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超聲波流量計近百年來(lái)的成長(cháng)歷史
（1）1928 年德國人研制成功第一臺超聲波流量計，并取得了專(zhuān)利。至今超聲波流量計已有80 年歷史
（2）1955 年首先應用于馬克森（MAXSON）流量計測量航空燃燒油，這是一種基于聲循環(huán)法的兩組探頭（換能器）組成的液體流量計
（3）1958 年A.L.H-ERDRICH 等人發(fā)明折射式探頭，由于他們的研究可進(jìn)一步消除由于管壁的交混回響所產(chǎn)生的相位失真，也為管外夾裝提供了理論依據。進(jìn)入20 世紀七十年代以后，由于集成電路和鎖相環(huán)路技術(shù)的發(fā)展，使超聲波流量計得以克服以前的精確度不高，響應慢，穩定性與可靠性差等致命弱點(diǎn)，使實(shí)用的超聲波流量計得以發(fā)展。
近20 年來(lái)特別是近10 年來(lái)，基于高速數字信號的處理技術(shù)與微處理技術(shù)的快速發(fā)展，基于新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置與流量動(dòng)力學(xué)的研究，超聲流量測量技術(shù)取得了長(cháng)足進(jìn)展，顯示了強勁的技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)展勢頭迅猛。2000 年在巴西召開(kāi)的國際流量測量學(xué)術(shù)會(huì )議（FLOMEK-O‘2000）上共宣讀學(xué)術(shù)論文集103 篇，其中直接涉及超聲波流量計及超聲波技術(shù)的論文20 篇，約占論文總數的1/5。在歷次國際流量學(xué)術(shù)會(huì )議上，采用超聲波流量計作為傳遞標準的文獻愈來(lái)愈多，可見(jiàn)超聲波流量計其潛在的巨大的生命力。
 
1.1、超聲波流量計的構成：
 
目前市場(chǎng)上使用較多的超聲波流量計主要有多普勒式和時(shí)差式, 二者都是借助于超聲波的聲學(xué)特征, 采用先進(jìn)的處理技術(shù)進(jìn)行超聲波信號的處理, 但是二者的工作原理與應用環(huán)境等存在較大的差異, 應該結合水利工程的實(shí)際情況進(jìn)行選擇, 簸箕李灌區就采用了時(shí)差式超聲波流量計。就時(shí)差式超聲波流量計而言, 主要有主機、超聲波換能器和水位換能器組成。
 
1.2、超聲波流量計的工作方式：
 
超聲波流速換能器浸于水中, 測量的水流條件和測量精度決定了換能器聲路數量。IEC41相關(guān)規程中規定了聲路數一般為二、四、八聲路。如UF-911, 運行時(shí), 流量的測量通過(guò)流速與水位的測量來(lái)實(shí)現, 通過(guò)多聲道測流速加權積分的測流技術(shù), 實(shí)現了流速測量, 改變了傳統對聲道平均流速測量的弊端。其基本流程為:流速換能器在接收到主機發(fā)出的震動(dòng)超聲波信號以后, 通過(guò)對超聲波順流與逆流傳播時(shí)間差的確定來(lái)實(shí)現對流速的測量;水位換能器發(fā)射超聲波的發(fā)出與返回來(lái)確定水深;最后, 渠道矩陣面積計算, 借助于流量?jì)x器, 可以極快地測算流量。但是實(shí)際操作中, 超聲波流量計型號會(huì )對測量的精度產(chǎn)生嚴重的影響, 因此, 必須考慮被測地的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選擇。
 
1.3、超聲波流量計測量原理：
 
時(shí)差超聲波流量計在進(jìn)行流量測量時(shí), 兩探頭分別位于被測管道或明渠的上、下游, 小口徑管道與大口徑管道的安裝方式不同, 前者安裝于管道一側, V形方式, 而后者安裝于管道兩側, Z形方式。兩個(gè)探頭都可以接收與發(fā)射超聲波信號, 再加上液體流速會(huì )對從上游到下游探頭發(fā)出的聲速產(chǎn)生影響, 使得聲速極大增加。時(shí)差法超聲波流量計通過(guò)對超聲波信號在順流與逆流之間傳播速度的時(shí)間差值來(lái)進(jìn)行流量的計算, 工作流程如下:根據超聲波信號在順流與逆流之間的傳播速度時(shí)間差測量水的流速, 再根據斷面面積進(jìn)行流量計算, 如圖1所示。
 
 
 
管道兩側的超聲波換能器A與B, 當一個(gè)作為發(fā)射換能器時(shí), 相對的, 另一個(gè)作為接收換能器。uT、Td為順流和逆流傳播時(shí)間, α為流速與超聲波路徑夾角, 聲路長(cháng)L, 管道面積為S。那么斷面瞬時(shí)流量為:
 
2、超聲波測流技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)：
 
2.1、超聲波傳播時(shí)間的檢測技術(shù)：
 
超聲波傳播速度極快, 達到了1457m/s, 因此, 超聲波在管道內的傳播速度很短, 因此, 使得超聲波在順流與逆流傳播時(shí)間上的差值更小, 因此, 對于測量精度的技術(shù)性以及時(shí)間分別率要求極高。目前, 多采用高速集成電路的數學(xué)模式, 有效實(shí)現了時(shí)間差分辨率的提高, 提高了測量的精確性。
  
 
2.2、聲波的分辨與檢測技術(shù)：
 
由于測量利用的是超聲波在水中的傳播來(lái)進(jìn)行測量的, 液體中的傳播受到材質(zhì)、流速等多方面因素的影響, 受到管道材質(zhì)影響, 超聲波信號的傳播會(huì )受到干擾而減弱, 另外, 現場(chǎng)管道噪聲與變頻設備等都會(huì )對信號傳播產(chǎn)生干擾, 因此, 對聲波的分辨與檢測是關(guān)鍵的技術(shù)。近年來(lái)多使用UF-911超聲波流量計進(jìn)行流速的測量, 克服了弊端, 設置了流體對超聲波的調制函數, 使得超聲波信號受其他因素的干擾較小, 提高了流量計測量的可靠性與穩定性。
 
2.3、超聲波換能器的粘接劑材料技術(shù)：
 
傳統超聲波流量計換能器的材料多為塑料, 性能的穩定性差, 且使用壽命有限。近年來(lái), 材料技術(shù)的發(fā)展使得多使用鋼化陶瓷作為換能器材料, 具有極強的抗磨損與抗腐蝕性能, 用金屬合金粉末進(jìn)行粘結劑材料, 提高了設備的整體性能, 保證了使用壽命。
 
3、超聲波測流技術(shù)在大型水利工程中的應用：
 
3.1、設備選型：
 
大型水利工程項目中, 多采用明渠結合倒虹吸和渡槽自流的方式進(jìn)行輸水, 水流在進(jìn)入平水位后, 通過(guò)泵站的加壓, 進(jìn)行PCCP管道與暗涵輸水, 通過(guò)這種輸水過(guò)程, 有效實(shí)現對渠道水位和流量的控制。與此同時(shí), 為了實(shí)現對整體渠道水流的控制, 可以通過(guò)設置一定數量的節制閘來(lái)進(jìn)行渠道分段, 通過(guò)對每個(gè)渠段水流的控制來(lái)實(shí)現整體水流控制。代行水利工程在進(jìn)行流量測量時(shí), 多選用時(shí)差式超聲波流量計來(lái)進(jìn)行測量, 在測量過(guò)程中, 需要設置引水流道水工結構形式進(jìn)行測量, 一般多為明渠與PCCP管道, 測量時(shí), 依據整個(gè)工程流域內的全部閘門(mén), 根據其重要性和功能要求, 分為8、4、2聲道的換能器類(lèi)型, 并且如果是小管徑管道, 多使用電磁式流量計來(lái)設置分水口, 完成測量。
 
3.2、設備組成及技術(shù)指標：
 
超聲波流量計一般包括了主機、換能器、水位計與連接電纜等組成部分。流量計主機多采用單片機結構, 并通過(guò)相應的顯示屏的配置, 來(lái)進(jìn)行瞬時(shí)流量、累計流量、流速、水溫等測量參數的顯示。另外, 設備的選擇還需要對防護等級、信號輸出、溫度等指標進(jìn)行衡量。通過(guò)信號輸出方式, 實(shí)現測量過(guò)程中流量計測量結果與計算機、PLC設備的實(shí)時(shí)通信功能, 進(jìn)而根據信號輸出, 實(shí)現對測量結果的分析。另外, 由于溫度對流量計測量也會(huì )造成影響。流量計的環(huán)境溫度為-30℃～+70℃, 工作溫度在-10℃～+50℃, 測量過(guò)程中, 應根據實(shí)際情況, 進(jìn)行配套設施的選擇, 提高測量精度, 保證測量結果的有效性。
 
3.3、流量計的安裝與調試：
 
水利工程中使用超聲波測流技術(shù)實(shí)現對流速、流量的測量, 尤其要注意對超聲波流量計的安裝與調試, 一般主要包括了對換能器、主機、信號電纜、系統的安裝與調試過(guò)程。
 
3.3.1、換能器安裝：
 
主要是對安裝位置的選擇, 根據工程的實(shí)際情況, 在被測水體的渠道兩側或鋼管壁確定安裝的合適位置。位置的確定一般通過(guò)激光經(jīng)緯儀進(jìn)行定位確定, 尤其要注意換能器與渠道中心線(xiàn)的夾角問(wèn)題。為了實(shí)現測量結果的精確性, 45°最佳。簸箕李灌區超聲波測流設備安裝初期就是因為安裝位置不準確, 造成流量相差較大, 后經(jīng)多次精準調整才得以解決。
 
3.3.2、主機安裝：
 
主機安裝的前提是信號電纜與電源線(xiàn)的合理連接, 避免由于各種因素而造成的連接出錯問(wèn)題, 因此, 在進(jìn)行信號電纜鋪設時(shí), 應該對連接頭進(jìn)行標記, 避免連接出錯。電源安裝要保證電壓供應的穩定性, 避免較大的波動(dòng)所造成的主機損壞。灌區測流設備安裝時(shí), 初期使用的是穩定性較差、波動(dòng)較大的施工電源, 使得設備運行出故障, 后期在電源的進(jìn)線(xiàn)端增加了穩壓電源才確保了整體運行的穩定性與安全性。信號電纜與電源線(xiàn)正確連接完成以后, 進(jìn)行流量計主機與計算機系統的串口連接, 進(jìn)行測量結果有效數據的采集。
 
3.3.3、系統調試：
 
這是在整個(gè)裝置完成以后確保系統正常運行的關(guān)鍵。需要按照說(shuō)明書(shū)要求, 進(jìn)行相應的人機交互界面、計算機系統相關(guān)參數的設置與輸入;換能器如果全部浸沒(méi)于水中, 就必須進(jìn)行超聲波流量計的自檢過(guò)程, 來(lái)進(jìn)行各個(gè)聲路工作、運行情況的檢測, 可分別在靜水與動(dòng)水狀態(tài)下進(jìn)行檢查, 從而根據檢測結果。判斷流量計測量的精確性;根據檢測過(guò)程, 進(jìn)行檢測結果輸出的檢查, 比如打印機、模擬量等輸出的檢查, 輸出正常才說(shuō)明設備的無(wú)故障;最后, 進(jìn)行串口與計算機系統的通信模擬, 確保實(shí)時(shí)通信功能的實(shí)現。
 
4、結語(yǔ)：
 
超聲波測流技術(shù)應用中, 一定要結合被測水體的實(shí)際情況, 科學(xué)使用測量設備與測量方式, 并進(jìn)行流量計的正確安裝與調試, 避免測量中不利因素的干擾, 提高測量結果的可靠性與精確性, 保證結果的有效性, 以實(shí)現對測量結果的應用。