用于灌溉機(jī)井用水計(jì)量的新型插入式流量計(jì)研究

【摘要】針對(duì)農(nóng)田灌溉機(jī)井管道管徑小的特點(diǎn)，在電磁流量計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研究出一種專門用于農(nóng)業(yè)灌溉的新型插入式流量計(jì)。該流量計(jì)具有壓力損失小、量程大、安裝方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】灌溉機(jī)井；新型插入式流量計(jì)；傳感器

根據(jù)天津市節(jié)水發(fā)展趨勢(shì)，將縮減地下水開采量，提高水資源利用效率，對(duì)全市的農(nóng)用灌溉機(jī)井全部實(shí)現(xiàn)井口計(jì)量，全面推進(jìn)機(jī)井計(jì)量系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)井智能化管理。而流量計(jì)作為機(jī)井計(jì)量系統(tǒng)中的重要計(jì)量設(shè)備，高精度、低成本的流量計(jì)需求巨大。目前，高精度低成本的流量計(jì)處于空白狀態(tài)，因此研究新型插入式電磁流量計(jì)，以解決機(jī)井計(jì)量系統(tǒng)中流量計(jì)選型使用問(wèn)題，彌補(bǔ)市場(chǎng)空缺，有效降低機(jī)井計(jì)量系統(tǒng)的建設(shè)成本和維護(hù)成本。

1、當(dāng)前灌溉機(jī)井用水計(jì)量流量計(jì)存在的問(wèn)題

目前市場(chǎng)上用于農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井計(jì)量系統(tǒng)中的流量計(jì)主要為渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)，渦輪流量計(jì)的旋轉(zhuǎn)葉輪容易損壞，造成流量計(jì)的損壞，損壞后需將整個(gè)流量計(jì)拆解下來(lái)維修，且維護(hù)復(fù)雜；電磁流量計(jì)安裝方便，適用于地表水及地下水的使用計(jì)量，但價(jià)格昂貴，不利于農(nóng)業(yè)上使用。因此，研究一種農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井計(jì)量用的新型插入式電磁流量計(jì)，可解決成本高、安裝維護(hù)困難等問(wèn)題。

2、新型插入式流量計(jì)的工作原理

新型插入式電磁流量計(jì)應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律。傳感器測(cè)量管為內(nèi)襯絕緣材料的非導(dǎo)磁ABS短管，兩只電極沿管徑方向固定在測(cè)量管兩側(cè)， 其電極頭凸出于測(cè)量管表面。勵(lì)磁線圈為雙向脈沖勵(lì)磁時(shí)， 將在與測(cè)量管軸線垂直的方向產(chǎn)生一磁通密度為 B 的工作磁場(chǎng)。此時(shí)， 如果有一定電導(dǎo)率的流體流經(jīng)測(cè)量管， 將切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì) E。電動(dòng)勢(shì) E 與磁通密度 B、測(cè)量管內(nèi)徑D 和平均流速的關(guān)系如下：

E = kBdv

式中： E 為電極間的信號(hào)電壓，（ V；B為磁通密度，T ；d為測(cè)量管內(nèi)徑，m；v- 為平均流速， m /s；k， d為常數(shù)。

由于勵(lì)磁電流是恒流的， 故 B是常數(shù)， 則由上式可知， 體積流量 Q與信號(hào)電壓 E成正比， 即流速感應(yīng)的信號(hào)電壓 E 與體積 Q成線性關(guān)系。電動(dòng)勢(shì) E（電流信號(hào) ）由電極檢出并通過(guò)電纜傳至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將流量信號(hào)放大處理后， 可顯示流量、總量， 并能輸出模擬、脈沖等信號(hào)， 用于流量的控制與調(diào)節(jié)。因此， 只要測(cè)量出 E 就可確定流量 Q， 這就是新型插入式電磁流量計(jì)的基本工作原理。

3、新型插入式流量計(jì)的設(shè)計(jì)

3.1 電極設(shè)計(jì)

新型插入式流量計(jì)電極位置設(shè)計(jì)在傳感器的兩側(cè)，管道中的水流速不受流量計(jì)的影響，測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

將插入式流量計(jì)插入到管道中，當(dāng)水流動(dòng)時(shí)，會(huì)在兩側(cè)電極上產(chǎn)生極性相反的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)激磁電流為正負(fù)方波時(shí)，兩個(gè)電極也會(huì)感生方波信號(hào)，由電極上的兩根導(dǎo)線，將感應(yīng)的對(duì)稱方波信號(hào)傳至放大轉(zhuǎn)換通信裝置。新型插入式流量計(jì)的電極設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 新型插入式流量計(jì)電極設(shè)計(jì)圖

3.2 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)機(jī)井管道小口徑的特點(diǎn)，對(duì)傳感器外形進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在保證測(cè)量精度的前提下，將其設(shè)計(jì)成機(jī)翼形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以減小傳感器插入管道內(nèi)部所占用的截面積。設(shè)計(jì)傳感器的尺寸小于100mm。機(jī)翼形傳感器對(duì)介質(zhì)條件要求低，阻力系數(shù)最小，保證了壓損低、能耗小，而且具有對(duì)不太穩(wěn)定的流場(chǎng)進(jìn)行重新整流的效果，避免產(chǎn)生漩渦，流量系數(shù)穩(wěn)定性好、可靠性高，計(jì)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定精確。

傳感器內(nèi)部布置：將凸出的電極安裝在傳感器短邊的兩端，通過(guò)轉(zhuǎn)軸將兩個(gè)電極相連接，轉(zhuǎn)軸上設(shè)置工字型鐵芯，線圈纏繞在工字型鐵芯上。

傳感器外殼為ABS材料，具有無(wú)毒、耐腐蝕、抗氧化、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。新型插入式流量計(jì)的傳感器設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 新型插入式流量計(jì)傳感器設(shè)計(jì)圖

圖3 傳感器外殼實(shí)物圖

3.3 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換器主要是為傳感器勵(lì)磁線圈提供勵(lì)磁電磁，同時(shí)接收傳感器電極檢測(cè)到的電信號(hào)，通過(guò)中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示和遠(yuǎn)程通信。轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)支持485串行通訊、脈沖輸出，采用儀表放大器作為信號(hào)放大轉(zhuǎn)換的核心電路，轉(zhuǎn)換器協(xié)議支持同機(jī)井計(jì)量系統(tǒng)通訊。

轉(zhuǎn)換器以單片機(jī)作為測(cè)量流量、溫度等模擬信號(hào)的控制核心，以高性能低價(jià)格的儀表放大器作為信號(hào)放大轉(zhuǎn)換的核心電路，放大轉(zhuǎn)化器由放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、CPU數(shù)據(jù)處理器和濾波器組成。在軟件上通過(guò)使用一些智能算法和濾波設(shè)計(jì)，從而使流量計(jì)有更廣泛的適用性和靈活性。

3.4 新型流量計(jì)的特點(diǎn)

（1）安裝方便。傳感器可直接插入被測(cè)流體管道。與管段式電磁流量計(jì)相比，插入式電磁流量計(jì)體積小，可以在管道上任意位置打孔安裝，不用斷開管道（管段式電磁流量計(jì)需預(yù)先在管道上留出安裝位置）。

（2）壓力損失小。新型流量計(jì)傳感器插入管道的深度一般為管道直徑的1/4～1/8，且傳感器表面很光滑，因此壓損可以忽略不計(jì)。

（3）維護(hù)非常簡(jiǎn)單。只要拔出傳感器即可進(jìn)行維護(hù)，而對(duì)于管段式流量計(jì)來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有旁通管路的情況下，只能斷水才能進(jìn)行維護(hù)。

（4）生產(chǎn)成本比較低。插入式流量計(jì)的本體采用ABS塑料注塑而成，成本一般在管段式流量計(jì)的1/2～1/40，且被測(cè)流體管徑越大性價(jià)比越高。

3.5 適用范圍

流速范圍： 0.5～10m/s；

流量范圍：9～180m3/h；

測(cè)量管道直徑范圍： 80～200mm。機(jī)井管道尺寸為DN80、DN100、DN125mm。

應(yīng)用領(lǐng)域：農(nóng)田水利灌溉地下水計(jì)量。

3.6 安裝要求

（1）對(duì)直管段的要求。流量計(jì)可水平安裝也可垂直安裝在管道上，安裝時(shí)流量計(jì)軸線應(yīng)與管道軸線垂直，流量計(jì)的傳感器與管道軸線偏差角度要控制在±3°以內(nèi)。安裝要求上游直管段為10D、下游為5D。

（2）傳感器的插入深度。由于流體在管道中為層流，靠近管壁的流體流速較慢，靠近管道中心的流速較快，根據(jù)計(jì)算，管道的D/8處最接近流體的平均速度。安裝時(shí)要計(jì)算管道的壁厚和開孔固定儀器的鋼管長(zhǎng)度，確保傳感器的電極插深在D/4-D/8位置。

4、新型插入式流量計(jì)的試驗(yàn)應(yīng)用

新型流量計(jì)試驗(yàn)應(yīng)用裝置為一套完整的水標(biāo)定裝置，該裝置共有3個(gè)儲(chǔ)水箱，由電動(dòng)閥控制流量。大容量?jī)?chǔ)水罐容量為1m3，中等容量?jī)?chǔ)水罐容量為0.1m3，小儲(chǔ)水罐容量為0.01 m3。大儲(chǔ)水罐用來(lái)測(cè)量流量較大的情況；小儲(chǔ)水罐控制流量的精度高一些，可以測(cè)量小流量及始動(dòng)流量等。裝置的精度達(dá)到工業(yè)標(biāo)定的要求，試驗(yàn)被測(cè)管道無(wú)劇烈振動(dòng)，滿足試驗(yàn)條件。

4.1 信號(hào)的穩(wěn)定性

當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒后，啟動(dòng)水泵，管道中的水開始流動(dòng)。此時(shí)，在新型流量計(jì)轉(zhuǎn)換器電路的輸入口用示波器測(cè)量時(shí)可以觀察到圖3所示的波形圖。由圖3可以看到，傳感器上的電極信號(hào)良好，波形清晰，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量的數(shù)值非常穩(wěn)定。

圖3新型流量計(jì)電極信號(hào)波形圖

4.2 測(cè)量精準(zhǔn)度和一致性

在確定電極上有穩(wěn)定的信號(hào)后，在不同流速下進(jìn)行流量計(jì)的一致性和精準(zhǔn)度試驗(yàn)。

由表1可以看出，流量計(jì)的一致性為±0.5%，精度達(dá)到±1.5%，符合工程標(biāo)準(zhǔn)，流量計(jì)精度達(dá)到1.5級(jí)。

5、結(jié)論

用于灌溉機(jī)井用水計(jì)量的新型插入式流量計(jì)的研究，解決了老插入式流量計(jì)無(wú)法在小口徑管道上使用的瓶頸問(wèn)題。新型插入式流量計(jì)體積小，安裝維護(hù)方便，生產(chǎn)成本低，比渦輪流量計(jì)成本降低30%～40%，比電磁流量計(jì)降低50%～70%。價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，在農(nóng)業(yè)用水計(jì)量系統(tǒng)中利用價(jià)值很大。

作者簡(jiǎn)介：田家賓（1985-），男，工程師，從事水利信息化研究工作。