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双声道超声波流量计说明书

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一、 产品介绍:

      欢迎您选择使用性能优异、功能多、采用了多项专利技术的超声波流量计。超声波流量计同时支持单声道与双声道,采用最新32位处理器 Cortex-M4 为CPU,具有运算块,浮点运算能力强等优点;超声波流量计适用于工业环境下连续测量不含大浓度悬浮粒子 或气体的绝大多数清洁均匀液体的流量和热量。

超声波流量计具有如下典型特点:

(1). 同时支持单声道与双声道,并且当一个声道异常或者不接时,可以依据信号质量,自动切换为单声道运行;

(2). 采用最新 32 位 Cortex-M4 内核 CPU 作为处理器核心,使用 64 位浮点运算,计算不丢失精度;

(3). 采用高速 ADC 对超声波信号进行采集,具有超声波波形还原与重构技术;采用精度时间测量芯片,超声波飞行时间精度可达 22 皮秒;

(4). 单板、全贴片工艺,全部使用 SMT 机器焊接,大大降低了电路板虚焊、漏焊、短路等问题。

       超声波流量计使用了最新的著名国际半导体厂商,例如 ST、ADI、TI、安森美等, 生产的超大规模集成电路设计而成。硬件数目少,低电压工作,多脉冲发射,低功耗, 高可靠性,抗干扰,适用性好。优化的智能信号自适应处理,用户无需任何电路调整, 就像使用万用表一样方便简单。

       本手册针对超声波流量计,对该系列产品的多种机型的功能、安装及操作进行了详细的介绍。

1、流量计特点

       流量计是基于微处理器技术,自身完备的流量测量仪表,与其它常规类型流量计或 其它超声波流量计相比,除具有高精度、高可靠性、高性能、低价格的显著特点外,还 具有诸多特点与功能,其典型特点与功能如下所示。

* 0.5%线性度,0.2%重复性

* 非导电/特殊介质测量

* 低电压多脉冲平衡发射接收

* 正向/负向/净累积器

* 隔离 RS-485 接口,支持 MODBUS RTU

* 抗干扰设计,电气隔离的直流电源供电

* 内置热量测量/热量计

* 内置批量/定量控制器

* 2 路二线制 PT1000 铂电阻输入电路

* 压铸铝外壳(固定式)

* 1 路模拟 4-20mA 输出

* 可选直流/交流/220 交流供电

* 每个周期采样次数提高到 128 次

* 内部 64 位浮点数据处理

* OCT 频率信号输出

* 22 皮秒时差测量分辨率

       流量计采用世界上先进的集成电路及微处理器实现智能控制,生产过程中无需调整 任何元器件参数,全部 STM 焊接,产品一致性好,保证每一台出厂的机器都达到最佳性 能、最好工作状态。

2、 双声道超声波流量计/热量表不同传感器的组合图片(供回水各增加一只铂电 阻即可实现热量测量,图片不做展示)

 

3、 主机尺寸及接线图

4、 主要性能指标

二、测量主机显示及操作说明

1、 供电电源

      TDS-100 型主机可同时支持(18-32)DCV 和 AC220V,但是其接线对应与不同的接线端子。一体主机只支持(18-32)DCV。

2、 键盘输入与操作

16 键键盘:

       超声波流量计均可以支持 4*4 键盘输入(低功耗或者 4 按键流量计可以使用上位机 软件输入),键盘如下图所示, 0 ~ 9 和 . 键用于输入数字或菜单号; ◄ 键用于 左退格或删除左面字符;▲/+和▼/-用于进入上一菜单或下一菜单,在输入数字时,相 当于正负号键;ENT 键(以下简称 Ent 键),为回车键,也可称为确认键,用于“确认” 已输入数字、所选择内容或者菜单窗口;另一个功能是在输入参数前按此键用于进入 “修改”状态;MENU 键(以下简称为 M 键)用于访问菜单,依次键入 M 键 1111 进入分 组、ENT、▲/+和▼/-、ENT 进入到相应分组,MENU 窗口地址码、Ent 键,即可进入数字 对应的菜单窗口。

 

       流量计采用了窗口化软件设计,所有输入参数、仪器设置和显示测量结果统一细分 为多个独立的窗口表示,使用者通过“访问”特定的窗口即可达到输入参数、修改设置 或显示测量结果的目的,见窗口详解一章说明。

       访问窗口的快捷方法是在任何状态下,键入 MENU 1111 键,ENT,使用按键▲/+和 ▼/- ,ENT 键,▼/-键,进入对应分组,再键入 MENU 及对应窗口好即可,详见窗口列 表。

       窗口显示分为五组:(1)流量热量显示;(2)参数设置与调试;(3)输出输入 设置;(4)流量修正设置;(5)热量计量设置;

3、菜单结构图

 

4、 主菜单

       键入 MENU 1111,ENT 确认,进入主菜单,仪表有五项菜单,显示如图:

(1)流量热量显示;(2)参数设置与调试;(3)输出输入设置;(4)流量修正 设置;(5)热量计量设置;

         一般情形下,如果想进行“修改”操作,必须先键入 ENT 键(数字型窗口可以省掉) 如果出现键入 ENT 键后,不能进入修改状态的情况,是不可修改的数据(纯显示型)。

5、 流量热量显示

       键入 MENU 1111,ENT 确认,进入主菜单,ENT 进入切换状态,▼/-切换至 流量热量显示,ENT 确认,▼/- 进入流量热量显示,如图:

6、 安装参数

键入 MENU 1111,ENT 确认,进入主菜单,ENT 进入切换状态,▼/-切换至 参数设 置与调试,ENT 确认,▼/- 进入参数设置与调试,如图:

7、 输入输出设置

键入 MENU 1111,ENT 确认,进入主菜单,ENT 进入切换状态,▼/-切换至 输入输 出设置,ENT 确认,▼/- 输入输出设置,如图:

8、 流量修正

键入 MENU 1111,ENT 确认,进入主菜单,ENT 进入切换状态,▼/-切换至 流量修 正,ENT 确认,▼/- 流量修正,如图:

9、 热量计量设置

键入 MENU 1111,ENT 确认,进入主菜单,ENT 进入切换状态,▼/-切换至 热量设 置,ENT 确认,▼/- 热量设置,如图:

三、传感器安装和使用说明

1、 传感器技术参数

1.1 插入式传感器

1.2 外夹式传感器

1.3 管段式传感器

2、 传感器的选型

2.1 插入式传感器

特点:

(1). 插入式传感器与被测液体直接接触,可提高仪表可靠性;

(2). 解决外夹式传感器不能长时间稳定运行的问题; 

(3). 解决了结垢较厚的管道时不易接收到信号及长时间测量信号衰减的问题;

(4). 可带压不停水安装。

适用管道:碳钢、不锈钢、铸铁、水泥、PE、PVC 等可承受开孔安装的所有管道。

2.2 外夹式传感器

特点:(1). 外夹式传感器无需破坏管道捆绑到管道外表面即可进行安装测量。

          (2). 外夹式传感器安装无需挺产、无压损。

适用管材:碳钢、不锈钢、PE、PVC 等超声波可穿透的管道。

2.3 管段式传感器

特点:(1).  无需专业人员安装,解决了外夹式和插入式传感器在安装过程中由于人为 或被测管道参数不准确引起的误差而造成测量精度下降的问题。

          (2).  具有测量精度高,稳定性好、免维护等特点。

3、 传感器的安装 (以单声到安装为例,另一声道安装方式相同)

3.1 传感器的安装位置

       为保证测量精度和稳定性,传感器的安装点应选择在流场分布均匀的直管段部分(正常使用时管道中必须充满液体),必须遵循以下原则:

(1)选择满管的位置,如垂直管段(流体向上流动)或水平管段。

(2)安装点应选择上游大于 10 倍直管径、下游大于 5 倍直管径以内无任何阀门、 弯头、变径等均匀的直管段,安装点应充分远离阀门、泵、高压电和变频器等干扰源。

(3) 避免安装在管道系统的最高点或带有自由出口的竖直管道上(流体向下流动)

(4)对于开口或半满管的管道,流量计应安装在 U 型管段处。

(5) 两个传感器必须安装在管道轴面的水平方向上,并且在轴线水平位置±45°

范围内安装,以防止上部有不满管、气泡或下部有沉淀等现象影响传感器正常测量。如 果受安装地点空间的限制而不能水平对称安装时,可在保证管内上部分无气泡的条件 下,垂直或有倾角地安装传感器。

3.2 仪表井施工要求

传感器需要安装在仪表井里时,需要有一定的安装空间,以便于人能直立工作,管壁到 墙壁之间的距离至少 550mm 以上,即宽度 W >(D+550×2)mm,水泥管道 W >(D+700 ×2)mm,仪表井轴向宽度 L>D+1200mm,

3.3 插入式传感器的安装方法

安装方式:Z 法,适用于 DN80 以上,插入传感器只推荐 Z 法安装。

传感器类型:插入 B 型

安装工具:需本公司提供的专用开孔工具、400w 手电钻(最好是可高层调速)、扳手等。

安装距离 L:传感器沿管轴方向的距离,或 L=内径-9.113mm。以水平管线为例,如图:

Z 方式 俯视图(水平管线)

(1)安装点定位

制作定位纸:取一条长 4D(D 为管径),宽 200mm(或 D)的矩形纸带(可以用防湿、防腐蚀的 材料代替纸带),在距边缘约 100mm 处划一条线;缠绕在表面已清理干净的管道上,注意纸两边重 合对齐

延长定位纸上的直线在管道上划一直线,所划直线与定位纸一边缘相交点为 A;从 A 点开始,沿着 定位纸边边缘量出管道 1/2 周长,该平行交叉点为 C,在 C 点划一条与管轴平行的直线(也就是与 定位纸上的直线平行);

去掉定位纸,从点 C 开始,在所划直线上量出安装距离 L,从而决定出 B 点。 这样 A、B 两点为安 装位置;例如 L=280mm,将球阀底座分别焊接在 A 和 B 两点上。

 

(2)焊接球阀底座

       对于可焊接管材(如钢、不锈钢等)将球阀底座直接焊在管道外壁上(不锈钢管需不锈钢底座, 定货时请注明)。焊接时注意一定不要夹杂气孔,以防漏水,甚至断裂。         对于不可直焊接管材(如铸铁、水泥管等),需采用定制的专用管箍(带密封用胶垫),球阀 底座已事先焊在管箍上,将管箍直接紧固到被测管道上,保证球阀底座中心点与 A 和 B 两点重合, 然后将球阀紧固在已焊有底座管箍上。

(3)钻孔

       将开孔器密封护套与特制球阀外螺纹连接,拧紧后,打开球阀,推动钻杆直至与管道外壁接触, 将手电钻与钻杆接好锁紧,接通电源,开始钻孔,在钻孔过程中电钻保持低速转速不要过快,以免卡钻,甚至钻头折断,钻透后,拔出钻杆直到开孔器钻头的最前端退至球阀芯后,关上球阀,卸下开孔器。

(4)传感器的装入

       把锁紧螺母旋至传感器底部,将传感器旋入特制球阀,旋至球阀芯时,打开球阀,继续旋入传 感器,直至传感器前端伸出管道内壁,调整好传感器的角度,(两个传感器进线孔应同时向上或向下), 紧固好锁紧螺母,最后将线接好后,拧紧密封盖,以防漏水。

传感器伸入管内壁尺寸计算

       插入式传感器为不锈钢模具精铸,传感器的长度 A(出厂时 A 值已固定)和管壁厚度 B 已知, 传感器留在管道外侧长度 L 也可测量,只需 L= A-B ,并使 C=0 即可。各型号的长度 A 值: 标准 插入 B 型:A=170mm/水泥插入 B 型:A=310mm

3.4 外夹式传感器的安装方法

       首先将欲安装传感器的区域清理干净(最好用角磨机),除掉锈迹及防锈层等,在欲安装传感 器管壁位置上涂上足够的耦合剂,然后把传感器紧贴并捆绑好,注意传感器和管壁之间不能有气泡 及沙砾。

安装距离

       以两传感器的最内边缘距离为准(参见安装示意图)。

安装方式

外缚式传感器的安装方式共有四种。分别是V法、Z法。以水平管线为例,如图:

V 法(适用于DN15-DN200mm范围内)

       V 法是比较标准的安装方法,使用方便,测量准确,安装时两传感器水平对齐,其 中心线与管道轴线水平即可。

Z法(适用于DN200mm以上或V法测不到信号或信号质量差时)

Z法的特点是超声波在管道中直接传输,没有反射(称为单声程),信号衰耗小。

安装步骤:

(1)接线(如图)信号电缆的屏蔽线可悬空不接,不要与正、负极(红、黑线) 短路;

(2)密封防水,接好线后必须用密封胶(耦合剂)注满, 盖好盖后,必须将传感器屏蔽线缆进线孔拧好锁紧,以防进水;

(3)安装传感器,使用角磨机将欲安装传感器的区域抛光,除掉锈迹油漆或防锈层,并用干净抹布蘸丙酮或酒精擦去油污和灰尘,然后在欲安装传感器的中心周围管壁 涂上足够的耦合剂,最后把传感器紧贴在管壁上并捆绑好,夹具(不锈钢带)应固定在传感器的中心部分,使之受力均匀;注意传感器和管壁之间不能有空气泡及沙砾。

3.5 管段式传感器的安装方法

管段式传感器的安装方法

       标准管段式传感器具有测量精度高、安装简单等特点。根据现场情况,用户需提前 向厂家订做,并提供实际管道参数,出厂前将参数置入机器内,现场无需输入参数,只 需选好安装点断管焊接法兰连接即可测量。

传感器接线方式与插入传感器的接线方式相同。接线图如下:

 

四、附  录 :

串口及通讯协议

§1.1 概述

       流量数据采集可以使用本公司研制开发的通用/专用流量/热量数据监控系统,该系 统基于 TDS-100 流量计的特点,充分利用了流量计特色的软硬件设计,具有投资少、系 统简单明快、运行可靠等特点。

       目前还已经有了多家第三方厂商的专门支持 TDS-100 系列流量计的数据采集软件 供用户选用,其中有些小的软件是免费的,特别方便小用户的组网使用。

       为了通讯调试的方便,新版 TDS-100 设有一个模拟运行状态。在此状态下,流量计 不需要接入管道,即可模拟工作,用于调试,参看下一节的问答。

§1.2 关于通讯方面问题的问答

(1) 问:为什么连接不上流量计?,接上后它不做任何反应?

答: A. 检查串口参数是否匹配。 B.检查物理连线是否接好 C.网络地址是否设置正确 (2) 问:为什么 MODBUS 读出的量值乱七八糟的,和显示值完全不 一致?

答:一般来说如果 MODBUS 协议能够读出数据就表明协议本身没有问题了。 乱七八糟的数据是因为存在如下错误:

A.数据格式错误; B.寄存器地址有误,导致数据发生了位移而产生 错误。

       比如 REAL4 这种实型变量(IEEE754 格式的单精度浮点数),按 照字和字节共有4种不同的排列方式,TDS100使用的是最常规的一种, 即低 word 和高 byte 在前格式。您可以修改您的软件的数据存放格式解 决这个问题。如果使用通用的组态软件,则组态软件一般具有一个选 择格式的方法。

(3) 问:我的系统要求每次 1 小时只发出一次命令然后要求同时 收到多个变量,应该使用 那个协议?

答:一条 MODBUS 命令可以一次读出很多变量。

问:为什么通过协议读出 的量值和流量计显示的不一致?

答:A. 确认变量地址是否就是您要求的那个变量?因为流量计内部的变量 太多,是否混淆了? 注意在读取数据时,REG 0001 在命令字符串中表 示为 0000,而不是 0001。0001 在命令字符串中表示读出 REG 0002 的 内容。 B.对于累积量只能显示 7 位 10 进制数字,而通过 MODBUS 协议可以 读出 8 位 10 进制数字。这种情况下,读出来的数值的后 7 位是一样的。

(4) 问:我的系统不能支持长整数以及实型变量格式,应该怎么办?

答:需要采用数值转换方式,或查找新驱动程序解决。

(5) 问:MODBUS 有测试程序吗?

答:有!推荐使用 MODSCAN 这个软件,可以在网上搜到。这个程序很是 方便,有助于方便检查读出的数据,理解各种类型数据的含义。

(6) 问:流量计是否具有模拟运行状态以方便测试,怎样设置?

答:有!M1111 进入液晶显示分组,ENT 键切换至输入输出分组,M307 选 择模拟运行,M308 设置瞬时流量,即启动模拟运行状态。

(7) 问:使用 C 时,浮点数存放顺序是怎样的?

答:例如 3F 9E 06 51 四个字节为 1.2345678 的 IEEE754 格式单精度浮点形式。

在 MODBUS 数据流中的顺序是 06 51 3F 9E,1 号地址数据流应该是 01 03 04 06 51 3F 9E 3B 32(十六进制数字)。在 X86 计算机中使用 C 语言时,按照 内存从低到高存放顺序 51 06 9E 3F。

再例如读取净累积寄存器 REG25,REG26 两个寄存器命令如下: 01 03 00 18 00 02 44 0C(十六进制数字)

返回数据应该为(设净累积器=802609,其 4 字节 16 进制表示为 00 0C 3F 31) 01 03 04 3F 31 00 0C A7 ED(十六进制数字,A7 ED 为效验和)

§1.3 MODBUS 协议

       MODBUS 协议的两种格式都能支持,默认状态下支持 MODBUS-RTU 格式。               TDS-100 型系列超声波流量计/热能表只能支持 MODBUS 功能代码 03 和 06 以及 16 三种功能代码,分别是读寄存器和写单一寄存器以及数据块写入功能。

       例如在 RTU 方式下读取 1 号设备的流速,即读寄存器 5,6 共 2 个寄存器,命令如下: 01 03 00 04 00 02 85 CA (十六进制数字)设备号功能起始寄存器寄存器数目 效验和其中 85 CA 是 16 进制数值,是按照 CRC-16 (BISYNCH,多项式是 x 16 + x 15 + x 2 + 1 屏蔽字为 0A001H)循环冗余算法得到的。请参考 MODBUS 有关资料了解进一步的算 法。

返回的数据应该为(设定状态为模拟运行状态,流速=1.2345678m/s): 01 03 04 06 51 3F 9E 3B 32(十六进制数 字) 设备号功能数据字节数 数据=1.234567 效验和其中 3F 9E 06 51 四个字节即为 1.2345678 的 IEEE754 格式单精度浮点形式。

再举例,读净累积流量,REG25,REG26 两个寄存器命令如下: 01 03 00 18 00 02 44 0C(十六进制数字)

返回数据应该为(设净累积器=802609,其 4 字节 16 进制表示为 00 0C 3F 31) 01 03 04 3F 31 00 0C A7 ED(十六进制数字,A7 ED 为 效验和) 当净累计=0 时,返回数据为 01 03 04 00 00 00 00 FA 33 其中 FA 33 为效验和。

       请注意上面例子中数据存放的顺序。对于使用 C 语言解释数值时,可以使用指针直 接把所需的数据放入相应的变量地址中即可,一般常用的存放顺序为低字节在前,例如 上面的 1.23456m/s 例子中,3F 9E 06 51 数据的存放顺序为 51 06 9E 3F。

      有关 MODBUS 协议细节请参考有关资料。

       在调试 MODBUS 协议时,推荐使用一种免费调试软件 MODSCAN,这个软件可以 在互联网上搜索到。当出现问题时,如果能够接受到效验和正确的数据包则说明通讯本 身是不存在问题的。

       在默认状态下通信的设置速率一般是 9600、无效验、8 数据位、1 个停止位。

§1.3.1 MODBUS 寄存器地址表

(注意与水表协议的不同之处)

 

 

 

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