外夾式雙聲道超聲波流量計

一、 產品介紹：

      歡迎您選擇使用性能優異、功能多、采用了多項技術的超聲波流量計。超聲波流量計同時支持單聲道與雙聲道，采用32位處理器 Cortex-M4 為CPU，具有運算塊，浮點運算能力強等優點；超聲波流量計適用于工業環境下連續測量不含大濃度懸浮粒子 或氣體的絕大多數清潔均勻液體的流量和熱量。

超聲波流量計具有如下典型特點：

(1). 同時支持單聲道與雙聲道，并且當一個聲道異常或者不接時，可以依據信號質量，自動切換為單聲道運行；

(2). 采用 32 位 Cortex-M4 內核 CPU 作為處理器核心，使用 64 位浮點運算，計算不丟失精度；

(3). 采用高速 ADC 對超聲波信號進行采集，具有超聲波波形還原與重構技術；采用精度時間測量芯片，超聲波飛行時間精度可達 22 皮秒；

(4). 單板、全貼片工藝，全部使用 SMT 機器焊接,大大降低了電路板虛焊、漏焊、短路等問題。

       超聲波流量計使用了的國際半導體廠商，例如 ST、ADI、TI、安森美等， 生產的超大規模集成電路設計而成。硬件數目少，低電壓工作，多脈沖發射，低功耗， 高可靠性，抗干擾，適用性好。優化的智能信號自適應處理，用戶無需任何電路調整， 就像使用萬用表一樣方便簡單。

       本手冊針對超聲波流量計，對該系列產品的多種機型的功能、安裝及操作進行了詳細的介紹。

1、流量計特點

       流量計是基于微處理器技術，自身完備的流量測量儀表，與其它常規類型流量計或 其它超聲波流量計相比，除具有高精度、高可靠性、高性能、低價格的顯著特點外，還 具有諸多特點與功能，其典型特點與功能如下所示。

* 0.5%線性度，0.2%重復性

* 非導電/特殊介質測量

* 低電壓多脈沖平衡發射接收

* 正向/負向/凈累積器

* 隔離 RS-485 接口，支持 MODBUS RTU

* 抗干擾設計，電氣隔離的直流電源供電

* 內置熱量測量/熱量計

* 內置批量/定量控制器

* 2 路二線制 PT1000 鉑電阻輸入電路

* 壓鑄鋁外殼（固定式）

* 1 路模擬 4-20mA 輸出

* 可選直流/交流/220 交流供電

* 每個周期采樣次數提高到 128 次

* 內部 64 位浮點數據處理

* OCT 頻率信號輸出

* 22 皮秒時差測量分辨率

       流量計采用世界上的集成電路及微處理器實現智能控制，生產過程中無需調整 任何元器件參數，全部 STM 焊接，產品一致性好，保證每一臺出廠的機器都達到性 能、工作狀態。

2、 雙聲道超聲波流量計/熱量表不同傳感器的組合圖片（供回水各增加一只鉑電 阻即可實現熱量測量，圖片不做展示）

 

3、 主機尺寸及接線圖

4、 主要性能指標

二、測量主機顯示及操作說明

1、 供電電源

      TDS-100 型主機可同時支持（18-32）DCV 和 AC220V，但是其接線對應與不同的接線端子。一體主機只支持（18-32）DCV。

2、 鍵盤輸入與操作

16 鍵鍵盤：

       超聲波流量計均可以支持 4*4 鍵盤輸入(低功耗或者 4 按鍵流量計可以使用上位機 軟件輸入)，鍵盤如下圖所示， 0 ~ 9 和 . 鍵用于輸入數字或菜單號； ? 鍵用于 左退格或刪除左面字符；▲/+和▼/-用于進入上一菜單或下一菜單，在輸入數字時，相 當于正負號鍵；ENT 鍵（以下簡稱 Ent 鍵），為回車鍵，也可稱為確認鍵，用于“確認” 已輸入數字、所選擇內容或者菜單窗口；另一個功能是在輸入參數前按此鍵用于進入 “修改”狀態；MENU 鍵（以下簡稱為 M 鍵）用于訪問菜單，依次鍵入 M 鍵 1111 進入分 組、ENT、▲/+和▼/-、ENT 進入到相應分組，MENU 窗口地址碼、Ent 鍵，即可進入數字 對應的菜單窗口。

 

       流量計采用了窗口化軟件設計，所有輸入參數、儀器設置和顯示測量結果統一細分 為多個獨立的窗口表示，使用者通過“訪問”特定的窗口即可達到輸入參數、修改設置 或顯示測量結果的目的，見窗口詳解一章說明。

       訪問窗口的快捷方法是在任何狀態下，鍵入 MENU 1111 鍵，ENT，使用按鍵▲/+和 ▼/- ，ENT 鍵，▼/-鍵，進入對應分組，再鍵入 MENU 及對應窗口好即可，詳見窗口列 表。

       窗口顯示分為五組：（1）流量熱量顯示；（2）參數設置與調試；（3）輸出輸入 設置；（4）流量修正設置；（5）熱量計量設置；

3、菜單結構圖

 

4、 主菜單

       鍵入 MENU 1111，ENT 確認，進入主菜單，儀表有五項菜單，顯示如圖：

（1）流量熱量顯示；（2）參數設置與調試；（3）輸出輸入設置；（4）流量修正 設置；（5）熱量計量設置；

         一般情形下，如果想進行“修改”操作，必須先鍵入 ENT 鍵（數字型窗口可以省掉） 如果出現鍵入 ENT 鍵后，不能進入修改狀態的情況，是不可修改的數據（純顯示型）。

5、 流量熱量顯示

       鍵入 MENU 1111，ENT 確認，進入主菜單，ENT 進入切換狀態，▼/-切換至 流量熱量顯示，ENT 確認，▼/- 進入流量熱量顯示，如圖：

6、 安裝參數

鍵入 MENU 1111，ENT 確認，進入主菜單，ENT 進入切換狀態，▼/-切換至 參數設 置與調試，ENT 確認，▼/- 進入參數設置與調試，如圖：

7、 輸入輸出設置

鍵入 MENU 1111，ENT 確認，進入主菜單，ENT 進入切換狀態，▼/-切換至 輸入輸 出設置，ENT 確認，▼/- 輸入輸出設置，如圖：

8、 流量修正

鍵入 MENU 1111，ENT 確認，進入主菜單，ENT 進入切換狀態，▼/-切換至 流量修 正，ENT 確認，▼/- 流量修正，如圖：

9、 熱量計量設置

鍵入 MENU 1111，ENT 確認，進入主菜單，ENT 進入切換狀態，▼/-切換至 熱量設 置，ENT 確認，▼/- 熱量設置，如圖：

三、傳感器安裝和使用說明

1、 傳感器技術參數

1.1 插入式傳感器

1.2 外夾式傳感器

1.3 管段式傳感器

2、 傳感器的選型

2.1 插入式傳感器

特點：

(1). 插入式傳感器與被測液體直接接觸，可提高儀表可靠性；

(2). 解決外夾式傳感器不能長時間穩定運行的問題； 

(3). 解決了結垢較厚的管道時不易接收到信號及長時間測量信號衰減的問題；

(4). 可帶壓不停水安裝。

適用管道：碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、水泥、PE、PVC 等可承受開孔安裝的所有管道。

2.2 外夾式傳感器

特點：(1). 外夾式傳感器無需破壞管道捆綁到管道外表面即可進行安裝測量。

          (2). 外夾式傳感器安裝無需挺產、無壓損。

適用管材：碳鋼、不銹鋼、PE、PVC 等超聲波可穿透的管道。

2.3 管段式傳感器

特點：(1).  無需專業人員安裝，解決了外夾式和插入式傳感器在安裝過程中由于人為 或被測管道參數不準確引起的誤差而造成測量精度下降的問題。

          (2).  具有測量精度高，穩定性好、免維護等特點。

3、 傳感器的安裝 （以單聲到安裝為例，另一聲道安裝方式相同）

3.1 傳感器的安裝位置

       為保證測量精度和穩定性，傳感器的安裝點應選擇在流場分布均勻的直管段部分（正常使用時管道中必須充滿液體)，必須遵循以下原則：

（1）選擇滿管的位置，如垂直管段（流體向上流動）或水平管段。

（2）安裝點應選擇上游大于 10 倍直管徑、下游大于 5 倍直管徑以內無任何閥門、 彎頭、變徑等均勻的直管段，安裝點應充分遠離閥門、泵、高壓電和變頻器等干擾源。

（3） 避免安裝在管道系統的點或帶有自由出口的豎直管道上（流體向下流動）

（4）對于開口或半滿管的管道，流量計應安裝在 U 型管段處。

（5） 兩個傳感器必須安裝在管道軸面的水平方向上，并且在軸線水平位置±45°

范圍內安裝，以防止上部有不滿管、氣泡或下部有沉淀等現象影響傳感器正常測量。如 果受安裝地點空間的限制而不能水平對稱安裝時，可在保證管內上部分無氣泡的條件 下，垂直或有傾角地安裝傳感器。

3.2 儀表井施工要求

傳感器需要安裝在儀表井里時，需要有一定的安裝空間，以便于人能直立工作，管壁到 墻壁之間的距離至少 550mm 以上，即寬度 W >（D+550×2）mm，水泥管道 W >（D+700 ×2）mm，儀表井軸向寬度 L＞D+1200mm，

3.3 插入式傳感器的安裝方法

安裝方式：Z 法，適用于 DN80 以上，插入傳感器只推薦 Z 法安裝。

傳感器類型：插入 B 型

安裝工具：需本公司提供的專用開孔工具、400w 手電鉆（是可高層調速）、扳手等。

安裝距離 L:傳感器沿管軸方向的距離，或 L=內徑－9.113mm。以水平管線為例，如圖：

Z 方式 俯視圖（水平管線）

（1）安裝點定位

制作定位紙：取一條長 4D（D 為管徑），寬 200mm（或 D）的矩形紙帶（可以用防濕、防腐蝕的 材料代替紙帶），在距邊緣約 100mm 處劃一條線；纏繞在表面已清理干凈的管道上，注意紙兩邊重 合對齊

延長定位紙上的直線在管道上劃一直線，所劃直線與定位紙一邊緣相交點為 A；從 A 點開始，沿著 定位紙邊邊緣量出管道 1/2 周長，該平行交叉點為 C，在 C 點劃一條與管軸平行的直線（也就是與 定位紙上的直線平行）；

去掉定位紙，從點 C 開始，在所劃直線上量出安裝距離 L，從而決定出 B 點。 這樣 A、B 兩點為安 裝位置；例如 L=280mm，將球閥底座分別焊接在 A 和 B 兩點上。

 

（2）焊接球閥底座

       對于可焊接管材（如鋼、不銹鋼等）將球閥底座直接焊在管道外壁上（不銹鋼管需不銹鋼底座， 定貨時請注明）。焊接時注意一定不要夾雜氣孔，以防漏水，甚至斷裂。         對于不可直焊接管材（如鑄鐵、水泥管等），需采用定制的專用管箍（帶密封用膠墊），球閥 底座已事先焊在管箍上，將管箍直接緊固到被測管道上，保證球閥底座中心點與 A 和 B 兩點重合， 然后將球閥緊固在已焊有底座管箍上。

（3）鉆孔

       將開孔器密封護套與特制球閥外螺紋連接，擰緊后，打開球閥，推動鉆桿直至與管道外壁接觸， 將手電鉆與鉆桿接好鎖緊，接通電源，開始鉆孔，在鉆孔過程中電鉆保持低速轉速不要過快，以免卡鉆，甚至鉆頭折斷，鉆透后，拔出鉆桿直到開孔器鉆頭的最前端退至球閥芯后，關上球閥，卸下開孔器。

（4）傳感器的裝入

       把鎖緊螺母旋至傳感器底部，將傳感器旋入特制球閥，旋至球閥芯時，打開球閥，繼續旋入傳 感器，直至傳感器前端伸出管道內壁，調整好傳感器的角度，(兩個傳感器進線孔應同時向上或向下)， 緊固好鎖緊螺母，最后將線接好后，擰緊密封蓋，以防漏水。

傳感器伸入管內壁尺寸計算

       插入式傳感器為不銹鋼模具精鑄，傳感器的長度 A（出廠時 A 值已固定）和管壁厚度 B 已知， 傳感器留在管道外側長度 L 也可測量，只需 L= A-B ，并使 C=0 即可。各型號的長度 A 值： 標準 插入 B 型：A=170mm/水泥插入 B 型：A=310mm

3.4 外夾式傳感器的安裝方法

       首先將欲安裝傳感器的區域清理干凈（用角磨機），除掉銹跡及防銹層等，在欲安裝傳感 器管壁位置上涂上足夠的耦合劑，然后把傳感器緊貼并捆綁好，注意傳感器和管壁之間不能有氣泡 及沙礫。

安裝距離

       以兩傳感器的最內邊緣距離為準(參見安裝示意圖)。

安裝方式

外縛式傳感器的安裝方式共有四種。分別是V法、Z法。以水平管線為例，如圖：

V 法（適用于DN15-DN200mm范圍內）

       V 法是比較標準的安裝方法，使用方便，測量準確，安裝時兩傳感器水平對齊，其 中心線與管道軸線水平即可。

Z法（適用于DN200mm以上或V法測不到信號或信號質量差時）

Z法的特點是超聲波在管道中直接傳輸，沒有反射（稱為單聲程），信號衰耗小。

安裝步驟：

（1）接線（如圖）信號電纜的屏蔽線可懸空不接，不要與正、負極（紅、黑線） 短路；

（2）密封防水，接好線后必須用密封膠（耦合劑）注滿， 蓋好蓋后，必須將傳感器屏蔽線纜進線孔擰好鎖緊，以防進水；

（3）安裝傳感器，使用角磨機將欲安裝傳感器的區域拋光，除掉銹跡油漆或防銹層，并用干凈抹布蘸丙酮或酒精擦去油污和灰塵，然后在欲安裝傳感器的中心周圍管壁 涂上足夠的耦合劑，最后把傳感器緊貼在管壁上并捆綁好，夾具（不銹鋼帶）應固定在傳感器的中心部分，使之受力均勻；注意傳感器和管壁之間不能有空氣泡及沙礫。

3.5 管段式傳感器的安裝方法

管段式傳感器的安裝方法

       標準管段式傳感器具有測量精度高、安裝簡單等特點。根據現場情況，用戶需提前 向廠家訂做，并提供實際管道參數，出廠前將參數置入機器內，現場無需輸入參數，只 需選好安裝點斷管焊接法蘭連接即可測量。

傳感器接線方式與插入傳感器的接線方式相同。接線圖如下：

 

四、附  錄 ：

串口及通訊協議

§1.1 概述

       流量數據采集可以使用本公司研制開發的通用/專用流量/熱量數據監控系統，該系 統基于 TDS-100 流量計的特點，充分利用了流量計特色的軟硬件設計，具有投資少、系 統簡單明快、運行可靠等特點。

       目前還已經有了多家第三方廠商的專門支持 TDS-100 系列流量計的數據采集軟件 供用戶選用，其中有些小的軟件是免費的，特別方便小用戶的組網使用。

       為了通訊調試的方便，新版 TDS-100 設有一個模擬運行狀態。在此狀態下，流量計 不需要接入管道，即可模擬工作，用于調試，參看下一節的問答。

§1.2 關于通訊方面問題的問答

（1） 問：為什么連接不上流量計？，接上后它不做任何反應？

答： A. 檢查串口參數是否匹配。 B．檢查物理連線是否接好 C．網絡地址是否設置正確 （2） 問：為什么 MODBUS 讀出的量值亂七八糟的，和顯示值不 一致？

答：一般來說如果 MODBUS 協議能夠讀出數據就表明協議本身沒有問題了。 亂七八糟的數據是因為存在如下錯誤：

A．數據格式錯誤； B.寄存器地址有誤，導致數據發生了位移而產生 錯誤。

       比如 REAL4 這種實型變量（IEEE754 格式的單精度浮點數），按 照字和字節共有4種不同的排列方式，TDS100使用的是規的一種， 即低 word 和高 byte 在前格式。您可以修改您的軟件的數據存放格式解 決這個問題。如果使用通用的組態軟件，則組態軟件一般具有一個選 擇格式的方法。

（3） 問：我的系統要求每次 1 小時只發出一次命令然后要求同時 收到多個變量，應該使用 那個協議？

答：一條 MODBUS 命令可以一次讀出很多變量。

問：為什么通過協議讀出 的量值和流量計顯示的不一致？

答：A. 確認變量地址是否就是您要求的那個變量？因為流量計內部的變量 太多，是否混淆了? 注意在讀取數據時，REG 0001 在命令字符串中表 示為 0000，而不是 0001。0001 在命令字符串中表示讀出 REG 0002 的 內容。 B．對于累積量只能顯示 7 位 10 進制數字，而通過 MODBUS 協議可以 讀出 8 位 10 進制數字。這種情況下，讀出來的數值的后 7 位是一樣的。

（4） 問：我的系統不能支持長整數以及實型變量格式，應該怎么辦？

答：需要采用數值轉換方式，或查找新驅動程序解決。

（5） 問：MODBUS 有測試程序嗎？

答：有！推薦使用 MODSCAN 這個軟件，可以在網上搜到。這個程序很是 方便，有助于方便檢查讀出的數據，理解各種類型數據的含義。

（6） 問：流量計是否具有模擬運行狀態以方便測試，怎樣設置？

答：有！M1111 進入液晶顯示分組，ENT 鍵切換至輸入輸出分組，M307 選 擇模擬運行，M308 設置瞬時流量，即啟動模擬運行狀態。

（7） 問：使用 C 時，浮點數存放順序是怎樣的？

答：例如 3F 9E 06 51 四個字節為 1.2345678 的 IEEE754 格式單精度浮點形式。

在 MODBUS 數據流中的順序是 06 51 3F 9E，1 號地址數據流應該是 01 03 04 06 51 3F 9E 3B 32（十六進制數字）。在 X86 計算機中使用 C 語言時，按照 內存從低到高存放順序 51 06 9E 3F。

再例如讀取凈累積寄存器 REG25，REG26 兩個寄存器命令如下: 01 03 00 18 00 02 44 0C（十六進制數字）

返回數據應該為（設凈累積器＝802609，其 4 字節 16 進制表示為 00 0C 3F 31） 01 03 04 3F 31 00 0C A7 ED（十六進制數字，A7 ED 為效驗和）

§1.3 MODBUS 協議

       MODBUS 協議的兩種格式都能支持，默認狀態下支持 MODBUS-RTU 格式。               TDS-100 型系列超聲波流量計/熱能表只能支持 MODBUS 功能代碼 03 和 06 以及 16 三種功能代碼，分別是讀寄存器和寫單一寄存器以及數據塊寫入功能。

       例如在 RTU 方式下讀取 1 號設備的流速，即讀寄存器 5，6 共 2 個寄存器，命令如下: 01 03 00 04 00 02 85 CA （十六進制數字）設備號功能起始寄存器寄存器數目 效驗和其中 85 CA 是 16 進制數值，是按照 CRC-16 (BISYNCH，多項式是 x 16 + x 15 + x 2 + 1 屏蔽字為 0A001H)循環冗余算法得到的。請參考 MODBUS 有關資料了解進一步的算 法。

返回的數據應該為（設定狀態為模擬運行狀態，流速＝1.2345678m/s）： 01 03 04 06 51 3F 9E 3B 32（十六進制數 字） 設備號功能數據字節數 數據＝1.234567 效驗和其中 3F 9E 06 51 四個字節即為 1.2345678 的 IEEE754 格式單精度浮點形式。

再舉例，讀凈累積流量，REG25，REG26 兩個寄存器命令如下: 01 03 00 18 00 02 44 0C（十六進制數字）

返回數據應該為（設凈累積器＝802609，其 4 字節 16 進制表示為 00 0C 3F 31） 01 03 04 3F 31 00 0C A7 ED（十六進制數字，A7 ED 為 效驗和） 當凈累計＝0 時，返回數據為 01 03 04 00 00 00 00 FA 33 其中 FA 33 為效驗和。

       請注意上面例子中數據存放的順序。對于使用 C 語言解釋數值時，可以使用指針直 接把所需的數據放入相應的變量地址中即可，一般常用的存放順序為低字節在前，例如 上面的 1.23456m/s 例子中，3F 9E 06 51 數據的存放順序為 51 06 9E 3F。

      有關 MODBUS 協議細節請參考有關資料。

       在調試 MODBUS 協議時，推薦使用一種免費調試軟件 MODSCAN，這個軟件可以 在互聯網上搜索到。當出現問題時，如果能夠接受到效驗和正確的數據包則說明通訊本 身是不存在問題的。

       在默認狀態下通信的設置速率一般是 9600、無效驗、8 數據位、1 個停止位。

§1.3.1 MODBUS 寄存器地址表

（注意與水表協議的不同之處）