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大流量污水超声流量计的方案设计和应用
多普勒式超声流量计时差式多声路超声流量计超声流量计声路布置RISONIC2000电路原理
2005年8月（1）
摘要 针对大型箱涵污水大流量仪表设计选型的诸多局限性，本文着重介绍了超声流量仪表的基本原理、设计、安装等的要求和应用。该仪表实践使用表明：超声流量计具有其他流量仪表无可比拟的许多优点，是解决大流量计量的有效方法，满足污水大流量计量的要求，具有很高的推广应用价值。
关键词 污水 计量 超声流量计
0 引言
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、大流量各类水的计量问题。
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
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， 
和 
之差即为多普勒频差 
。
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。
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
单声路流量方程式表示为：
顺流方向，其传播时间为： 
逆流方向，其传播时间为： 
由于C>>V，故
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
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。
