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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

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超声波流量计是一种近年来开展起来的新型流量丈量仪表,其使用领域***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开展带来机遇。水利工程的良莠与否,对于工程中水流量的丈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,使用超声波流量计不仅能够为水量丈量供给准确的丈量数据,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进程决议计划供给科学依据。本文从超声波测流技能概略出发, 分析该技能的关键要点, 并分析其在簸箕李灌区大型水利工程中的使用, 以及使用中需要注意的问题, 有利于进步流量丈量的准确性, 为大型水利工程运行供给重要的辅导与借鉴。

1、超声波测流技能:

超声波流量计的历史

(1)1928 年德国人研制成功超声波流量计,并取得了专利。至今超声波流量计已有80 年历史

(2)1955 年首先使用于马克森(MAXSON)流量计丈量航空燃烧油,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,因为他们的研究可进一步消除因为管壁的交混回响所产生的相位失真,也为管外夹装供给了理论依据。进入20 世纪七十年代以后,因为集成电路和锁相环路技能的开展,使超声波流量计得以克服曾经的精度不高,响应慢,稳定性与可靠性差等丧命弱点,使实用的超声波流量计得以开展。

近20 年来特别是近10 年来,基于高速数字信号的处理技能与微处理技能的快速开展,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,超声流量丈量技能取得了长足进展,显示了强劲的技能优势,开展势头迅猛。2000 年在巴西召开的国际流量丈量学术会议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能的论文20 篇,约占论文总数的1/5。在历次国际流量学术会议上,选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, 选用先进的处理技能进行超声波信号的处理, 可是二者的工作原理与使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挑选, 簸箕李灌区就选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, 丈量的水流条件和丈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, 流量的丈量通过流速与水位的丈量来完成, 通过多声道测流速加权积分的测流技能, 完成了流速丈量, 改变了传统对声道平均流速丈量的弊端。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达时刻差的确定来完成对流速的丈量;水位换能器发射超声波的发出与返回来确定水深;***后, 渠道矩阵面积核算, 借助于流量仪器, 可以极快地测算流量。可是实际操作中, 超声波流量计类型会对丈量的精度产生严重的影响, 因而, 必须考虑被测地的实际情况来进行挑选。

1.3、超声波流量计丈量原理:

时差超声波流量计在进行流量丈量时, 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装置方式不同, 前者装置于管道一侧, V形方式, 而后者装置于管道两侧, 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达速度的时刻差值来进行流量的核算, 工作流程如下:依据超声波信号在顺流与逆流之间的传达速度时刻差丈量水的流速, 再依据断面面积进行流量核算, 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为顺流和逆流传达时刻, 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、超声波测流技能的关键点:

2.1、超声波传达时刻的检测技能:

超声波传达速度极快, 达到了1457m/s, 因而, 超声波在管道内的传达速度很短, 因而, 使得超声波在顺流与逆流传达时刻上的差值更小, 因而, 对于丈量精度的技能性以及时刻分别率要求极高。目前, 多选用高速集成电路的数学模式, 有效完成了时刻差分辨率的进步, 进步了丈量的准确性。

2.2、声波的分辨与检测技能:

因为丈量利用的是超声波在水中的传达来进行丈量的, 液体中的传达受到材质、流速等多方面要素的影响, 受到管道材质影响, 超声波信号的传达会受到搅扰而减弱, 别的, 现场管道噪声与变频设备等都会对信号传达产生搅扰, 因而, 对声波的分辨与检测是关键的技能。近年来多使用大连海峰TDS-100系列超声波流量计进行流速的丈量, 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要素的搅扰较小, 进步了流量计丈量的可靠性与稳定性。

2.3、超声波换能器的粘接剂材料技能:

传统超声波流量计换能器的材料多为塑料, 功能的稳定性差, 且使用寿命有限。近年来, 材料技能的开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功能, 用金属合金粉末进行粘结剂材料, 进步了设备的全体功能, 确保了使用寿命。

3、超声波测流技能在大型水利工程中的使用:

3.1、设备选型

大型水利工程项目中, 多选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, 通过这种输水进程, 有效完成对渠道水位和流量的操控。与此同时, 为了完成对全体渠道水流的操控, 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操控来完成全体水流操控。代行水利工程在进行流量丈量时, 多选用时差式超声波流量计来进行丈量, 在丈量进程中, 需要设置引水流道水工结构形式进行丈量, 一般多为明渠与PCCP管道, 丈量时, 依据整个工程流域内的悉数闸门, 依据其重要性和功能要求, 分为8、4、2声道的换能器类型, 而且如果是小管径管道, 多使用电磁式流量计来设置分水口, 完成丈量。

3.2、设备组成及技能指标:

超声波流量计一般包括了主机、换能器、水位计与衔接电缆等组成部分。流量计主机多选用单片机结构, 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、水温等丈量参数的显示。别的, 设备的挑选还需要对防护等级、信号输出、温度等指标进行衡量。通过信号输出方式, 完成丈量进程中流量计丈量成果与核算机、PLC设备的实时通信功能, 进而依据信号输出, 完成对丈量成果的分析。别的, 因为温度对流量计丈量也会形成影响。传感器的环境温度为-30℃~+1600℃, 工作温度在-10℃~+50℃, 丈量进程中, 应依据实际情况, 进行配套设施的挑选, 进步丈量精度, 确保丈量成果的有效性。

3.3、流量计的装置与调试:

水利工程中使用超声波测流技能完成对流速、流量的丈量, 尤其要注意对超声波流量计的装置与调试, 一般主要包括了对换能器、主机、信号电缆、系统的装置与调试进程。

3.3.1、换能器装置:

主要是对装置方位的挑选, 依据工程的实际情况, 在被测水体的渠道两侧或钢管壁确定装置的合适方位。方位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。为了完成丈量成果的准确性, 45°为佳。簸箕李灌区超声波测流设备装置初期就是因为装置方位不准确, 形成流量相差较大, 后经多次精准调整才得以解决。

3.3.2、主机装置:

主机装置的前提是信号电缆与电源线的合理衔接, 防止因为各种要素而形成的衔接出错问题, 因而, 在进行信号电缆铺设时, 应该对衔接头进行标记, 防止衔接出错。电源装置要确保电压供应的稳定性, 防止较大的波动所形成的主机损坏。灌区测流设备装置时, 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全体运行的稳定性与安全性。信号电缆与电源线正确衔接完成以后, 进行流量计主机与核算机系统的串口衔接, 进行丈量成果有效数据的采集。

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、核算机系统相关参数的设置与输入;换能器如果悉数浸没于水中, 就必须进行超声波流量计的自检进程, 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查看, 从而依据检测成果。判断流量计丈量的***性;依据检测进程, 进行检测成果输出的查看, 比如打印机、模拟量等输出的查看, 输出正常才说明设备的无故障;进行串口与核算机系统的通信模拟, 确保实时通信功能的完成。

4、结语

超声波测流技能使用中, 一定要结合被测水体的实际情况, 科学使用丈量设备与丈量方式, 并进行流量计的正确装置与调试, 防止丈量中不利要素的搅扰, 进步丈量成果的可靠性与准确性, 确保成果的有效性, 以完成对丈量成果的使用。

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2019年10月16日 07:56
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