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大流量污水超聲流量計的方案設計和應用
多普勒式超聲流量計時差式多聲路超聲流量計超聲流量計聲路布置RISONIC2000電路原理
2005年8月（1）
摘要 針對大型箱涵污水大流量儀表設計選型的諸多局限性，本文著重介紹了超聲流量儀表的基本原理、設計、安裝等的要求和應用。該儀表實踐使用表明：超聲流量計具有其他流量儀表無可比擬的許多優點，是解決大流量計量的有效方法，滿足污水大流量計量的要求，具有很高的推廣應用價值。
關鍵詞 污水 計量 超聲流量計
0 引言
水資源的短缺已成為世界關注的問題，為此我國也新建了許多大中型水利工程，進行水資源的調劑。同時我國大多數城市為了防止現有的水環境污染，改善自身生存條件，保護緊缺的水資源，新建了許多引水工程和污水處理工廠進行污水處理。在污水處理和排放過程中勢必涉及到大口徑、大流量各類水的計量問題。
隨著超聲波換能器、電子、計算機、數字處理等技術的迅猛發展，超聲流量計在大口徑、大流量的液體、氣體計量方面得到廣泛使用，技術日趨成熟和完善。超聲流量計本身良好的性能價格比使得其應用日益廣泛，目前不僅使用在各行各業過程控制中的流量計量，還被用于貿易結算的流量計量。
本文著重介紹上海已建成投運的170噸/日城市污水處理廠中大型箱涵污水超聲流量計的設計、安裝、調試的實施。
1 超聲流量計測量原理
利用多普勒效應原理來測定流體的流量，如圖1所示。換能器A向流體發射頻率為 
的超聲波連續信號，經照射管道內的懸浮物顆粒及氣泡，超聲波產生多普勒頻率偏移，以 
的頻率反射到接收換能器B， 
和 
之差即為多普勒頻差 
。
圖1 多普勒超聲流量計
設流體流速為V,超聲波聲速為C，多普勒頻移 
正比于流體的流速V，即
當管道條件、換能器安裝位置、發射頻率、聲速確定以后，C、， 
、 
、 
即為常數，流體的流速和多普勒頻移成正比，通過測量頻移就可以測量流體的流速，進而求得流體的流量。
多普勒超聲流量計的特點：儀表精度通常在±（3~7）％FS之間，適用于測量含有適量能給出強發射信號的顆粒和氣泡。其懸浮物含量約在1g/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量，不宜用于潔凈液體的流量計量。
測量原理：在封閉的滿管中測量流體的瞬時流量Q，是根據超聲波信號沿水流方向的傳播速度會增大，逆流方向則減小；在同一傳播距離的條件下，有著不同的傳播速度和傳播時間；由順向傳播時間t1和逆向傳播時間t2可以計算出傳播時間差，然后可計算出平均線流速。其原理如圖2所示。
圖2 時差式超聲流量計原理圖
單聲路流量方程式表示為：
順流方向，其傳播時間為： 
逆流方向，其傳播時間為： 
由于C>>V，故
式中：V為測量聲路上的線平均流速；L為測量聲路的有效路長；t1為聲波正向傳播時間；t2為聲波逆向傳播時間； 
為聲波流正向傳播時間和逆向傳播時間差；C為超聲波聲速； 
為聲路和流道軸線間的夾角；S為測量斷路截面積；q為體積流量。
如果為四聲路時：
式中： 
為測量斷面線平均流速；Ki為第I聲道加權積分系數；Vi為第i聲道線平均流速；S為斷面橫截面面積；Ki為加權積分系數，該權系數是由換能器的聲路布置和安裝來確定的。
本項目選用的是瑞士某公司RISONIC2000型時差式四聲路超聲流量計，其聲路布置和權系數如表1所列[1]。表中高斯－Jacobi積分方法推薦使用矩形、梯形等結構管道，高斯－Legendre推薦使用圓形結構管道，W為超聲流量計加權積分常數，Ki比例常數。聲路布置如圖3所示。
圖3 多聲路超聲流量計聲路布置圖
聲路布置 |
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型時差式四聲路超聲流量計電路原理如圖4所示。
圖4所示為鎖相環（PLL,phase locked loop）方式的超聲流量計，能產生與超聲脈沖傳播時間的倒數成正比的頻率。其中順向振蕩器VCO（1）的發射頻率被分成N等分，其周期與超聲波在液體中傳播的時間幾乎相同。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間差由時間差檢測電路檢測。其輸出轉換成直流后加至VCO（1），控制其振蕩頻率，使時間差電壓自動歸零，這時VCO的輸出頻率為定值。因此，在穩定狀態下，VCO（2）振蕩頻率的形成過程和VCO（1）完全相同，只是超聲波為反向傳播。只要算出這兩個頻率的差值，就能獲得和流速正比的數值。
