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大流量污水超声流量计的方案设计和应用 

水资源的短缺已成为世界关注的问题，为此我国也新建了许多大中型水利工程，进行水资源的调剂。同时我国大多数城市为了防止现有的水环境污染，改善自身生存条件，保护紧缺的水资源，新建了许多引水工程和污水处理工厂进行污水处理。在污水处理和排放过程中势必涉及到大口径、大流量各类污水流量计的计量问题。
随着超声波换能器、电子、计算机、数字处理等技术的迅猛发展，超声流量计在大口径、大流量的液体、气体计量方面得到广泛使用，技术日趋成熟和完善。超声流量计本身良好的性能价格比使得其应用日益广泛，目前不仅使用在各行各业过程控制中的流量计量，还被用于贸易结算的流量计量。
本文着重介绍上海已建成投运的170吨/日城市污水处理厂中大型箱涵污水超声流量计的设计、安装、调试的实施。
1  超声流量计测量原理
1.1 多普勒式超声流量计
利用多普勒效应原理来测定流体的流量，如图1所示。换能器A向流体发射频率为 的超声波连续信号，经照射管道内的悬浮物颗粒及气泡，超声波产生多普勒频率偏移，以 的频率反射到接收换能器B。

                  图1 多普勒超声流量计
设流体流速为V,超声波声速为C，多普勒频移 正比于流体的流速V，即
当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，C、，  即为常数，流体的流速和多普勒频移成正比，通过测量频移就可以测量流体的流速，进而求得流体的流量。
多普勒超声流量计的特点：仪表精度通常在±（3~7）％FS之间，适用于测量含有适量能给出强发射信号的颗粒和气泡。其悬浮物含量约在1g/L~5g/L为宜。一般用于工厂排放未处理的污水和回流污泥等流量计量，不宜用于洁净液体的流量计量。
1.2 时差式多声路超声流量计
测量原理：在封闭的满管中测量流体的瞬时流量Q，是根据超声波信号沿水流方向的传播速度会增大，逆流方向则减小；在同一传播距离的条件下，有着不同的传播速度和传播时间；由顺向传播时间t1和逆向传播时间t2可以计算出传播时间差，然后可计算出平均线流速。其原理如图2所示。
                         图2  时差式超声流量计原理图
式中：V为测量声路上的线平均流速；L为测量声路的有效路长；t1为声波正向传播时间；t2为声波逆向传播时间；  为声波流正向传播时间和逆向传播时间差；C为超声波声速；  为声路和流道轴线间的夹角；S为测量断路截面积；q为体积流量。
如果为四声路时：       
式中：  为测量断面线平均流速；Ki为第I声道加权积分系数；Vi为第i声道线平均流速；S为断面横截面面积；Ki为加权积分系数，该权系数是由换能器的声路布置和安装来确定的。
本项目选用的是瑞士某公司RISONIC2000型时差式四声路超声流量计，其声路布置和权系数如表1所列[1]。表中高斯－Jacobi积分方法推荐使用矩形、梯形等结构管道，高斯－Legendre推荐使用圆形结构管道，W为超声流量计加权积分常数，Ki比例常数。声路布置如图3所示。
                图3 多声路超声流量计声路布置图
表1 时差式多声路超声流量计声路布置、权系数、积分方法
声路布置
高斯－Jacobi
高斯－Legendre
1E2P         W1=W2=0.906900     K=1.0
2EAP         W1=W2＝W3=W4=0.906900   K=1.0
1E4P         W1=W4=0.369317   W2=W3=0.597567
               K=1.0
2E8P          W1=W4=W5=W8=0.369317
               W2=W3=W6=W7=0.597567  K=1.0
W1=W2=1.0  K=0.994
W1=W2＝W3=W4=1.0    K=0.994
W1=W4=0.347855  W2=W3=0.652145
K=0.994
W1=W4=W5=W8=0.347855
W2=W3=W6=W7=0.652145   K=0.994
RISONIC2000型时差式四声路超声流量计电路原理如图4所示。

                图4  RISONIC2000电路原理
图4所示为锁相环（PLL,phase locked loop）方式的超声流量计，能产生与超声脉冲传播时间的倒数成正比的频率。其中顺向振荡器VCO（1）的发射频率被分成N等分，其周期与超声波在液体中传播的时间几乎相同。分频电路输出的电脉冲和穿过水中的收信超声脉冲的传播时间差由时间差检测电路检测。其输出转换成直流后加至VCO（1），控制其振荡频率，使时间差电压自动归零，这时VCO的输出频率为定值。因此，在稳定状态下，VCO（2）振荡频率的形成过程和VCO（1）完全相同，只是超声波为反向传播。只要算出这两个频率的差值，就能获得和流速正比的数值。
2  RISONIC2000型时差式多声道超声流量计的特点
   ①本项目选型时差式超声流量计安装方式采用插入式，测量精度较高，如四声路时差式超声流量计出场标定精度为0.5％。
   ②箱涵测量为直通管，换能器在箱涵中凸出部分最小化和无阻流件，从而流体无外加压力损失。同时，它是一种不会破坏流体的流场进行流体测量的仪表。
   ③测量精度不受介质的理化性质如电导率、粘度、温度、压力、组分变化等因素的影响，因此也适用于高黏度的液体的流量测量。
   ④能在运行条件下（不停流）带压更换换能器，维修方便。
   ⑤流体的雷诺数（Re）对测量影响较小，在正常使用情况下，仪表制造厂规定了仪表被测流速范围0.003m/s~±20m/s，本项目设计流速远大于最低流速这一技术指标。
   ⑥流体测量流量的范围度（量程比）宽，可达1∶300。
   ⑦超声流量计本身没有机械惯性，可以快速采样，用多次采样平均值计算出流量，可以消除流体流速脉动造成测量的影响。
   ⑧多声路超声流量计为了保证传播时间的准确测量，采取了以下有效措施：
·计数器电路采用了80MHz以上的高稳定石英晶体振荡器，时基误差控制在±12.5ns以内。
·准确测量信号在电子电路和换能器中传播的延迟，并从所测得的总传播时间中扣除，提高仪表测量精度。
·多声路超声流量计内部有完善的信号质量检测电路，可有效地解决噪声干扰、信号衰减和电路参数变化等测量精度的影响。
⑨RISONIC2000有强大的自诊断功能，在检测过程中，对每条声路、声路的流速进行有效性检验，当无效的声速、无效的声路流速第一次出现时，系统将使用先前的有效值代替，如多次出现，这些测量值仍将保持冻结，用先前的测量值代替，直到一个有效的测量值被识别后，数据才予以更新。当连续出现时，将显示无效声路声速、无效流速错误状态报警，同时声路布置自动切换，即当前叉断面的某一测量声路出现上述故障时，将自动切换成单断面测量。当单断面的某一测量声路出现上述故障时，将关闭该声路。用其它声路代替。
⑩由于仪表用于工业现场，而且电路中存在高频信号和超声波换能器高压发射信号，故存在较为严重的干扰。系统从软件和硬件同时采取措施极大地提高系统地抗干扰能力，即软件采用模块化结构设计，利用指令冗余和软件陷阱程序防止跑飞，硬件在微机处理的复位端由外围电路组成防止程序跑飞的看门狗电路。
3         时差式超声流量计的设计方案
3.1 超声流量计测量原理的选择
时差式超声流量计测量时，被测液体必须能被声波穿透，也就是液体中不能含有太高浓度的气泡、悬浮物颗粒和沉淀物，否则声波将被折射，影响测量精度。通常时差式超声流量计测量时，其悬浮物含量限制在1％体积含量以内，若超过含量，则选择多普勒原理超声流量计。本项目的悬浮物含量仅在500ppm/L以内，因此选择时差式超声流量计为宜。

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