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黑河輸水渠道工程自黑峪口藺家灣匯流池起，向東沿秦嶺北麓，經(jīng)周至縣戶縣長安區(qū)雁塔區(qū)到曲江水廠南郊水廠渠首與渠尾落差49.7米，采用重力自流供水，渠道全長125公里，zui大設(shè)計(jì)流量14立方米/秒，渠道日供水量zui大為110萬立方米，該工程為西安建設(shè)化大都市提供了有力的保障，是西安市人民的“生命線工程”。
科學(xué)調(diào)水離不開對原水流量的測量，及時(shí)準(zhǔn)確的掌握渠道供水流量數(shù)據(jù)，對于供水企業(yè)進(jìn)行科學(xué)管理、成本核算是十分重要的。
隨著電子、信號(hào)處理、信息編碼技術(shù)的迅猛發(fā)展，超聲波流量計(jì)被廣泛的使用在大型水利工程中，黑河輸水渠道工程便是其中之一。
本文就對時(shí)差式超聲波流量計(jì)的原理及其在黑河輸水渠道的應(yīng)用進(jìn)行簡要的論述。
1.時(shí)差式超聲波流量計(jì)的原理
1.1超聲波信號(hào)的產(chǎn)生原理
利用流量計(jì)上壓電換能器的壓電效應(yīng)，發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生振動(dòng)，繼而在流體中產(chǎn)生超聲波，超聲波在流體中傳播然后由接受換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。
1.2超聲波流量計(jì)的構(gòu)成原理
超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)傳輸給積算儀表進(jìn)行積算，這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測和顯示。
1.3超聲波流量計(jì)測流原理
時(shí)差式超聲波流量計(jì)的基本原理是采用時(shí)差法測量流速。如圖所示對于某一個(gè)聲路在上下游分別布置有兩只換能器P1和P2其間距為L流體流速為vC為室溫下靜水中聲速在水流的作用下聲波正逆向傳播
時(shí)間為T1和T2，水的流速與聲波正逆向。

傳播時(shí)間差之間關(guān)系如下：

式中：
L為聲路長；
θ為聲波路徑與流向的夾角。
2.超聲波流量計(jì)在黑河輸水渠道工程中的應(yīng)用
2.1設(shè)備選型
由于黑河輸水渠道運(yùn)送的原水主要來自周至縣金盆水庫、眉縣石頭河水庫且水質(zhì)達(dá)到國家一類標(biāo)準(zhǔn)，又因沿線輸水暗渠均為PCCP管道（混凝土預(yù)應(yīng)力管），為了保證測量數(shù)據(jù)的精度，決定選用ABG儀表集團(tuán)生產(chǎn)的四聲路時(shí)差式超聲波流量計(jì)。
2.2設(shè)備配置及技術(shù)指標(biāo)
四聲路時(shí)差式超聲波流量計(jì)配置如下

超聲波流量計(jì)主機(jī)采用單片機(jī)結(jié)構(gòu)，配備LCD顯示屏，顯示瞬時(shí)流量、累積流量、水深、各層流速，IP65防護(hù)等級。輸出信號(hào)：1路4－20mA模擬輸出和4路脈沖／繼電器輸出，一個(gè)RS232／RS485接口，可與計(jì)算機(jī)和PLC進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，流速測量范圍0.02～20m／s，測量精度可達(dá)±0.5%。
2.3流量計(jì)的安裝
2.3.1傳感器的安裝
1）安裝地點(diǎn)：
為保證渠道原水經(jīng)過傳感器時(shí)候沿管軸平行流動(dòng)，必須在傳感器前設(shè)置一定的直管段。具體要求是要保證上游管段長度大于10D（D為輸水渠道的內(nèi)徑），下游大于5D。傳感器應(yīng)該盡可能安裝在與水平直徑上下成45度的范圍內(nèi)，避免在垂直位置安裝，傳感器安裝處應(yīng)避開PCCP管接口。
2）安裝方式：
傳感器必須采用Z方式安裝。具體安裝過程為：先將暗渠表面處理干凈，涂抹耦合劑，首先固定一個(gè)傳感器的位置，用紙帶量出管道周長做好對折標(biāo)記，在周長二分之一處確定另一傳感器的位置，確定兩傳感器在軌道上的相對距離，保證超聲波有足夠的信號(hào)強(qiáng)度，讀數(shù)顯示穩(wěn)定，儀表正常工作。
2.3.2主機(jī)安裝
主機(jī)安裝主要是信號(hào)電纜（射頻電纜）和電源線的正確連接。信號(hào)電纜在鋪設(shè)時(shí)，電纜的兩頭應(yīng)做出識(shí)別標(biāo)記，以避免連接出錯(cuò)。電源要保證供電電壓波動(dòng)在設(shè)備要求的范圍內(nèi)，否則容易損壞主機(jī)。
流量計(jì)與終端系統(tǒng)通過串口連接，系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)利用固定IP地址，GPRS短信通訊方式，采用自報(bào)式結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)流量，終端結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

2.4流量計(jì)的調(diào)試
2.4.1渠道公司調(diào)度中心
調(diào)度中心調(diào)試流程：復(fù)查線路～檢查接地電阻～通電檢查～通話測試～狀態(tài)數(shù)據(jù)測試～雨量、水位數(shù)據(jù)測試～軟件功能測試～填寫調(diào)試記錄。
1）調(diào)試內(nèi)容：

接收機(jī)、接收軟件、外部數(shù)據(jù)匯總軟件和圖文一體化信息發(fā)布軟件的安裝，設(shè)備布局合理、安放位置安全合理。
2）調(diào)試結(jié)果。
2.4.2黑河管理站
黑河站調(diào)試流程：復(fù)查線路連接～測讀電池電壓、接地電阻～通電檢查～狀態(tài)數(shù)據(jù)測試～流量數(shù)據(jù)測試～填寫調(diào)試記錄。
1）復(fù)查線路連接：根據(jù)設(shè)備（儀器）連接線路圖，核對線路連接無交叉、雜亂現(xiàn)象，用手輕微晃動(dòng)接線端子，無松動(dòng)現(xiàn)象。
2）測讀電池電壓、接地電阻：采用萬用表測量電池電壓，蓄電池電壓正常范圍在11.5V~13.8V；交流電壓220V。
3）通電檢查：開機(jī)，通電檢查，指示燈正常點(diǎn)亮，吳異常雜音。
4）狀態(tài)數(shù)據(jù)測試：根據(jù)測試要求，發(fā)送模擬狀態(tài)數(shù)據(jù)，與渠道公司調(diào)度中心核對數(shù)據(jù)接收成功率。
5）填寫調(diào)試記錄：調(diào)試過程中記錄檢測過程，記錄電池電壓、模擬數(shù)據(jù)發(fā)送記錄、設(shè)備的型號(hào)、出現(xiàn)問題及處理措施等。
2.4.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào)
系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的過程實(shí)際上就是一個(gè)系統(tǒng)整體測試的過程。將通過確認(rèn)測試的軟件。
作為整個(gè)基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)元素，與計(jì)算機(jī)硬件、外設(shè)、某些支持軟件、數(shù)據(jù)和人員等其他系統(tǒng)因素結(jié)合在一起，在實(shí)際運(yùn)行（使用）環(huán)境下，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的組裝測試和確認(rèn)測試。
一般包括：
1）恢復(fù)測試：
主要檢查系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力。當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)，能否在的時(shí)間間隔內(nèi)修正錯(cuò)誤并重新啟動(dòng)系統(tǒng)。恢復(fù)測試首先要采用不同的方式強(qiáng)迫系統(tǒng)出現(xiàn)故障，然后驗(yàn)證系統(tǒng)是否能盡快恢復(fù)。如果恢復(fù)是自動(dòng)的（由系統(tǒng)自身完成），則重新初始化、檢測點(diǎn)設(shè)置、數(shù)據(jù)恢復(fù)以及重新啟動(dòng)等都是對其正確的評價(jià)。若恢復(fù)需人工干預(yù)，則需要算出修復(fù)的平均時(shí)間，確定其是否在可接受的限制范圍內(nèi)。
2）安全性測試：
系統(tǒng)的安全性測試是要檢驗(yàn)系統(tǒng)中已存在的系統(tǒng)安全性、保密性措施是否發(fā)揮作用，有無漏洞。在安全測試過程中，測試人員應(yīng)扮演非法入侵者，采用各種辦法試圖突破防線。如：想方設(shè)法截取或破譯口令；專門做軟件破壞系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制；故意導(dǎo)致系統(tǒng)失敗，企圖趁恢復(fù)之際非法進(jìn)入；試圖通過瀏覽非保密數(shù)據(jù)，推導(dǎo)所需信息等。系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則是使非法入侵的代價(jià)超過被保護(hù)信息的價(jià)值。
3）強(qiáng)度測試：
強(qiáng)度測試是要檢查在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境不正常到發(fā)生故障的情況下，系統(tǒng)可以運(yùn)行到何種程度的測試。強(qiáng)度測試是在要求一個(gè)非正常數(shù)量、頻率或容量資源方式下運(yùn)行一個(gè)系統(tǒng)。如定量地增長數(shù)據(jù)輸入率，檢查輸入子功能的反映能力；運(yùn)行需要zui大的內(nèi)存或其他資源的測試用例；運(yùn)行可能導(dǎo)致虛擬操作系統(tǒng)崩潰或磁盤劇烈抖動(dòng)的測試用例等。
4）性能測試：
性能測試就是測試軟件在被組裝進(jìn)入環(huán)境下運(yùn)行的性能，性能測試應(yīng)該覆蓋測試過程的每一步。
2.5使用中出現(xiàn)的一些問題及解決措施
2.5.1故障現(xiàn)象：瞬時(shí)流量計(jì)波動(dòng)大
原因分析：信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)大；渠道內(nèi)原水波動(dòng)大。
解決措施：調(diào)整好探頭位置，提高信號(hào)強(qiáng)度，保證信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定，必要時(shí)需重新選擇測試點(diǎn)，確保*D后5D的工況要求。
2.5.2故障現(xiàn)象：開機(jī)無顯示
原因分析：電源屬性與儀表額定值不對應(yīng)或者保險(xiǎn)絲燒斷。
解決措施：檢查電源屬性是否與儀表額定值不對應(yīng)，保險(xiǎn)絲是否燒斷。如果無以上問題，則通知廠家專業(yè)技術(shù)人員前來處理。
2.5.3故障現(xiàn)象：開機(jī)后LCD顯示屏僅有背光而無任何字符
原因分析：程序芯片故障。
解決措施：通知廠家專業(yè)技術(shù)人員處理。
2.5.4故障現(xiàn)象：儀表在現(xiàn)場強(qiáng)干擾下無法使用
原因分析：周圍有變頻器或強(qiáng)磁場干擾或接地線不正確。
解決措施：將儀表安裝遠(yuǎn)離變頻器和強(qiáng)磁場干擾；規(guī)范設(shè)置接地線。

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