引言
水資源的短缺已成為世界關(guān)注的問題，為此我國也新建了許多大中型水利工程，進(jìn)行水資源的調(diào)劑。同時(shí)我國大多數(shù)城市為了防止現(xiàn)有的水環(huán)境污染，改善自身生存條件，保護(hù)緊缺的水資源，新建了許多引水工程和污水處理工廠進(jìn)行污水處理。在污水處理和排放過程中勢(shì)必涉及到大口徑、大流量各類水的計(jì)量問題。隨著超聲波換能器、電子、計(jì)算機(jī)、數(shù)字處理等技術(shù)的迅猛發(fā)展，超聲流量計(jì)在大口徑、大流量的液體、氣體計(jì)量方面得到廣泛使用，技術(shù)日趨成熟和完善。
超聲流量計(jì)本身良好的性能價(jià)格比使得其應(yīng)用日益廣泛，目前不僅使用在各行各業(yè)過程控制中的流量計(jì)量，還被用于貿(mào)易結(jié)算的流量計(jì)量。
本文著重介紹上海已建成投運(yùn)的170萬噸/日城市污水處理廠中大型箱涵污水超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的實(shí)施。
1 超聲流量計(jì)測(cè)量原理
1.1 多普勒式超聲流量計(jì)
利用多普勒效應(yīng)原理來測(cè)定流體的流量，如圖1所示。換能器A向流體發(fā)射頻率為fA的超聲波連續(xù)信號(hào)，經(jīng)照射管道內(nèi)的懸浮物顆粒及氣泡，超聲波產(chǎn)生多普勒頻率偏移，以fB的頻率反射到接收換能器B，fA和fB之差即為多普勒頻差fD。
設(shè)流體流速為V，超聲波聲速為C，多普勒頻移fD正比于流體的流速V，即
fD= fB- fA=（2fA ·sinθ/C）·V
V=C/2·fA·sinθ • fD
當(dāng)管道條件、換能器安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，C、fA、fB、θ 即為常數(shù)，流體的流速和多普勒頻移成正比，通過測(cè)量頻移就可以測(cè)量流體的流速，進(jìn)而求得流體的流量。
多普勒超聲流量計(jì)的特點(diǎn)：儀表精度通常在±（3～7）% FS之間，適用于測(cè)量含有適量能給出強(qiáng)反射信號(hào)的顆粒和氣泡。其懸浮物含量約在lg/L～5g/L為宜。一般用于工廠排放未處理的污水和回流污泥等流量計(jì)量，不宜用于潔凈液體的流量計(jì)量。
1.2 時(shí)差式多聲路超聲流量計(jì)
測(cè)量原理：在封閉的滿管中測(cè)量流體的瞬時(shí)流量Q，是根據(jù)超聲波信號(hào)沿水流方向的傳播速度會(huì)增大，逆流方向則減??；在同一傳播距離的條件下，有著不同的傳播速度和傳播時(shí)間；由順向傳播時(shí)間t1和逆向傳播時(shí)間t2可以計(jì)算出傳播時(shí)間差，然后可計(jì)算出平均線流速。其原理如圖2所示。
單聲路流量方程式可表示為：
順流方向，其傳播時(shí)間為：t1=L/C+VCosθ
逆流方向，其傳播時(shí)間為：t2=L/C-VCosθ
△t=t2-t1=2Lvcosθ/C2- V2cos2θ
由于C>>V，故
△t=（2Lcosθ/C2）×V
V=C2/2Lcosθ×△ t
q =SV
式中：為測(cè)量聲路上的線平均流速；L為測(cè)量聲路的有效路長；t1為聲波正向傳播時(shí)間；t2為聲波逆向傳播時(shí)間；△t為聲波流正向傳播時(shí)間和逆向傳播時(shí)間差；C為超聲波聲速；θ為聲路和流道軸線間的夾角；S為測(cè)量斷路截面積；q為體積流量。
如果為四聲路時(shí)：
式中：為測(cè)量斷面線平均流速；Ki為第i 聲道加權(quán)積分系數(shù)；Vi為第i 聲道線平均流速；S為斷面橫截面面積；Ki為加權(quán)積分系數(shù)，該權(quán)系數(shù)是由換能器的聲路布置和安裝來確定的。
本項(xiàng)目選用的是瑞士某公司RISONIC2000型時(shí)差式四聲路超聲流量計(jì)，其聲路布置和權(quán)系數(shù)如表1所列[1]。表中高斯—Jacobi 積分方法推薦使用矩形、梯形等結(jié)構(gòu)管道，高斯—Legendre 推薦使用圓形結(jié)構(gòu)管道，W為超聲流量計(jì)加權(quán)積分常數(shù)，Ki為比例常數(shù)。聲路布置如圖3所示。
RISONIC2000型時(shí)差式四聲路超聲流量計(jì)電路原理如圖4所示。
圖4所示為鎖相環(huán)（PLL，phase locked loop）方式的超聲流量計(jì)，能產(chǎn)生與超聲脈沖傳播時(shí)間的倒數(shù)成正比的頻率。其中順向振蕩器VCO（1）的發(fā)射頻率被分成N等分，其周期與超聲波在液體中傳播的時(shí)間幾乎相同。分頻電路輸出的電脈沖和穿過水中的收信超聲脈沖的傳播時(shí)間差由時(shí)間差檢測(cè)電路檢測(cè)。其輸出轉(zhuǎn)換成直流后加至VCO（1），控制其振蕩頻率，使時(shí)間差電壓自動(dòng)歸零，這時(shí)VCO的輸出頻率為定值。因此，在穩(wěn)定狀態(tài)下，VCO（2）振蕩頻率的形成過程和VCO（1）*相同，只是超聲波為反向傳播。只要算出這兩個(gè)頻率的差值，就能獲得和流速正比的數(shù)值。
2 RISONIC2000型時(shí)差式多聲道超聲流量計(jì)的特點(diǎn)
① 本項(xiàng)目選型時(shí)差式超聲流量計(jì)安裝方式采用插入式，測(cè)量精度較高，如四聲路時(shí)差式超聲流量計(jì)出廠標(biāo)定精度為0.5%。
② 箱涵測(cè)量為直通管，換能器在箱涵中凸出部分zui小化和無阻流件，從而流體無外加壓力損失。同時(shí)，它是一種不會(huì)破壞流體的流場(chǎng)進(jìn)行流體測(cè)量的儀表。
③ 測(cè)量精度不受介質(zhì)的理化性質(zhì)如電導(dǎo)率、粘度、溫度、壓力、組分變化等因素的影響，因此也適用于高粘度的液體的流量測(cè)量。
④ 能在運(yùn)行條件下（不停流）帶壓更換換能器，維修方便。
⑤ 流體的雷諾數(shù)（Re）對(duì)測(cè)量影響較小，在正常使用情況下，儀表制造廠規(guī)定了儀表被測(cè)流速范圍0.003m/s～±20m/s，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)流速遠(yuǎn)大于zui低流速這一技術(shù)指標(biāo)。
⑥ 流體測(cè)量流量的范圍度（量程比）寬，可達(dá)1：300。
⑦ 超聲流量計(jì)本身沒有機(jī)械慣性，可以快速采樣，用多次采樣平均值計(jì)算出流量，可以消除流體流速脈動(dòng)造成測(cè)量的影響。
⑧ 多聲路超聲流量計(jì)為了保證傳播時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量，采取了以下有效措施：
• 計(jì)數(shù)器電路采用了80MHz以上的高穩(wěn)定石英晶體振蕩器，時(shí)基誤差控制在±12.5ns以內(nèi)。
• 準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)在電子電路和換能器中傳播的延遲，并從所測(cè)得的總傳播時(shí)問中扣除，提高儀表測(cè)量精度。
• 多聲路超聲流量計(jì)內(nèi)部有完善的信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)電路，可有效地解決噪聲干擾、信號(hào)衰減和電路參數(shù)變化等對(duì)測(cè)量精度的影響。
⑨ RISONIC2000有強(qiáng)大的自診斷功能，在檢測(cè)過程中，對(duì)每條聲路、聲路的流速均進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，當(dāng)無效的聲速、無效的聲路流速*次出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)將使用先前的有效值代替，如多次出現(xiàn)，這些測(cè)量值仍將保持凍結(jié)，用先前的測(cè)量值代替，直到一個(gè)有效的測(cè)量值被識(shí)別后，數(shù)據(jù)才予以更新。當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)時(shí)，將顯示無效聲路聲速、無效流速錯(cuò)誤狀態(tài)報(bào)警，同時(shí)聲路布置自動(dòng)切換，即當(dāng)交叉斷面的某一測(cè)量聲路出現(xiàn)上述故障時(shí)，將自動(dòng)切換成單斷面測(cè)量。當(dāng)單斷面的某一測(cè)量聲路出現(xiàn)上述故障時(shí)，將關(guān)閉該聲路。用其它聲路代替。
⑩ 由于儀表用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，而且電路中存在高頻信號(hào)和超聲波換能器高壓發(fā)射信號(hào)，故存在較為嚴(yán)重的干擾。系統(tǒng)從軟件和硬件同時(shí)采取措施極大地提高系統(tǒng)的抗*力，即軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用指令冗余和軟件陷阱程序防止跑飛，硬件在微機(jī)處理的復(fù)位端由外圍電路組成防止程序跑飛的看門狗電路。
3 時(shí)差式超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案
3.1 超聲流量計(jì)測(cè)量原理的選擇
時(shí)差式超聲流量計(jì)測(cè)量時(shí)，被測(cè)液體必須能被聲波穿透，也就是液體中不能含有太高濃度的氣泡、懸浮物顆粒和沉淀物，否則聲波將被折射，影響測(cè)量精度。通常時(shí)差式超聲流量計(jì)測(cè)量時(shí)，其懸浮物含量限制在1%體積含量以內(nèi)，若超過含量，則選擇多普勒原理超聲流量計(jì)。本項(xiàng)目的懸浮物含量?jī)H在500ppm/L以內(nèi)，因此選擇時(shí)差式超聲流量計(jì)為宜。
3.2 超聲流量計(jì)換能器聲路的選擇
超聲流量計(jì)測(cè)量原理是一種速度式流量計(jì)，流體的流態(tài)對(duì)流量計(jì)精度影響較大。若選用單聲路換能器，則儀表精度僅為5%，在聲路選擇上根據(jù)測(cè)量精度要求，可以選為1、2．4、8聲路和1～4個(gè)測(cè)量斷面的組合，就可以有效地解決流體流態(tài)在一個(gè)方向分布不對(duì)稱的影響，本次選用4聲路，滿足測(cè)量段前、后直管段要求情況下，其測(cè)量精度便可達(dá)到0.5%。
3.3 超聲流量計(jì)測(cè)量斷面范圍選擇
封閉管道150～14000mm（圓管和矩形箱涵）
明渠250mm～15m（zui大可達(dá)150m）
3.4 超聲流量計(jì)換能器的選擇
根據(jù)安裝的場(chǎng)地和安裝方式不同主要三類換能器可供選擇。
① 內(nèi)貼式換能器：當(dāng)無外露管段只能內(nèi)部安裝時(shí)，可采用內(nèi)貼式換能器，將其直接安裝在管內(nèi)壁上。這種安裝方式簡(jiǎn)單，也可布置1～8聲路。但在更換換能器時(shí)必須具備斷流條件才行，聲路角設(shè)計(jì)為45o，換能器和主機(jī)zui大距離可達(dá)300m。
② 插入式換能器：對(duì)于管內(nèi)、管外均可進(jìn)行施工時(shí)，采用插入式換能器是*方案。只要在管壁上開孔，換能器插入孔中后，通過螺母固定在管道上，并采用密封墊圈密封。插入式換能器可在管道不斷流情況下安裝，換能器凸出部分zui小化。聲路角設(shè)計(jì)為45o，換能器和主機(jī)zui大距離可達(dá)300m。
插入式換能器和測(cè)量管段組成一體，這就是管段式超聲流量計(jì)，換能器在生產(chǎn)廠內(nèi)進(jìn)行定位、出廠檢定，因而測(cè)量精度要比現(xiàn)場(chǎng)制作的精度高，若安裝E形閥門組可以整體進(jìn)行，從而拆卸、檢修和標(biāo)定均十分便利。
③ 明渠用換能器：這種換能器用于明渠（矩形、梯形、圓形）和有壓隧洞，可在斷流情況下安裝和維護(hù)，它也是一種內(nèi)貼式換能器，聲路角設(shè)計(jì)為45o。當(dāng)在矩形明渠中安裝時(shí)，聲路角設(shè)計(jì)在35o～70o之間均有效。
換能器和主機(jī)之間zui小距離150m，測(cè)量渠寬：0.25～15m，甚至50m。這時(shí)所選擇的超聲波換能器工作頻率隨之下降，頻率下降，其穿透能力隨之增強(qiáng)，測(cè)量渠寬隨之增大，換能器工作頻率可以從1MHz至幾百kHz進(jìn)行選擇，但測(cè)量的精度隨之下降，這時(shí)可采用增加超聲波聲路辦法，提高測(cè)量精度。
3.5 超聲流量計(jì)精度的選擇
按照《企業(yè)能量計(jì)量器具配備和管理導(dǎo)則》GB/T17167-1997 的要求：污水計(jì)量裝置配置精度為5.0%?？紤]到污水的大流量、箱涵大口徑的特點(diǎn)，超聲流量計(jì)投運(yùn)后難以進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定，今后擬采用在線大流量污水超聲流量計(jì)的方案設(shè)計(jì)和應(yīng)用繆惠流干式標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定。同時(shí)，超聲流量計(jì)整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)不確定度，除了取決流量計(jì)量器具本身的精度外，還涉及到箱涵截面積測(cè)定、換能器安裝的定位、聲路長度測(cè)定等諸多影響測(cè)量精度因素。貿(mào)易結(jié)算用的超聲流量計(jì)選用單斷面四聲路時(shí)差式超聲流量計(jì)，流量計(jì)的精度為0.5%，確保整個(gè)流量計(jì)量系統(tǒng)投運(yùn)后不確定度在2.5%內(nèi)。
3.6 超聲流量計(jì)積分?jǐn)?shù)學(xué)模型的選擇
本項(xiàng)目是有壓箱涵均為矩形內(nèi)截面去四角的幾何形狀，因此超聲波換能器的四聲路安裝位置和流體流態(tài)分布積分方式均采用IEC-41（1991.11）規(guī)程所認(rèn)可的聲路安排（1E4P）和高斯——雅可比的數(shù)學(xué)模型。
4 所選時(shí)差式超聲流量計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)
① 超聲波量計(jì)測(cè)量原理：時(shí)差法，聲路布置：1E4P
② 精度：0.5級(jí)
③ 安裝方式：污水箱涵安裝外扦式換能器
④ 主機(jī)：集成化的用戶畫面，大屏幕LC顯示5 1/2位流量、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等信號(hào)
⑤ 信號(hào)處理技術(shù)：DSP（速度，面積二次積分）
⑥ 電源：220伏交流，并安裝防雷模塊。
⑦ 儀表自診斷功能：聲路狀態(tài)正常，接受信號(hào)強(qiáng)、弱，換能器無接受信號(hào)，聲路未使用，參考信號(hào)強(qiáng)、弱，無效測(cè)量傳播時(shí)間，無效聲速流速，無效流量（流量變化率超限），測(cè)量流量大于或小于流量規(guī)定值等信息。
⑧ 可進(jìn)行逆向流量測(cè)量：可測(cè)雙向流
⑨ 測(cè)量范圍內(nèi)懸浮物顆粒允許體積含量：≤1%
⑩ 防護(hù)等級(jí)：換能器為IP68；主機(jī)為IP65
⑩ 傳感器壓力等級(jí)：≥2MPa
⑥ 傳感器電纜：防水、屏蔽、抗強(qiáng)電磁干擾的加強(qiáng)型電纜
⑩ 環(huán)境溫度：主機(jī)為-20℃～+60℃ 換能器為-30℃～70℃
⑩ 輸出信號(hào)：4～20mA；RS-232標(biāo)準(zhǔn)通信接口;Profibus-DP：通信上傳正向和逆向瞬時(shí)、累計(jì)流量、聲路時(shí)間、自診斷信息等。信息通過現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至FCS系統(tǒng)（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)），上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理畫面。
5 超聲流量計(jì)施工技術(shù)要求
大口徑多聲路超聲流量計(jì)通常由流量計(jì)主機(jī)和裝于箱涵、管道上換能器構(gòu)成，因此流量計(jì)的測(cè)量誤差不僅和流量計(jì)本身的技術(shù)和質(zhì)量有關(guān)，還與用戶的箱涵、管道的狀況和換能器的安裝定位有關(guān)。首先換能器的安裝要確保其前、后直管段，其次采用電工委員會(huì)（IEC）規(guī)程認(rèn)可的積分方式和聲路換能器的布置可以使流態(tài)分布和積分計(jì)算誤差控制在±0.1%以內(nèi)。
另外換能器空問位置誤差和箱涵截面積測(cè)量誤差均構(gòu)成超聲波流量計(jì)測(cè)量誤差的重要原因，必須采用激光經(jīng)緯儀定位和截面積測(cè)量。
5.1 超聲流量計(jì)安裝技術(shù)要求
① 選取*測(cè)量斷面：為了達(dá)到*的測(cè)量性能，必須考慮到流體的流態(tài)，同時(shí)選擇*的測(cè)量斷面和聲路安排。首先選擇測(cè)量斷面發(fā)射或接收換能器實(shí)際安裝長度一倍于涵洞寬度，但為了保證測(cè)量段良好水流條件及流量測(cè)量精度，安裝換能器的斷面除了要求換能器上游、下游有足夠的直流段，此外將一倍涵洞寬度放大到二倍。在這一斷面上涵洞的四壁不平整度不超過1cm，混凝土表面光潔。
② 換能器安裝時(shí)，其軸線方向和理論方向控制在5o以內(nèi)。
③ 超聲流量計(jì)主機(jī)到換能器之間電纜長度一般要求不超過300m。
④ 超聲流量計(jì)有良好的獨(dú)立接地，接地電阻<4Ω。
⑤ 換能器和主機(jī)的安裝部位應(yīng)避開強(qiáng)電電纜、變頻器、電焊機(jī)的電磁干擾。
⑥ 換能器安裝部位避免強(qiáng)聲源和震動(dòng)，以防強(qiáng)聲波震動(dòng)干擾。
⑦ 主機(jī)內(nèi)設(shè)置防雷模塊，在現(xiàn)場(chǎng)條件許可的情況下可增設(shè)UPS電源，以滿足停電時(shí)的計(jì)量要求。
⑧ 換能器安裝在設(shè)計(jì)位置。若偏移較大時(shí)，這時(shí)將涉及積分?jǐn)?shù)系數(shù)值，可選用超聲流量計(jì)自身的Owics技術(shù)（圓斷面*加權(quán)積分軟件），將其修正到理論安裝位置，并可以補(bǔ)償管道的幾何偏差，提高其測(cè)量精度。
5.2 超聲流量計(jì)的安裝調(diào)試
利用專業(yè)的安裝工具和儀器（例如激光經(jīng)緯儀、激光瞄準(zhǔn)器）進(jìn)行安裝調(diào)試，包括以下幾個(gè)方面：
① 測(cè)量箱涵涵洞的斷面尺寸。測(cè)量準(zhǔn)確度控制在毫米級(jí)以內(nèi)。
② 利用激光經(jīng)緯儀進(jìn)行的換能器聲道布置和換能器的定位，可使聲路角θ的測(cè)量誤差控制在0.03o以內(nèi)。
③ 換能器安裝，利用力矩扳手進(jìn)行均勻緊固，以防流體泄漏。
④ 正確設(shè)置超聲流量計(jì)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)：箱涵等效高度、寬度、聲路長、聲道角，積分權(quán)系數(shù)，信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)，斷面數(shù)，測(cè)量單位，粘度，正向、逆向流量等參數(shù)。并兩次復(fù)核，確認(rèn)無誤才能正式投運(yùn)。
6 使用情況
9臺(tái)超聲流量計(jì)已試運(yùn)行近三個(gè)月，并且供需雙方對(duì)用于貿(mào)易結(jié)算的6臺(tái)超聲流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，正式作為雙方貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)。試運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)表明，9臺(tái)超聲流量計(jì)的不確定度達(dá)到和超過了預(yù)期的設(shè)計(jì)2.5級(jí)要求，使用效果令人滿意。在2004年7月份的10天考核運(yùn)行中，4臺(tái)進(jìn)水渠污水流量總和（未處理污水）與2臺(tái)出水渠污水流量總和（已處理污水）之間平均相對(duì)誤差在+2%以內(nèi)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。
7 結(jié)束語
超聲流量計(jì)成功地運(yùn)用于大型箱涵污水流量計(jì)量，取得了較好的效果，完滿足貿(mào)易結(jié)算流量計(jì)量要求。儀表可靠性較高，儀表維護(hù)工作量小。同時(shí)，儀表提供了ProfidBus-DP通信接口，儀表與工廠現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS系統(tǒng)）聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，為工廠生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度和優(yōu)化控制奠定了基礎(chǔ)。因此超聲流量計(jì)用于大流量的計(jì)量具有很大的實(shí)用性和推廣應(yīng)用的價(jià)值。
另外，這種大流量超聲流量計(jì)的標(biāo)定，在安裝前可以送國家大流量檢驗(yàn)站進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定，安裝后可以采用干式校驗(yàn)方法進(jìn)行校正。國外許多國家已經(jīng)制定了超聲流量計(jì)干式校驗(yàn)方法，國內(nèi)有的省市也制定了干式校驗(yàn)方法的地方標(biāo)準(zhǔn)，這些干式校驗(yàn)方法為超聲流量計(jì)在不斷流的情況下進(jìn)行校正提供了依據(jù)，也為超聲流量計(jì)的推廣使用創(chuàng)造了條件
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