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多聲路時差式超聲波流量計在大型壓力鋼管與大型箱涵上的安裝應用

發布時間：2017-09-01

前言

自上個世紀70年代，多聲路超聲波流量計在美國被用于水輪機流量測量，至今已有30多年的歷史。30多年來多聲路超聲波流量計經歷了多次的更新與發展，最早只能在局部得到應用，而目前己被全面推廣。由于多聲路超聲波流量計已在世界的能源、供水、環境以及其他城市生活中得到廣泛的應用，并多聲路超聲波流量計不是某單一的產品，而是現場應用的一種組合。因此，在不同的場合、不同的現場環境、不同的工況要求下，多聲路超聲波流量計的安裝方法、安裝過程也存在較大的不同。本文以貴州某水電廠(壓力鋼管，管徑5米選用8聲路超聲波流量計)和上海某污水處理廠(混凝土箱涵，4.2mX4.2m，選用4聲路超聲波流量計)為例進行分析。直管段的要求幾乎相同。上海某污水處理廠(以下簡稱D廠)因具有非常長的直管段，所以對于超聲波流量計測量斷面的選擇變得相對容易一些。

1安裝斷面的選擇

對于水電廠的大型壓力鋼管，安裝斷面一般選在渦殼入口上游具有較長直管段的鋼管上，最好是安裝斷面的上、下游均具有一定長度的直管段。貴州某電廠(以下簡稱D廠)的超聲波流量計的安裝斷面選在蝶閥上游約12米處，從測量中心下游2米開始，壓力鋼管有一微小變徑，而測量中心的上游5米處為一管肘。而混凝土箱涵的安裝斷面的選擇與壓力鋼管對于直管段的要求幾乎相同。上海某污水處理廠(以下簡稱Z廠)因具有非常長的直管段，所以對于超聲波流量計測量斷面的選擇變得相對容易一些。

2超聲波換能器的選擇

一般換能器的選擇，可根據現場情況來定。若壓力鋼管的測量斷面裸露在外，則可考慮選用插入式的換能器(如圖1所示)，選用此種換能器的好處是電纜的敷設相對來說比較簡單，并且可以帶水檢修、更換。假如鋼管完全被埋設，則要考慮選用另外一種換能器-一一內貼式換能器(如圖2所示)。內貼式換能器安裝在管道的內壁，需要用與之配套的穿纜器將電纜從壓力鋼管內引出，同時內貼式換能器具有雙備份的超聲波單元，可以在管外通過調換信號電纜進行換能器超聲波單元的切換，這就克服了不能進入壓力鋼管檢修換能器的限制。D廠的壓力鋼管屬于埋設鋼管所以選用了內貼式換能器，并將穿纜器焊接在靠近蝶閥上游的鋼管上。而Z廠，由于箱涵內流動的是污水，考慮到運行后將永遠不可能進入管道進行換能器更換，因此選用了插入式換能器。

3聲路布盆

由于D廠選擇的換能器安裝斷面的上游為一管肘，因此該斷面流態的分布可能會出現不穩定的狀況。為了達到設計的精度(0.5%)要求，最后選用了符合ICE-41的8聲路布置，如圖3所示。

而Z廠測量的是沒有經過處理的生活污水，精度要求相對來說也不是很高，并且它測量斷面上游的直管段很長，從而保證測量斷面的流態相對比較平穩，因此選用4聲路的布置(如圖4所示)己能滿足它的設計要求。

4搭設腳手架

對于壓力鋼管，當管徑大于Zm以上時，根據聲路的布置，在接近于鋼管頂部處將被安裝超聲波換能器，因此必須搭設腳手架。腳手架一般搭在換能器安裝的管段上，在確定腳手架各桿件位置時，既要考慮安裝換能器時工作方便，又要考慮不遮擋激光經緯儀(定位工具)測量視線。D廠安裝換能器的鋼管直徑為5m，管架搭設如圖5所示。

對于規則箱涵來說，由于換能器高程已確定，并且高程的測量相對來說比較簡單，在安裝高處換能器的時候只需在箱涵兩側架設梯子即可，而不必專門搭設腳手架。

5靶板的定位安裝

為了找到換能器安裝斷面的壓力鋼管的軸心，因此必須在安裝斷面的中心上、下游各分別選擇一橫截面安裝一塊靶板，并保證靶板的板面在鋼管的中心，且板面和鋼管的截面平行。

在規則的箱涵內，由于箱涵兩側相對平行，所以在兩壁間任意拉一條線的中點均在箱涵的垂直中心面上。因此，箱涵的靶板定位相對來說比較容易，只搖在測量中心上、下游1倍管徑的地方，在兩壁間拉一細，線，該細線的中點則可作為靶板的中心點。

6經緯儀平臺的安裝

在壓力鋼管內安裝超聲波換能器，需要制作專門的經緯儀平臺，并保證其高度等于鋼管的半徑減去經緯儀物鏡轉軸中心到經緯儀底座的距離，安裝平臺時需將其焊接在上、下游靶板中心的最低點，并使平臺保持水平，而且還要保證經緯儀平臺中心與鋼管軸線基本在一垂直平面內。

而在箱涵中則無須專門制作經緯儀平臺，用它自帶的經緯儀架即可。

7換能器安裝

壓力鋼管:在找到上、下游靶板所在截面的圓心后，上、下游靶板上鋼管的圓心的連線即可視為鋼管的中軸線，當經緯儀精確的騎在管軸線上，此時可根據事先的聲路布置及聲路角在壓力鋼管的內壁上找到16個(D廠的聲路布置)換能器的安裝理論點，并在鋼管管壁上根據經緯儀激光所瞄準的點打上標記，由于超聲波換能器及換能器座具有一定的高度，安裝到管壁后，換能器的超聲波發射面與鋼管管壁有一定的距離，因此還必須用專用模板對換能器的理論安裝位置進行修正，并畫出安裝換能器座的實際輪廓線，最后根據該輪廓線對換能器座進行焊接。

箱涵:當經緯儀確定騎在箱涵的中心線上后，根據聲路角的要求分別在箱涵的兩側內壁上找到換能器安裝的理論豎直線，然后根據聲路布置的高程，分別畫出8個換能器的理論安裝位置，并進行換能器的安裝。

8電纜敷設

在壓力鋼管內安裝換能器的工作結束后，需要將換能器的信號電纜從穿纜器引出鋼管，因為鋼管內的壓力很高而且水的流速也較大，為了保護電纜，從換能器座到穿纜器之間必須敷設不銹鋼電纜護管，并保證電纜護管被牢牢的固定在壓力鋼管的內壁上。在換能器信號電纜往電纜護管內敷設的過程中一定要特別注意不能弄破電纜，以防水從電纜中滲出，在密封穿纜器之前也要逐一檢查穿纜器的密封圈，以防穿纜器漏水。

而對于箱涵，由于Z廠選用的是插入式換能器，因此，換能器的信號電纜可通過電纜護管直接敷設到流量計主機。

9相關參數復測

無論是壓力鋼管還是混凝土箱涵，在安裝多聲路超聲波流量計后均需要對換能器的聲路角和聲路長進行測量。聲路角的測量，兩者方法基本相同，即將激光經緯儀恢復到原先安裝換能器時所在位置，并將激光聚點對準換能器的超聲波發射面的中心，記錄下此時經緯儀的水平盤和豎盤的讀數。但是對于聲路長的測量，由于內貼式換能器上有兩個超聲波工作單元，因此相對于插入式換能器來說，內貼式換能器的聲路長的測量顯得稍微繁瑣一點，如圖6所示，需要測出四種組合聲路長，以供日后使用。

10清理現場

待測量全部結束且確保正確無誤后，可以撤去經緯儀、經緯儀架、靶板、腳手架等，在清理現場的過程中，要注意不能碰傷超聲波換能器。

摘自：中國計量測控網

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