便携式超声明渠流量计校准装置设计*

陈汉松 陈国宇 赖森豪

（广州能源检测研究院，广东 广州 511400）

0 引言

超声明渠流量计具有对液体介质要求低、安装方便、维护简单、使用寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、精度高、测量范围广和价格便宜等特点，广泛用于企业污水排放量计量等领域[1]。它既是环保部门监测污水排放，防止偷排的计量器具，又是部分污水厂污水处理费用结算的计量器具，故保证其计量准确性具有极其重要的意义。

目前，国内便携式超声明渠流量计校准装置大部分测量液位的传感器是磁致伸缩浮子液位计，如桑晓鸣等研究的便携式明渠流量计检定装置[2-4]。这种液位计必须在流量计水流充足的情况下，才能完成流量计的满量程测量，而且在流量调节过程中，耗时较长。

现实中，企业生产往往有淡季与旺季之分，每个时期排污量不同，且排污时不一定有水量控制设施，故采用磁致伸缩浮子液位计的校准装置在满量程测量与快速测量方面有一定的局限性，给企业带来极大的不便。

为此，本文设计一种便携式超声明渠流量计校准装置，可快速、准确地完成超声明渠流量计的校准。

1 超声明渠流量计的工作原理

超声明渠流量计由量水堰槽（以巴歇尔槽量水堰槽为例，如图1所示）和二次仪表（含液位检测、运算、显示功能）组成，其测量原理如图2所示。

图1 巴歇尔槽量水堰槽示意图

图2 超声明渠流量计测量原理图

首先，利用超声传感器测出实际水头高度（即液位）；然后，在二次仪表中利用量水堰槽的水位-流量表计算水流流量，并对流量进行时间积分，得到累积量；最后，显示瞬时流量及累积量、水头高度等信息，并上传至上位机。由此可知，超声明渠流量计的计量准确度取决于液位测量准确度和量水堰槽物理尺寸的规范性[5-7]。

2 校准装置构成

便携式超声明渠流量计校准装置由水位模拟校准平台，控制模块、平板电脑模块和外观校准工具模块构成。

2.1 水位模拟校准平台

水位模拟校准平台示意图如图3所示。

图3 水位模拟校准平台示意图

水位模拟校准平台主要包含卡口、支架、导轨、滑块、伺服电机、底座、3个水平调节螺丝、水平仪、反射平板和丝杆（密闭在支架内部）等部件。其中，伺服电机是水位模拟校准平台的核心部件，它根据脉冲的个数，准确转动相应角度；并通过与齿轮、丝杆特定的传动比例，准确控制反射平板的移动距离；且反馈转动脉冲，有效减少转动错误的发生[8-10]。

水位模拟校准平台的主要作用：模拟水位；接收平板电脑的指令，将反射平板准确移动到特定位置。

2.2 控制模块

控制模块包括24 V直流电源、无线发射接收模块和 PLC模块。其主要作用：驱动水位模拟校准平台，并作为水位模拟平台与平板电脑模块间通讯控制的硬件部分。

2.3 平板电脑模块

平板电脑模块包括无线发射接收模块和显示器。其主要作用：具有显示与操作装置的界面；控制电机移动；收集检测数据、自动计算校准结果，生成校准原始记录。

2.4 外观校准工具模块

外观校准工具模块包括粗糙度比较模块、钢直尺、量油尺和角度规等，主要用于校准便携式超声明渠流量计量水堰槽的外观。

3 校准顺序

便携式超声明渠流量计校准装置现场安装示意图如图4所示，按图5所示液位测量点进行校准，校准流程如图6所示。

图4 便携式超声明渠流量计校准装置现场安装示意图

图5 液位测量点示意图

超声明渠流量计校准步骤如下：

1） 在平板电脑模块的校准界面进行超声明渠流量计选型，并添加被检超声明渠的信息；

2） 用外观校准工具模块按照相应类别的超声明渠外观要求，检测超声明渠流量计的量水堰槽外观是否合格；不合格直接输出原始记录，合格继续进行下一步检测；

3） 在无水的超声明渠流量计量水堰槽中，安装水位模拟平台；调节水平调节螺丝使反射平板水平放置；平板电脑控制伺服电机，使反射平板降至最低点（0点）；同时设置超声明渠流量计二次仪表的液位显示为0；

4）根据超声明渠流量计的液位量程（H）均分5个点（如图5所示），并设定伺服电机移动的步长（即每次移动的距离）；

5） 移动反射平板到第1个校准点，平板电脑模块显示标准液位为h标（反射平板移动的距离），平板电脑根据内置的相应槽型的公式计算出标准流量值Q标；同时弹出窗口，提示用户输入被检超声明渠二次仪表的液位值h示与流量值Q示；根据式(1)和式(2)计算该点该次的液位与流量的示值误差；

式中，Δh为液位示值误差；ΔQ为流量示值误差。

6） 重复步骤5），得到第2个、第3个、第4个和第5个校准点的第1次的检测结果。

图6 明渠流量计校准流程图

7） 校准过程控制示意图界面弹出是否开始下一次全程的检测，得到是指令后，反射平板自动移至0点，重复步骤5）、6），分别得到第1～第5点的第2次检测结果；同理得到第1～第5点的第3次检测结果；校准过程控制示意图界面弹出校准结束及校准的实验数据（含每点的液位与流量示值误差平均值等）及原始记录，并输出原始记录。

8） 反射平板返回0点，校准结束。

4 便携式超声明渠流量计校准装置测试

便携式超声明渠流量计校准装置图（不含外观校准工具模块）如图7所示，包括水位模拟校准平台、平板电脑模块和控制模块。

图7 便携式超声明渠流量计校准装置图

便携式超声明渠流量计校准装置最主要的参数是液位测量的准确性，经第三方检测，液位测量数据如表1所示。

表1 液位测量结果 单位：mm

5 结语

本文设计的便携式超声明渠流量计校准装置具有以下特点：无需排水情况下，实现超声明渠流量计的全量程校准；安装方便，只需将设备放置在水槽中，调好水平即可；半自动校准，省时省力；无线操作校准过程，自动记录检测数据，并能自动生成校准记录；具有较高的准确度，最大允许误差绝对值在 0.2 mm以内，有较高的实用价值。