shù)是液位測量的準(zhǔn)確性，經(jīng)第三方檢測，液位測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 液位測量結(jié)果 單位：mm

5 結(jié)語

本文設(shè)計的便攜式超聲明渠流量計校準(zhǔn)裝置具有以下特點：無需排水情況下，實現(xiàn)超聲明渠流量計的全量程校準(zhǔn)；安裝方便，只需將設(shè)備放置在水槽中，調(diào)好水平即可；半自動校準(zhǔn)，省時省力；無線操作校準(zhǔn)過程，自動記錄檢測數(shù)據(jù)，并能自動生成校準(zhǔn)記錄；具有較高的準(zhǔn)確度，最大允許誤差絕對值在 0.2 mm以內(nèi)，有較高的實用價值。