超聲波多普勒流量計監測站

一、產品介紹

1.1概述

隨著科技的進步，物聯網技術已經悄悄地走進我們的生活與工作中來，并已經應用在各個領域。如水文水利、工業監控、智慧城市、智慧水務等等，萬物聯網連接到云服務器，通過大數據資料分析處理提高了生產效率、靈活性能和響應能力。

原本在工業的溫度、壓力、流量、物位等測量使用的產品也從早期的直接搭配相應組件或者模塊的方式直接移植到市政應用上來，到現在對內置相應的通信組芯片、低功耗設計、專用的電源管理方案和自動休眠技術的深度研發改造，這樣為市政應用特點設計的專用感知端物聯網產品才真正適配當下的實際應用。

在云服務與相關技術的不斷進步下，配套的遠程監控方面也取得了較大進展，可以利用手機 APP、微信小程序（可跨手機操作系統，甚至當下剛流行的鴻蒙操作系統）、IE 等手段快速獲取有關數據，對各項參數了然于心。

本產品是在自然水域或者渠道、管道中測量水的流速、流量的傳感器。利用超聲波技術探測流速，測量點在機體前方，不破壞流場；測量精度高，測流線性，可測瞬時流速，也可測平均流速；無轉動部件，不懼泥沙堵塞和水草纏繞，探頭堅固耐用，不存在泥沙堵塞或水草、雜物纏繞等問題，最適用于泥沙懸浮物含量高，水草等漂浮物多和極其嚴苛的冰期場合的河流中測量。

流量計分為傳感器、主機兩部分，中間用電纜連接。

能夠在管道、暗渠中測量水的流速、流量，水位要比傳感器高20 厘米以上，管道內徑要≥500 毫米。

1.2主要特點

? 測量精度高，量程寬，可測弱流，也可測強流；

? 感應靈敏，分辨率高，不受啟動流速限制；

? 感應靈敏，分辨率高，不受啟動流速限制；

? 測量線性，不存在校正曲線的K、C 值。

二、工作原理

超聲波多普勒流量計的測量原理是以物理學中的多普勒效應為基礎的。根據聲學多普勒效應，當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發出的頻率。這個因相對運動而產生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比.在超聲波多普勒流量測量方法中，超聲波發射器為一固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，當然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收器上。發射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產生的聲波多普勒頻移，由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速.進而可以得到流體的流量.因此，超聲波多普勒流量測量的一個必要的條件是：被測流體介質應是含有一定數量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質，這個工作條件實際上也是它的一大優點，即這種流量測量方法適宜于對兩相流的測量，這是其它流量計難以解決的問題。

因此，作為一種極有前途的兩相流測量方法和流量計，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應用。

根據多普勒頻移方程，頻移的大小：

?

式中：△Fd ——多普勒頻移

F0 ——發射超聲波頻率

C ——水中聲速

V ——水的流速

θ——發射波束和接收波束相對于河水流方向的夾角

C >> V·cosθ

<1>式可簡化為：

?

所以：

超聲波發射頻率為常數，換能器夾角安裝后固定不變，所以 K

為常數。由式<3>可見，流速 V 和多普勒頻移△Fd，水的聲速 C 成正比，只要檢測出多普勒頻移△Fd 和水的聲速 C，即可計算出流速。在本儀器中，C 由溫度值換算得來。 聲場示意圖：

三、技術特性

1、測流范圍：0m/s～10.000m/s,

雙向流但不識別流向（流速流量絕對值）

-5m/s～5.000m/s

雙向流且識別流向（流速流量帶正負號）

2、測流準確度： 1.0%±0.01m/s

3、分辨率： 0.001m/s

4、水溫測量范圍：0～60℃

5、測溫準確度：±1℃

6、水位范圍：0.02～10m。

7、水位精度：0.2F.S

8、流量范圍：1 升/秒～99999999 立方米/每小時

9、工作溫度：0～60℃

10、工作電源：外部供電 8～14VDC

四、外形結構圖

A 型（常規塑殼款）

B 型（增強不銹鋼款）

五、傳感器安裝方式

5.1渠道內安裝條件和位置

①在河流、渠道上測量，只要最低水位淹沒傳感器，就可以測量。

②流量計傳感器標配的耐壓是 100kPa，也就是 10 米水深。如果需要更大耐壓需要訂貨前說明，最大可以做到耐壓 1000kPa，也就是 100米水深。

③超聲波多普勒流量計適用于固體含量不大于 20kg/m3的水質，同時水的流速≤10.0 米/秒。

④超聲波多普勒流量計要選擇水流平穩的地方安裝。水流不平穩的地方，多數情況下是紊流，紊流條件下測量到的流速是跳動的，不穩定，誤差會很大。

⑤超聲波多普勒流量計安裝位置的上游要有渠道寬度 10 倍的直渠道，下游要有渠道寬度 5 倍的直渠道。

?

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（傳感器安裝點上游和下游直渠道要求）

有些現場因為實際渠道條件限制，造成安裝地點上游達不到10 倍的直渠道，下游達不到 5 倍的直渠道。最少要求是上游 5 倍的直渠道，下游 3 倍的直渠道，但是出現的問題是測量誤差就加大了，這個誤差具體有多少，跟現場工況有關，每個現場都不一樣。

例如下圖：因為在山區，都是彎道，達不到標準的上游直渠道要求，在這個點安裝實際流速是 0.90～0.95 米/秒，測量出來的值是 0.65～0.80 米/秒。

⑥如果安裝在閘門下游(最少要 30 倍以上的直渠道)，特別要

注意觀察水面情況，是否平穩。

如果傳感器安裝地點離開閘門的距離已經有 30 倍的渠道寬度，但是水面還是不平穩，那就需要加大傳感器距離閘門的距離，直到水流平穩為止。這個距離沒有限制，可能是 60 倍的渠道寬度，80 倍的渠道寬，直到水流平穩為止。

就是實際安裝位置，是離開閘門 50 倍渠道寬度的位置水流才平穩，適合的位置安裝。

⑦確定安裝高度

探頭距渠底的理想高度為 100mm~50mm，具體要根據渠道的最低水位確定。

傳感器應盡量安裝于靠近渠底，如果渠底有很多沉淀物、淤泥、水草或者有石頭會滾動，可以抬高安裝位置，避免被沉積物與水草覆蓋探頭，或者被石頭沖擊探頭，造成探頭損壞。

（最低水位沒過傳感器）

⑧水平安裝位置的選擇

20 米以下寬度的渠道，如果是矩形渠道，是安裝在整個渠道寬度的 15-20%處。因為安裝在這個位置，最接近整個渠道水平方向上的平均流速。

（矩形渠道安裝位置要求）

梯形渠道安裝：傳感器安裝在斜坡和底邊交界處，又叫做“坡

腳”處。同時要滿足：傳感器最低水位沒過傳感器。

（梯形渠道安裝位置要求）

⑨傳感器要正對著水流方向

（傳感器水平安裝要求）

（傳感器水平安裝要求）

⑩ 對于上游來的垃圾或者漂浮物，要在上游渠道上做格柵來過濾，格柵距離傳感器之間要有 5 倍以上渠道的距離。

5.2 管道或者涵洞內安裝條件和位置

①管道內安裝，只要最低水位沒過傳感器，管道內徑＞500 毫米就可以測量。不要求滿管，非滿管狀態下也可以測量。也要選擇水流平穩的地方安裝，安裝位置的上游要有管道內徑 10 倍的直渠道，下游要有管道內徑 5 倍的直渠道。

②要選擇水流平穩的地方安裝，水流不平穩的地方，測量不穩定，誤差會很大。會出現兩種情況，第一：數據上下波動大；第二：測量數據比實際偏小；

③要考慮管道內沉積物和淤泥的情況，如果有淤泥，傳感器要避開淤泥。

對于上游來的垃圾或者漂浮物，要在上游渠道上做格柵來過濾，格柵距離傳感器要有管道內徑 5 倍以上距離。

5.3 渠道內現場安裝支架及布線

特別提示：以 0.20 米/秒流速為標準，水流速度每增加一倍，對周圍物體的破壞力會增加 50-64 倍！

①傳感器在渠道內固定方式

以下安裝，傳感器后面的出線必須用 PVC、PE 或者鍍鋅管保護起來，不能讓電纜因為水流沖擊而受力，也不能讓電纜掛上垃圾等漂浮物。

在可以斷水的前提下，傳感器可以固定于渠道底部。

②在有淤泥和堆積物的渠道內，要把安裝的水泥臺做高，讓傳感器可以高于堆積物，不容易被堆積物覆蓋。

③通過不銹鋼支架來安裝，寬度為 5 米的渠道內安裝。

管道內現場安裝支架及布線

如果是管道內安裝，可以不用斷水，從管道頂部放支架下去固定。一般的管道在 2000 毫米以內，可以居中安裝，傳感器用支架固定在管道底部。支架要做成“L”型，傳感器固定在“L”型支架的底部，深入管道內，傳感器正對著水流方向。

下圖是在一個直徑 1000 毫米的污水排放管道內安裝，傳感器電纜從豎的鍍鋅管內通向主機。

河道內現場安裝支架及布線

在河道內安裝，也是通過側面的支架來安裝。

便攜式手持終端

便攜式手持終端采用 8 寸 windows 10 三防平板，結合輔助軟件和 USB驅動器，可直接驅動傳感器，并直觀的檢測傳感器各項運行參數。

5.4 井下的安裝

5.5 安裝注意事項

在安裝過程中，壓力傳感器一面務必朝下安裝，如圖：這個面（中間有個小孔的一面）的是有壓力傳感器的，需朝底安裝，不能朝上安裝。

●傳感器所自帶的一段通信電纜線內有通氣導管，因此注意不得將其彎折。當通信電纜線引出水面后，可接普通的電纜線，此時應使通氣導管開口方向朝下，防止水及異物進入通氣管，或者堵塞通氣管。連接傳感器上的 485 或者 12VDC 電源的電纜，485 和 12VDC 的線纜必須分開用兩根 2 芯屏蔽電纜連接。

●不要人為拉扯、甩動電纜，也不要撞擊傳感器殼體。不要把連接電纜作為承重線，用連接電纜來懸掛重物。電纜必須是固定在渠道的水泥壁上，不能晃動。

●對于流速＞1.0 米/秒的現場，安裝支架強度要加強到現有支架強度的 3 倍以上，保證激流不會沖走或者沖壞支架。并且要在水平方向上做斜撐，以支撐傳感器不會被水流沖擊造成移動、抖動、飄移。

●在需要延長電纜的情況下，導氣電纜只要保證他不會進水，不會折彎，不會被堵塞就可以，要考慮到天氣濕度大情況，氣溫低凝露的情況。485 輸出的電纜可以延長到 200 米，要使用 0.75 平方米的兩芯屏蔽電纜。

5.6 安裝步驟

①先安裝好固定支架，確保在最大流速 2 倍的條件下還可以穩定可靠固定。

②傳感器跟安裝底座固定。

③傳感器電纜穿管布線，所有保護管都要固定好，在水中的保護管每0.5 米最少要有 1 個卡子固定。傳感器背后出線口要做特別保護和固定，保證水流的沖擊力被保護管接收到，傳感器出線不會受力。

否則時間長了，傳感器出線肯定會斷裂！！！

④清潔傳感器上游存在的垃圾。