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超聲波流量計(jì)近百年來的成長(zhǎng)歷史
（1）1928 年德國(guó)人研制成功第一臺(tái)超聲波流量計(jì)，并取得了專利。至今超聲波流量計(jì)已有80 年歷史
（2）1955 年首先應(yīng)用于馬克森（MAXSON）流量計(jì)測(cè)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(jì)
（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(jù)。進(jìn)入20 世紀(jì)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(jì)得以克服以前的精確度不高，響應(yīng)慢，穩(wěn)定性與可靠性差等致命弱點(diǎn)，使實(shí)用的超聲波流量計(jì)得以發(fā)展。
近20 年來特別是近10 年來，基于高速數(shù)字信號(hào)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(cè)量技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，顯示了強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。2000 年在巴西召開的國(guó)際流量測(cè)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(jì)及超聲波技術(shù)的論文20 篇，約占論文總數(shù)的1/5。在歷次國(guó)際流量學(xué)術(shù)會(huì)議上，采用超聲波流量計(jì)作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)愈來愈多，可見超聲波流量計(jì)其潛在的巨大的生命力。
 
1.1、超聲波流量計(jì)的構(gòu)成：
 
目前市場(chǎng)上使用較多的超聲波流量計(jì)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(hào)的處理, 但是二者的工作原理與應(yīng)用環(huán)境等存在較大的差異, 應(yīng)該結(jié)合水利工程的實(shí)際情況進(jìn)行選擇, 簸箕李灌區(qū)就采用了時(shí)差式超聲波流量計(jì)。就時(shí)差式超聲波流量計(jì)而言, 主要有主機(jī)、超聲波換能器和水位換能器組成。
 
1.2、超聲波流量計(jì)的工作方式：
 
超聲波流速換能器浸于水中, 測(cè)量的水流條件和測(cè)量精度決定了換能器聲路數(shù)量。IEC41相關(guān)規(guī)程中規(guī)定了聲路數(shù)一般為二、四、八聲路。如UF-911, 運(yùn)行時(shí), 流量的測(cè)量通過流速與水位的測(cè)量來實(shí)現(xiàn), 通過多聲道測(cè)流速加權(quán)積分的測(cè)流技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了流速測(cè)量, 改變了傳統(tǒng)對(duì)聲道平均流速測(cè)量的弊端。其基本流程為:流速換能器在接收到主機(jī)發(fā)出的震動(dòng)超聲波信號(hào)以后, 通過對(duì)超聲波順流與逆流傳播時(shí)間差的確定來實(shí)現(xiàn)對(duì)流速的測(cè)量;水位換能器發(fā)射超聲波的發(fā)出與返回來確定水深;最后, 渠道矩陣面積計(jì)算, 借助于流量?jī)x器, 可以極快地測(cè)算流量。但是實(shí)際操作中, 超聲波流量計(jì)型號(hào)會(huì)對(duì)測(cè)量的精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響, 因此, 必須考慮被測(cè)地的實(shí)際情況來進(jìn)行選擇。
 
1.3、超聲波流量計(jì)測(cè)量原理：
 
時(shí)差超聲波流量計(jì)在進(jìn)行流量測(cè)量時(shí), 兩探頭分別位于被測(cè)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(cè), V形方式, 而后者安裝于管道兩側(cè), Z形方式。兩個(gè)探頭都可以接收與發(fā)射超聲波信號(hào), 再加上液體流速會(huì)對(duì)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(jì)通過對(duì)超聲波信號(hào)在順流與逆流之間傳播速度的時(shí)間差值來進(jìn)行流量的計(jì)算, 工作流程如下:根據(jù)超聲波信號(hào)在順流與逆流之間的傳播速度時(shí)間差測(cè)量水的流速, 再根據(jù)斷面面積進(jìn)行流量計(jì)算, 如圖1所示。
 
 
 
管道兩側(cè)的超聲波換能器A與B, 當(dāng)一個(gè)作為發(fā)射換能器時(shí), 相對(duì)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(zhǎng)L, 管道面積為S。那么斷面瞬時(shí)流量為:
 
2、超聲波測(cè)流技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)：
 
2.1、超聲波傳播時(shí)間的檢測(cè)技術(shù)：
 
超聲波傳播速度極快, 達(dá)到了1457m/s, 因此, 超聲波在管道內(nèi)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(duì)于測(cè)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(shù)學(xué)模式, 有效實(shí)現(xiàn)了時(shí)間差分辨率的提高, 提高了測(cè)量的精確性。
  
 
2.2、聲波的分辨與檢測(cè)技術(shù)：
 
由于測(cè)量利用的是超聲波在水中的傳播來進(jìn)行測(cè)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(hào)的傳播會(huì)受到干擾而減弱, 另外, 現(xiàn)場(chǎng)管道噪聲與變頻設(shè)備等都會(huì)對(duì)信號(hào)傳播產(chǎn)生干擾, 因此, 對(duì)聲波的分辨與檢測(cè)是關(guān)鍵的技術(shù)。近年來多使用UF-911超聲波流量計(jì)進(jìn)行流速的測(cè)量, 克服了弊端, 設(shè)置了流體對(duì)超聲波的調(diào)制函數(shù), 使得超聲波信號(hào)受其他因素的干擾較小, 提高了流量計(jì)測(cè)量的可靠性與穩(wěn)定性。
 
2.3、超聲波換能器的粘接劑材料技術(shù)：
 
傳統(tǒng)超聲波流量計(jì)換能器的材料多為塑料, 性能的穩(wěn)定性差, 且使用壽命有限。近年來, 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(qiáng)的抗磨損與抗腐蝕性能, 用金屬合金粉末進(jìn)行粘結(jié)劑材料, 提高了設(shè)備的整體性能, 保證了使用壽命。
 
3、超聲波測(cè)流技術(shù)在大型水利工程中的應(yīng)用：
 
3.1、設(shè)備選型：
 
大型水利工程項(xiàng)目中, 多采用明渠結(jié)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, 通過泵站的加壓, 進(jìn)行PCCP管道與暗涵輸水, 通過這種輸水過程, 有效實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道水位和流量的控制。與此同時(shí), 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整體渠道水流的控制, 可以通過設(shè)置一定數(shù)量的節(jié)制閘來進(jìn)行渠道分段, 通過對(duì)每個(gè)渠段水流的控制來實(shí)現(xiàn)整體水流控制。代行水利工程在進(jìn)行流量測(cè)量時(shí), 多選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)來進(jìn)行測(cè)量, 在測(cè)量過程中, 需要設(shè)置引水流道水工結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行測(cè)量, 一般多為明渠與PCCP管道, 測(cè)量時(shí), 依據(jù)整個(gè)工程流域內(nèi)的全部閘門, 根據(jù)其重要性和功能要求, 分為8、4、2聲道的換能器類型, 并且如果是小管徑管道, 多使用電磁式流量計(jì)來設(shè)置分水口, 完成測(cè)量。
 
3.2、設(shè)備組成及技術(shù)指標(biāo)：
 
超聲波流量計(jì)一般包括了主機(jī)、換能器、水位計(jì)與連接電纜等組成部分。流量計(jì)主機(jī)多采用單片機(jī)結(jié)構(gòu), 并通過相應(yīng)的顯示屏的配置, 來進(jìn)行瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、流速、水溫等測(cè)量參數(shù)的顯示。另外, 設(shè)備的選擇還需要對(duì)防護(hù)等級(jí)、信號(hào)輸出、溫度等指標(biāo)進(jìn)行衡量。通過信號(hào)輸出方式, 實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程中流量計(jì)測(cè)量結(jié)果與計(jì)算機(jī)、PLC設(shè)備的實(shí)時(shí)通信功能, 進(jìn)而根據(jù)信號(hào)輸出, 實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析。另外, 由于溫度對(duì)流量計(jì)測(cè)量也會(huì)造成影響。流量計(jì)的環(huán)境溫度為-30℃～+70℃, 工作溫度在-10℃～+50℃, 測(cè)量過程中, 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況, 進(jìn)行配套設(shè)施的選擇, 提高測(cè)量精度, 保證測(cè)量結(jié)果的有效性。
 
3.3、流量計(jì)的安裝與調(diào)試：
 
水利工程中使用超聲波測(cè)流技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)流速、流量的測(cè)量, 尤其要注意對(duì)超聲波流量計(jì)的安裝與調(diào)試, 一般主要包括了對(duì)換能器、主機(jī)、信號(hào)電纜、系統(tǒng)的安裝與調(diào)試過程。
 
3.3.1、換能器安裝：
 
主要是對(duì)安裝位置的選擇, 根據(jù)工程的實(shí)際情況, 在被測(cè)水體的渠道兩側(cè)或鋼管壁確定安裝的合適位置。位置的確定一般通過激光經(jīng)緯儀進(jìn)行定位確定, 尤其要注意換能器與渠道中心線的夾角問題。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的精確性, 45°最佳。簸箕李灌區(qū)超聲波測(cè)流設(shè)備安裝初期就是因?yàn)榘惭b位置不準(zhǔn)確, 造成流量相差較大, 后經(jīng)多次精準(zhǔn)調(diào)整才得以解決。
 
3.3.2、主機(jī)安裝：
 
主機(jī)安裝的前提是信號(hào)電纜與電源線的合理連接, 避免由于各種因素而造成的連接出錯(cuò)問題, 因此, 在進(jìn)行信號(hào)電纜鋪設(shè)時(shí), 應(yīng)該對(duì)連接頭進(jìn)行標(biāo)記, 避免連接出錯(cuò)。電源安裝要保證電壓供應(yīng)的穩(wěn)定性, 避免較大的波動(dòng)所造成的主機(jī)損壞。灌區(qū)測(cè)流設(shè)備安裝時(shí), 初期使用的是穩(wěn)定性較差、波動(dòng)較大的施工電源, 使得設(shè)備運(yùn)行出故障, 后期在電源的進(jìn)線端增加了穩(wěn)壓電源才確保了整體運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。信號(hào)電纜與電源線正確連接完成以后, 進(jìn)行流量計(jì)主機(jī)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的串口連接, 進(jìn)行測(cè)量結(jié)果有效數(shù)據(jù)的采集。
 
3.3.3、系統(tǒng)調(diào)試：
 
這是在整個(gè)裝置完成以后確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。需要按照說明書要求, 進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互界面、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置與輸入;換能器如果全部浸沒于水中, 就必須進(jìn)行超聲波流量計(jì)的自檢過程, 來進(jìn)行各個(gè)聲路工作、運(yùn)行情況的檢測(cè), 可分別在靜水與動(dòng)水狀態(tài)下進(jìn)行檢查, 從而根據(jù)檢測(cè)結(jié)果。判斷流量計(jì)測(cè)量的精確性;根據(jù)檢測(cè)過程, 進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果輸出的檢查, 比如打印機(jī)、模擬量等輸出的檢查, 輸出正常才說明設(shè)備的無故障;最后, 進(jìn)行串口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信模擬, 確保實(shí)時(shí)通信功能的實(shí)現(xiàn)。
 
4、結(jié)語：
 
超聲波測(cè)流技術(shù)應(yīng)用中, 一定要結(jié)合被測(cè)水體的實(shí)際情況, 科學(xué)使用測(cè)量設(shè)備與測(cè)量方式, 并進(jìn)行流量計(jì)的正確安裝與調(diào)試, 避免測(cè)量中不利因素的干擾, 提高測(cè)量結(jié)果的可靠性與精確性, 保證結(jié)果的有效性, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的應(yīng)用。