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了解超声波流量计测量原理和用于水利工程中的选型依据
  超声波流量计是一种近年来发展起来的新型流量测量仪表,其应用领域***多还是集中于供水与水处理方面,因为水利工程是一件关系到国计民生的大事,目前国内的水利工程,城市供水,污水处理相关工程建设的数量和规模逐年扩大与增加,这为人们的生活带来便利的同时,也给超声波流量计的发展带来机遇。水利工程的良莠与否,对于工程中水流量的测量与监测是否能符合国家标准与要求有着很关键性的影响,应用超声波流量计不仅能够为水量测量提供准确的测量数据,也为节省人工成本起到很大的作用,更能够方便地通过数字化形式对于水利工程运行过程决策提供科学依据。本文从超声波测流技术概况出发, 分析该技术的关键要点, 并分析其在簸箕李灌区大型水利工程中的应用, 以及应用中需要注意的问题, 有利于提高流量测量的准确性, 为大型水利工程运行提供重要的指导与借鉴。
1、超声波测流技术:
超声波流量计的历史
(1)1928 年德国人研制成功***台超声波流量计,并取得了专利。至今超声波流量计已有80 年历史
(2)1955 年首先应用于马克森(MAXSON)流量计测量航空燃烧油,这是一种基于声循环法的两组探头(换能器)组成的液体流量计
(3)1958 年A.L.H-ERDRICH 等人发明折射式探头,由于他们的研究可进一步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真,也为管外夹装提供了理论依据。进入20 世纪七十年代以后,由于集成电路和锁相环路技术的发展,使超声波流量计得以克服以前的***度不高,响应慢,稳定性与可靠性差等致命弱点,使实用的超声波流量计得以发展。
近20 年来特别是近10 年来,基于高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展,基于新型探头材料与工艺的研究以及声道配置与流量动力学的研究,超声流量测量技术取得了长足进展,显示了强劲的技术优势,发展势头迅猛。2000 年在巴西召开的国际流量测量学术会议(FLOMEK-O‘2000)上共宣读学术论文集103 篇,其中直接涉及超声波流量计及超声波技术的论文20 篇,约占论文总数的1/5。在历次国际流量学术会议上,采用超声波流量计作为传递标准的文献愈来愈多,可见超声波流量计其潜在的巨大的生命力。
1.1、超声波流量计的构成:
目前市场上使用较多的超声波流量计主要有多普勒式和时差式, 二者都是借助于超声波的声学特征, 采用先进的处理技术进行超声波信号的处理, 但是二者的工作原理与应用环境等存在较大的差异, 应该结合水利工程的实际情况进行选择, 簸箕李灌区就采用了时差式超声波流量计。就时差式超声波流量计而言, 主要有主机、超声波换能器和水位换能器组成。
1.2、超声波流量计的工作方式:
超声波流速换能器浸于水中, 测量的水流条件和测量精度决定了换能器声路数量。IEC41相关规程中规定了声路数一般为二、四、八声路。如UF-911, 运行时, 流量的测量通过流速与水位的测量来实现, 通过多声道测流速加权积分的测流技术, 实现了流速测量, 改变了传统对声道平均流速测量的弊端。其基本流程为:流速换能器在接收到主机发出的震动超声波信号以后, 通过对超声波顺流与逆流传播时间差的确定来实现对流速的测量;水位换能器发射超声波的发出与返回来确定水深;***后, 渠道矩阵面积计算, 借助于流量仪器, 可以极快地测算流量。但是实际操作中, 超声波流量计型号会对测量的精度产生严重的影响, 因此, 必须考虑被测地的实际情况来进行选择。
1.3、超声波流量计测量原理:
时差超声波流量计在进行流量测量时, 两探头分别位于被测管道或明渠的上、下游, 小口径管道与大口径管道的安装方式不同, 前者安装于管道一侧, V形方式, 而后者安装于管道两侧, Z形方式。两个探头都可以接收与发射超声波信号, 再加上液体流速会对从上游到下游探头发出的声速产生影响, 使得声速极大增加。时差法超声波流量计通过对超声波信号在顺流与逆流之间传播速度的时间差值来进行流量的计算, 工作流程如下:根据超声波信号在顺流与逆流之间的传播速度时间差测量水的流速, 再根据断面面积进行流量计算, 如图1所示。
 超声波流量计公式
管道两侧的超声波换能器A与B, 当一个作为发射换能器时, 相对的, 另一个作为接收换能器。uT、Td为顺流和逆流传播时间, α为流速与超声波路径夹角, 声路长L, 管道面积为S。那么断面瞬时流量为:
2、超声波测流技术的关键点:
2.1、超声波传播时间的检测技术:
超声波传播速度极快, 达到了1457m/s, 因此, 超声波在管道内的传播速度很短, 因此, 使得超声波在顺流与逆流传播时间上的差值更小, 因此, 对于测量精度的技术性以及时间分别率要求极高。目前, 多采用高速集成电路的数学模式, 有效实现了时间差分辨率的提高, 提高了测量的***性。
2.2、声波的分辨与检测技术:
由于测量利用的是超声波在水中的传播来进行测量的, 液体中的传播受到材质、流速等多方面因素的影响, 受到管道材质影响, 超声波信号的传播会受到干扰而减弱, 另外, 现场管道噪声与变频设备等都会对信号传播产生干扰, 因此, 对声波的分辨与检测是关键的技术。近年来多使用UF-911超声波流量计进行流速的测量, 克服了弊端, 设置了流体对超声波的调制函数, 使得超声波信号受其他因素的干扰较小, 提高了流量计测量的可靠性与稳定性。
2.3、超声波换能器的粘接剂材料技术:
传统超声波流量计换能器的材料多为塑料, 性能的稳定性差, 且使用寿命有限。近年来, 材料技术的发展使得多使用钢化陶瓷作为换能器材料, 具有极强的抗磨损与抗腐蚀性能, 用金属合金粉末进行粘结剂材料, 提高了设备的整体性能, 保证了使用寿命。
3、超声波测流技术在大型水利工程中的应用:
3.1、设备选型
大型水利工程项目中, 多采用明渠结合倒虹吸和渡槽自流的方式进行输水, 水流在进入平水位后, 通过泵站的加压, 进行PCCP管道与暗涵输水, 通过这种输水过程, 有效实现对渠道水位和流量的控制。与此同时, 为了实现对整体渠道水流的控制, 可以通过设置一定数量的节制闸来进行渠道分段, 通过对每个渠段水流的控制来实现整体水流控制。代行水利工程在进行流量测量时, 多选用时差式超声波流量计来进行测量, 在测量过程中, 需要设置引水流道水工结构形式进行测量, 一般多为明渠与PCCP管道, 测量时, 依据整个工程流域内的全部闸门, 根据其重要性和功能要求, 分为8、4、2声道的换能器类型, 并且如果是小管径管道, 多使用电磁式流量计来设置分水口, 完成测量。
3.2、设备组成及技术指标:
超声波流量计一般包括了主机、换能器、水位计与连接电缆等组成部分。流量计主机多采用单片机结构, 并通过相应的显示屏的配置, 来进行瞬时流量、累计流量、流速、水温等测量参数的显示。另外, 设备的选择还需要对防护等级、信号输出、温度等指标进行衡量。通过信号输出方式, 实现测量过程中流量计测量结果与计算机、PLC设备的实时通信功能, 进而根据信号输出, 实现对测量结果的分析。另外, 由于温度对流量计测量也会造成影响。流量计的环境温度为-30℃~+70℃, 工作温度在-10℃~+50℃, 测量过程中, 应根据实际情况, 进行配套设施的选择, 提高测量精度, 保证测量结果的有效性。
3.3、流量计的安装与调试:
水利工程中使用超声波测流技术实现对流速、流量的测量, 尤其要注意对超声波流量计的安装与调试, 一般主要包括了对换能器、主机、信号电缆、系统的安装与调试过程。
3.3.1、换能器安装:
主要是对安装位置的选择, 根据工程的实际情况, 在被测水体的渠道两侧或钢管壁确定安装的合适位置。位置的确定一般通过激光经纬仪进行定位确定, 尤其要注意换能器与渠道中心线的夹角问题。为了实现测量结果的***性, 45°***佳。簸箕李灌区超声波测流设备安装初期就是因为安装位置不准确, 造成流量相差较大, 后经多次精准调整才得以解决。
3.3.2、主机安装:
主机安装的前提是信号电缆与电源线的合理连接, 避免由于各种因素而造成的连接出错问题, 因此, 在进行信号电缆铺设时, 应该对连接头进行标记, 避免连接出错。电源安装要保证电压供应的稳定性, 避免较大的波动所造成的主机损坏。灌区测流设备安装时, 初期使用的是稳定性较差、波动较大的施工电源, 使得设备运行出故障, 后期在电源的进线端增加了稳压电源才确保了整体运行的稳定性与安全性。信号电缆与电源线正确连接完成以后, 进行流量计主机与计算机系统的串口连接, 进行测量结果有效数据的采集。
3.3.3、系统调试:
这是在整个装置完成以后确保系统正常运行的关键。需要按照说明书要求, 进行相应的人机交互界面、计算机系统相关参数的设置与输入;换能器如果全部浸没于水中, 就必须进行超声波流量计的自检过程, 来进行各个声路工作、运行情况的检测, 可分别在静水与动水状态下进行检查, 从而根据检测结果。判断流量计测量的***性;根据检测过程, 进行检测结果输出的检查, 比如打印机、模拟量等输出的检查, 输出正常才说明设备的无故障;***后, 进行串口与计算机系统的通信模拟, 确保实时通信功能的实现。
4、结语
超声波测流技术应用中, 一定要结合被测水体的实际情况, 科学使用测量设备与测量方式, 并进行流量计的正确安装与调试, 避免测量中不利因素的干扰, 提高测量结果的可靠性与***性, 保证结果的有效性, 以实现对测量结果的应用。
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