流量传感器在水资源监测能力建设的应用探讨

韦汀贵

（广西武水工程设计咨询有限公司，广西南宁 530000）

随着社会的发展和经济的发展，水资源的需求量越来越大。水资源是人类生活不可或缺的物质基础。随着我国经济的快速发展，我国的水资源管理也步入了新的发展阶段。为准确把握水资源动态、保障用水安全和社会发展的需求，对水资源进行了全面、系统的监测。在全国各地，都有大量的水库、江河站点，以保证水资源的安全，改善水资源的管理。同时水资源是人类生存和发展的重要基础，然而随着人口增长、气候变化和环境污染等因素的不断加剧，水资源的安全性和可持续性受到了极大的威胁，因此建立水资源监测能力成为保障水资源安全的关键。

广西水资源的监测还存在着很多问题，根据这些问题，本文从仪器的角度，对流量传感器的应用进行了研究。流量传感器是实现实时水量控的关键设备。在水资源监控能力建设工程中，目前应用的流量传感器有两类：电磁流量计和超声波流量计。本文对这两种类型的传感器进行了比较和分析。

1.1 水资源监测系统不完善

目前，我国水资源监测体系尚不健全，在许多方面仍有不足之处，例如，建立了不合理的水情监测点、没有设立专业的测报机构、测报设备不健全等。鉴于其重要性，政府在水资源的监督管理上下了很大的功夫。然而，由于对水资源的监控投资十分有限，使得对水资源的监控工作很难进行。与此同时，我国的水资源保护意识尚未形成。尽管我国已经出台了有关的法律、法规来维护水环境，但在水资源的环境保护上，仍然存在着监管不力的问题，例如，水资源的浪费、水资源费不能按量足额征收等问题。因此，对水资源的监督力度还有很大的提升空间[1]。

随着我国经济的不断发展和相关行业的快速发展，人们越来越关注水的问题，但目前尚无一个清晰的规范和有效的管理手段。由于缺少有效的监督、管理，有关部门难以有效地监控水质，造成富营养化、缺氧等问题。此外，由于没有对水环境进行有效的监督和控制，导致一些地区出现了水污染问题，未及时采取相应的应急措施，导致了严重的后果。

为此，必须加强对水资源环境监测和监督的建设和重视，改善和完善监测体系。

1.2 缺少先进的仪器设备和先进的管理方法

目前，我国水资源的监测与管理仍处于手工监测的状态，缺乏现代化的检测手段。许多工作人员在进行水资源监测时，往往无法准确地进行数据分析，更别提使用现代仪器进行数据分析。这使得我国的水资源监测工作质量不高，难以对全国的水环境进行科学的监测。同时，随着科学技术的发展，人们对水质的要求越来越高，传统的人工监测方法也越来越不适应。为此，必须加强对水资源的自动监控技术和仪器的研制，以减少人工观测的困难。同时将自动测量技术、人工智能技术与信息技术有机地结合起来，使我国的水资源管理工作能够达到自动化的目的。

2.1 电磁式流量传感器

2.1.1 工作原理

根据其结构和安装方式，可将其分为管段式和插入式两种。这两种类型都是按照法拉第电磁感应原理来设计的。

管段型电磁流量传感器的外型是一段测量管，其周边装有一对探测电极，该探测电极与测量管的轴心和磁场磁力线互相垂直的管壁上装有一对探测电极，在该测量管的交流磁场中，该导电液体与磁力线成竖直的方向移动时，该电流通过该电流感应电流产生一个与该电流速度成比例的电压，该感应电压U 是：

式中：D——被测管子的内径；
B——感应磁场的强度；
V——在管子横断面上的平均速度；
K——仪器的恒定值。

插入式电磁流量计的外型是一种带有两个电磁线圈的针状圆筒。在法拉第实验中，测量管中的导体材料是由两根在上、下两端的电磁线圈构成的。在管子中有两个电极检测到的传导介质流动时，会产生一个感应电压，该电压是：

式中：L——导线的长度。对于插入式EMI，管道内的导电流体即为在磁场中移动的导体，两个电极之间的间距即为导线长度L。

2.1.2 性能及特点

（1）两种型式都是整体式焊接，具有优良的密封性和结构简单、可靠性；
它的安装对管道的压力损失小，使用寿命长；
该方法的测量精度达到1 级，并且不会受到介质的压力、温度、密度（包括固-液比率）等物理参数的影响；
数据的输出可以是4～20mA，也可以是RS-485。

（2）管段传感器没有阻流元件，因此不会阻塞液体的流量。

（3）插入式传感器可以安装和拆卸而不会断电。

2.1.3 安装条件

这两种类型的电磁流量传感器必须安装在便于维护、管道不振动、不受强电磁干扰、不受热辐射影响的地方。因为电磁流量传感器对管内流速分布和旋转流的影响较大，所以，在传感器中引入的液体必须是完全发育的管流，所以必须按照换能器的上游侧的阻流件类型来配置所需的直管节或流调器，如果上游的阻流件状况不清楚，则建议采用5D，后直管为3D；
如果安装空间达不到以上的要求，可以将流量调节器安装在阻流片和传感器之间[2]。

2.2 时差法超声波流量传感器

2.2.1 工作原理

超声波在流体中传播时，会把液体的流速信息加载进去，所以超声波就能对液体进行探测，并将其转换为流量。这种传感器通常装有两个声电式换能器，分别装在一段水直管的上游和下游，通过上下两个换能器分别发送和接收超声波。由于超声波在传播过程中会与水流的流速进行矢量叠加，所以在下潜和上潜过程中所用的时间是不同的，而所得的时差与水流的流速是直接相关的。

传感器A、B 成对地安装在导管的两边，它们交替地发出和接收超声信号。当传感器B 在顺流方向上发出超声波，在t1表示从B 到A 的超声波信号需要在t1处，然后在通道流动方向上从传感器A 发出超声波，在t2处需要用到超声波。

式中，lp——声波的传播通道的长度；
c——静流体中声波的传播速率；
v——沿着管子的轴线方向上的液体的流速；
vp——声道的液体的速度成分；
θ——声波在管道中的传播方向与管道轴线的角度。

从上面的公式可以看出，只要测量t1和t2，就可以求出液体在管道的轴向方向上的流速，以及流体的瞬间和累积的流速。

2.2.2 性能及特点

（1）根据不同的安装方法，时间差法超声波流量传感器可以分为两类：外夹式和插入式。两种安装方式都可以不间断地进行安装和拆卸。

（2）该方法具有1 级的精确度。实验结果表明，测量结果与实验介质压力、温度、密度（包括固-液比率）等物理参数的变化无关。

（3）以4～20mA 或RS-485 的方式输出数据[3]。

2.2.3 安装条件

两种安装方式的传感器都可以不停地安装，并且在所安装的管线中要充分地填充介质。为了保证测量的准确性，需要在确定管道安装材料、壁厚等表体参数以及准确地确定传感器安装距离之后才能进行安装。为了保证在安装前不会受到介质干扰而造成的湍流和气泡的干扰，在安装前，应先确定管线的前10d 和后5d的安装距离。

2.3 对两种传感器的总结

（1）上述几种类型的传感器都可以实现对两相流动的检测，如悬浮物、固体颗粒、纤维等，适合于对水资源的实时监测。

（2）由于管段电磁流量计的测量是基于全管线的流速，所以它的测量精度高，但是成本高，而且随着管径的增加，成本也会随之增加。同时，由于管道段传感器是作为管道的一部分被加入供水系统中，因此在安装过程中需要停水，这对实际使用带来了一定的不便。

（3）插入式电磁流量传感器的优点是安装容易，对安装面的要求非常低（只需要很少的传感器安装表面），能进行水压安装，适用于不能进行停水安装的已建成供水系统。

插入式电磁流量传感器是一种可以直接安装在管道中测量流量的设备，具有测量精度高、稳定性好、维护方便等特点，被广泛应用于水资源监测能力建设中。在水资源监测中，插入式电磁流量传感器主要应用于以下两个方面。

水资源调度：通过实时监测管道中的水流量，可以及时掌握供水量和用水量，从而为水资源的合理调度提供依据。当管道中的水流量超出预设的范围时，系统会发出警报，以便及时处理问题。

水质监测：通过插入式电磁流量传感器的测量，可以获取水流速、流量和水温等数据，从而判断水质的变化情况。当水质异常时，系统会发出警报，以便及时采取措施。

（4）采用外夹型超声流量传感器，不需要对输水管进行机械加工，可以利用其管壁的透声特性，将其外包于管道内，从而达到测量流体速度的目的。但是，由于这种传感器必须用于管道的透声、管壁对超声波的衰减很大，而在管路中进行超声传递时，需要有较平滑的管壁，所以，采用外夹式传感器通常适用于管道声学条件较好、管径较小、受环境电磁干扰较少的情况下。在水资源利用效率评估上可以通过外外夹型超声流量传感器的测量，获取管道中水的流量和水温等数据，从而评估供水管道的运行效率。

（5）插入式超声流量传感器克服了外夹式超声波流量计的固有缺点，适合于管径较大、管壁较差的输水管。由于它具有独特的安装过程，所以也能达到不停水和带（水压）作业。随着外夹式超声波流量计的应用，发现其存在传感器安装使用钢带（索）或其他型式（如磁性夹紧座）等固定，传感器容易移位，耦合剂会流失，传感器探头的距离等问题，对仪表示值造成很大的误差，有时会更加严重。此外管道直径太大都会引起超声波信号的大幅度衰减，严重时无法计量。鉴于外夹式超声波流量计存在的上述问题，在生活水、过滤水和低硅胶水管线上改为插入式超声波流量计。经过长时间的现场应用，插入式超声波流量计的示值可靠，经上级检定测量结果准确。在实际应用中，要根据工程实际，选用合适的流量传感器，使其达到最佳的性能[4]。

水资源保护监测建设的主要目的是：建立监测站网，改造实验室，建设仪器设备，建设自动监测站，建设人员队伍，对地下水进行监测、分析、评价、预测、预警，直接服务于水资源监测和保护工作，同时服务于水资源开发和利用，抑制肆意破坏水资源和生态环境的行为，有利于水资源合理开发、高效利用、有效保护，实现水资源评价、规划、配置、调度、节约、保护的综合管理，为经济社会的发展提供技术支撑。

本文就流量传感器在我国水资源监测能力建设中的应用进行了讨论，以期能够为广大水利人员的科学决策提供参考。

3.1 对水资源的监测

目前，我国水资源的监测尚处于初级阶段，通过对各主要河流、湖泊、地下水等水资源状况的调研和分析，能够更好地掌握和掌握水资源的状况。通过对有关数据的分析和比较，为以后的水质监测提供可靠、可重复利用、操作简便、快速的数据支持。

目前，我国大多数地区尚未对水文观测系统进行全面、精确的规划与设计，最常用的方法就是利用常规的方法来建立水文观测点，对其进行优化和改造，可以有效地提高测控系统的精度、效率和费用。

3.2 技术革新需要

随着技术的进步，常规的检测手段已难以适应高精度、高效率的要求。在这一背景下，各种新的传感器和新技术相继问世，并在水质流量监测中得到了广泛的应用，例如，超声波流量计在传统的流量测量中完成了对流量的处理和分析；
超声波传感器因其体积小、重量轻、不受流动影响的特点，能够实现对高精度流量数据的实时测量；
利用智能采集技术，对水质进行多点监测，并利用软件对水质进行监测。同时为了适应水资源监测能力建设，相关的传感器也应该逐步进行科学技术上的革新，以适应新时代不同的需求。

随着我国水资源管理的不断深入和精细化，对其进行全方位、全天候的监控要求也越来越高[5]。

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