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超聲波流量計簡介
超聲波流量計的主要特點是：流體中不插入任何元件，對流速無影響，也沒有壓力損失；能用于任何液體，特別是具有高黏度、強腐蝕，非導(dǎo)電性等性能的液體的流量測量，也能測量氣體的流量；對于大口徑管道的流量測量，不會因管徑大而增加投資；量程比較寬，可達5：1；輸出與流量之間呈線性等優(yōu)點。缺點：當被測液體中含有氣泡或有雜音時，將會影響測量精度，故要求變送器前后分別有10D和5D的直管段；此外，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。
測量原理
當超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產(chǎn)生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關(guān)系符合下列表達式
其中
θ為聲束與液體流動方向的夾角
M 為聲束在液體的直線傳播次數(shù)
D 為管道內(nèi)徑
Tup 為聲束在正方向上的傳播時間
Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間
ΔT=Tup –Tdown
設(shè)靜止流體中的聲速為c，流體流動的速度為u，傳播距離為L，當聲波與流體流動方向一致時（即順流方向），其傳播速度為c+u；反之，傳播速度為c-u.在相距為L的兩處分別放置兩組超聲波發(fā)生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2）。當T1順方向，T2逆方向發(fā)射超聲波時，超聲波分別到達接收器R1和R2所需要的時間為t1和t2,則
t1=L/(c+u) t2=L/(c-u)
由于在工業(yè)管道中，流體的流速比聲速小的多，即c>>u,因此兩者的時間差為 ▽t=t2-t1=2Lu/cc 由此可知，當聲波在流體中的傳播速度c已知時，只要測出時間差▽t即可求出流速u，進而可求出流量Q。利用這個原理進行流量測量的方法稱為時差法。此外還可用相差法、頻差法等。
相差法原理：如果超聲波發(fā)射器發(fā)射連續(xù)超聲脈沖或周期較長的脈沖列，則在順流和逆流發(fā)射時所接收到的信號之間便要產(chǎn)生相位差▽O,即▽O=w▽t=2wLu/cc
式中，w為超聲波角頻率。當測得▽O時即可求出u,進而求得流量Q。此法用測量相位差▽O代替了測量微小的時差▽t，有利于提高測量精度。但存在者聲速c對測量結(jié)果的影響。
頻差法原理：為了消除聲速c的影響，常采用頻差法。由前可知，上、下游接收器接受到的超聲波的頻率之差為▽f可用下式表示 ▽f＝[（c+u）/L]-[(c-u)/L]=2u/L
由此可知，只要測得▽f就可求得流量Q，并且此法與聲速無關(guān)。 超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、沒測量水位概況
目前水電站多采用浮子式液位計或投入式液位計來進行水位測量。其缺點為：測量精度低，不可靠，經(jīng)常出現(xiàn)浮子卡死不動和傳感器堵塞導(dǎo)致測不準；維護工作量大，安裝、調(diào)試不便，采集到的僅是模擬告警信號，不能直接進入電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)。對無人值班電廠不實用。
我們對攔污柵水位測量系統(tǒng)進行了反復(fù)對比，優(yōu)化得出最后的方案設(shè)計，采用超聲波液位計對柵前、柵后水位進行實時準確監(jiān)測，超聲波液位計用PLC對采集量進行處理。并且把實時水位和壓差數(shù)據(jù)送到中控室，超聲波液位計顯示和越限報警。超聲波液位計同時采用RS422/RS232接口，又把實時數(shù)據(jù)送到大壩集中控制室工控機，處理成計算機通信報文，最終將采集量送到電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機。
該項目實施后不僅滿足欄污柵柵前、柵后水位及壓差的多點實時監(jiān)測，及報警功能，而且結(jié)束了攔污柵測量系統(tǒng)獨立工作，無法與電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)通訊的局面。實現(xiàn)與閘門系統(tǒng)的監(jiān)視功能、控制功能以及故障時ON-CALL尋呼系統(tǒng)功能的集成。滿足了無人值班電站的需要。該技術(shù)在云南省電力系統(tǒng)還是第一家。
二、超聲波液位計測量水位的原理以及安裝要求
超聲波液位計工作時，高頻脈沖聲波由換能器（探頭）發(fā)出，遇被測物體（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一換能器（探頭）接收，轉(zhuǎn)換成電信號。脈沖發(fā)送和接收之間的時間（聲波的運動時間）與換能器到物體表面的距離成正比，聲波傳輸?shù)木嚯xS與聲速C和傳輸時間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S= CⅹT/2
例如：聲速C=344m/s，傳輸時間為50ms，即可算出傳輸?shù)木嚯x為17.2m，測定距離為8.6m。
三．可編程超聲波式攔污柵水位測量系統(tǒng)在田壩電站應(yīng)用產(chǎn)生的效果
用超聲波液位計測量大壩水位目前在國內(nèi)尚不普遍，技術(shù)上尚無經(jīng)驗可以借鑒。在這樣的情況下，我們充分利用PLC與超聲波液位計這一領(lǐng)域的先進技術(shù)，按照總體規(guī)劃，長遠考慮，一次到位，避免重復(fù)改造，重復(fù)投資的這一原則，對該項目進行自行設(shè)計，全面順利地完成了這一課題。在該領(lǐng)域取得了較有價值的經(jīng)驗。為目前我國國內(nèi)水電站實現(xiàn)對大壩水位監(jiān)測系統(tǒng)提供了一個可以借鑒的范例。
超聲波流量計原理
超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計。起聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種
非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯(lián)動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。
眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。
另外，超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。
超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復(fù)雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m／s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數(shù)量級．若要求測量流速的準確度為1％，則對聲速的測量準確度需為10-5～10-6數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn)，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實際應(yīng)用的原因。
超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。
超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔�，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。
超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要求強度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。
測量原理
當超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產(chǎn)生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關(guān)系符合下列表達式
其中
θ為聲束與液體流動方向的夾角
M 為聲束在液體的直線傳播次數(shù)
D 為管道內(nèi)徑
Tup 為聲束在正方向上的傳播時間
Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間
ΔT=Tup –Tdown
設(shè)靜止流體中的聲速為c，流體流動的速度為u，傳播距離為L，當聲波與流體流動方向一致時（即順流方向），其傳播速度為c+u；反之，傳播速度為c-u.在相距為L的兩處分別放置兩組超聲波發(fā)生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2）。當T1順方向，T2逆方向發(fā)射超聲波時，超聲波分別到達接收器R1和R2所需要的時間為t1和t2,則
t1=L/(c+u) t2=L/(c-u)
由于在工業(yè)管道中，流體的流速比聲速小的多，即c>>u,因此兩者的時間差為 ▽t=t2-t1=2Lu/cc 由此可知，當聲波在流體中的傳播速度c已知時，只要測出時間差▽t即可求出流速u，進而可求出流量Q。利用這個原理進行流量測量的方法稱為時差法。此外還可用相差法、頻差法等。
相差法原理：如果超聲波發(fā)射器發(fā)射連續(xù)超聲脈沖或周期較長的脈沖列，則在順流和逆流發(fā)射時所接收到的信號之間便要產(chǎn)生相位差▽O,即▽O=w▽t=2wLu/cc
式中，w為超聲波角頻率。當測得▽O時即可求出u,進而求得流量Q。此法用測量相位差▽O代替了測量微小的時差▽t，有利于提高測量精度。但存在者聲速c對測量結(jié)果的影響。
頻差法原理：為了消除聲速c的影響，常采用頻差法。由前可知，上、下游接收器接受到的超聲波的頻率之差為▽f可用下式表示 ▽f＝[（c+u）/L]-[(c-u)/L]=2u/L
由此可知，只要測得▽f就可求得流量Q，并且此法與聲速無關(guān)。 超聲波技術(shù)及其應(yīng)用一、沒測量水位概況
目前水電站多采用浮子式液位計或投入式液位計來進行水位測量。其缺點為：測量精度低，不可靠，經(jīng)常出現(xiàn)浮子卡死不動和傳感器堵塞導(dǎo)致測不準；維護工作量大，安裝、調(diào)試不便，采集到的僅是模擬告警信號，不能直接進入電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)。對無人值班電廠不實用。
我們對攔污柵水位測量系統(tǒng)進行了反復(fù)對比，優(yōu)化得出最后的方案設(shè)計，采用超聲波液位計對柵前、柵后水位進行實時準確監(jiān)測，超聲波液位計用PLC對采集量進行處理。并且把實時水位和壓差數(shù)據(jù)送到中控室，超聲波液位計顯示和越限報警。超聲波液位計同時采用RS422/RS232接口，又把實時數(shù)據(jù)送到大壩集中控制室工控機，處理成計算機通信報文，最終將采集量送到電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機。
該項目實施后不僅滿足欄污柵柵前、柵后水位及壓差的多點實時監(jiān)測，及報警功能，而且結(jié)束了攔污柵測量系統(tǒng)獨立工作，無法與電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)通訊的局面。實現(xiàn)與閘門系統(tǒng)的監(jiān)視功能、控制功能以及故障時ON-CALL尋呼系統(tǒng)功能的集成。滿足了無人值班電站的需要。該技術(shù)在云南省電力系統(tǒng)還是第一家。
二、超聲波液位計測量水位的原理以及安裝要求
超聲波液位計工作時，高頻脈沖聲波由換能器（探頭）發(fā)出，遇被測物體（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一換能器（探頭）接收，轉(zhuǎn)換成電信號。脈沖發(fā)送和接收之間的時間（聲波的運動時間）與換能器到物體表面的距離成正比，聲波傳輸?shù)木嚯xS與聲速C和傳輸時間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S= CⅹT/2
例如：聲速C=344m/s，傳輸時間為50ms，即可算出傳輸?shù)木嚯x為17.2m，測定距離為8.6m。
三．可編程超聲波式攔污柵水位測量系統(tǒng)在田壩電站應(yīng)用產(chǎn)生的效果
用超聲波液位計測量大壩水位目前在國內(nèi)尚不普遍，技術(shù)上尚無經(jīng)驗可以借鑒。在這樣的情況下，我們充分利用PLC與超聲波液位計這一領(lǐng)域的先進技術(shù)，按照總體規(guī)劃，長遠考慮，一次到位，避免重復(fù)改造，重復(fù)投資的這一原則，對該項目進行自行設(shè)計，全面順利地完成了這一課題。在該領(lǐng)域取得了較有價值的經(jīng)驗。為目前我國國內(nèi)水電站實現(xiàn)對大壩水位監(jiān)測系統(tǒng)提供了一個可以借鑒的范例。
超聲波流量計原理
超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計。起聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種
非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯(lián)動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。
眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。
另外，超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。
超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復(fù)雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m／s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數(shù)量級．若要求測量流速的準確度為1％，則對聲速的測量準確度需為10-5～10-6數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn)，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實際應(yīng)用的原因。
超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。
超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔�，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。
超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要求強度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。
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