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浅谈超 声波测流技术在工程中的应用


浅谈超 声波测流技术在工程中的应用,近年来, 我国水 利工程建设的数量和规模越来越大, 给人们 的生活带来了便利。水利工 程是关乎国计民生的重点工程, 因此尤 其要注重对工程中水流量的测量与监测, 先进的 测流技术可以提高测量结果的准确性, 从而为 水利工程决策提供科学依据。超声波 测流技术是近年来应用较为普遍的技术, 本文从 超声波测流技术概况出发, 分析该 技术的关键要点, 并分析 其在簸箕李灌区大型水利工程中的应用, 以及应 用中需要注意的问题, 有利于 提高流量测量的准确性, 为大型 水利工程运行提供重要的指导与借鉴。

1 超声波测流技术
1.1 超声波流量计的构成
目前市 场上使用较多的超声波流量计主要有 多普勒式和时差式, 二者都 是借助于超声波的声学特征, 采用先 进的处理技术进行超声波信号的处理, 但是二 者的工作原理与应用环境等存在较大的差异, 应该结 合水利工程的实际情况进行选择, 簸箕李 灌区就采用了时差式超声波流量计。就时差 式超声波流量计而言, 主要有主机、超声波 换能器和水位换能器组成。
1.2 超声波 流量计的工作方式
超声波 流速换能器浸于水中, 测量的 水流条件和测量精度决定了换能器声路数量。IEC41相关规 程中规定了声路数一般为二、四、八声路。如UF-911, 运行时, 流量的 测量通过流速与水位的测量来实现, 通过多 声道测流速加权积分的测流技术, 实现了流速测量, 改变了 传统对声道平均流速测量的弊端。其基本流程为:流速换 能器在接收到主机发出的震动超声波信号以后, 通过对 超声波顺流与逆流传播时间差的确定来实现对流速的测量;水位换 能器发射超声波的发出与返回来确定水深;*后, 渠道矩阵面积计算, 借助于流量仪器, 可以极快地测算流量。但是实际操作中, 超声波 流量计型号会对测量的精度产生严重的影响, 因此, 必须考 虑被测地的实际情况来进行选择。
1.3 超声波 流量计测量原理
时差超 声波流量计在进行流量测量时, 两探头 分别位于被测管道或明渠的上、下游, 小口径 管道与大口径管道的安装方式不同, 前者安装于管道一侧, V形方式, 而后者 安装于管道两侧, Z形方式。两个探 头都可以接收与发射超声波信号, 再加上 液体流速会对从上游到下游探头发出的声速产生影响, 使得声速极大增加。时差法 超声波流量计通过对超声波信号在顺流与逆流之间传播速度的时间差值来进行流量的计算, 工作流程如下:根据超 声波信号在顺流与逆流之间的传播速度时间差测量水的流速, 再根据 断面面积进行流量计算, 如图1所示。
管道两 侧的超声波换能器A与B, 当一个 作为发射换能器时, 相对的, 另一个 作为接收换能器。uT、Td为顺流 和逆流传播时间, α为流速 与超声波路径夹角, 声路长L, 管道面积为S。那么断面瞬时流量为:
2 超声波 测流技术的关键点
2.1 超声波 传播时间的检测技术
超声波传播速度极快, 达到了1457m/s, 因此, 超声波 在管道内的传播速度很短, 因此, 使得超 声波在顺流与逆流传播时间上的差值更小, 因此, 对于测 量精度的技术性以及时间分别率要求极高。目前, 多采用 高速集成电路的数学模式, 有效实 现了时间差分辨率的提高, 提高了测量的**性。
                       
                                                                 图1 时差法 超声流量计原理图
2.2 声波的 分辨与检测技术
由于测 量利用的是超声波在水中的传播来进行测量的, 液体中 的传播受到材质、流速等 多方面因素的影响, 受到管道材质影响, 超声波 信号的传播会受到干扰而减弱, 另外, 现场管 道噪声与变频设备等都会对信号传播产生干扰, 因此, 对声波 的分辨与检测是关键的技术。近年来多使用UF-911超声波 流量计进行流速的测量, 克服了弊端, 设置了 流体对超声波的调制函数, 使得超 声波信号受其他因素的干扰较小, 提高了 流量计测量的可靠性与稳定性。
2.3 超声波 换能器的粘接剂材料技术
传统超 声波流量计换能器的材料多为塑料, 性能的稳定性差, 且使用寿命有限。近年来, 材料技 术的发展使得多使用钢化陶瓷作为换能器材料, 具有极 强的抗磨损与抗腐蚀性能, 用金属 合金粉末进行粘结剂材料, 提高了 设备的整体性能, 保证了使用寿命。
3 超声波 测流技术在大型水利工程中的应用
3.1 设备选型
大型水利工程项目中, 多采用 明渠结合倒虹吸和渡槽自流的方式进行输水, 水流在进入平水位后, 通过泵站的加压, 进行PCCP管道与暗涵输水, 通过这种输水过程, 有效实 现对渠道水位和流量的控制。与此同时, 为了实 现对整体渠道水流的控制, 可以通 过设置一定数量的节制闸来进行渠道分段, 通过对 每个渠段水流的控制来实现整体水流控制。代行水 利工程在进行流量测量时, 多选用 时差式超声波流量计来进行测量, 在测量过程中, 需要设 置引水流道水工结构形式进行测量, 一般多为明渠与PCCP管道, 测量时, 依据整 个工程流域内的全部闸门, 根据其 重要性和功能要求, 分为8、4、2声道的换能器类型, 并且如 果是小管径管道, 多使用电磁式流量计来设置分水口, 完成测量。
3.2 设备组成及技术指标
超声波 流量计一般包括了主机、换能器、水位计 与连接电缆等组成部分。流量计 主机多采用单片机结构, 并通过 相应的显示屏的配置, 来进行瞬时流量、累计流量、流速、水温等 测量参数的显示。另外, 设备的 选择还需要对防护等级、信号输出、温度等指标进行衡量。通过信号输出方式, 实现测 量过程中流量计测量结果与计算机、PLC设备的实时通信功能, 进而根据信号输出, 实现对 测量结果的分析。另外, 由于温 度对流量计测量也会造成影响。流量计的环境温度为-30℃~+70℃, 工作温度在-10℃~+50℃, 测量过程中, 应根据实际情况, 进行配套设施的选择, 提高测量精度, 保证测 量结果的有效性。
3.3 流量计的安装与调试
水利工 程中使用超声波测流技术实现对流速、流量的测量, 尤其要 注意对超声波流量计的安装与调试, 一般主 要包括了对换能器、主机、信号电缆、系统的 安装与调试过程。
3.3.1 换能器安装
主要是 对安装位置的选择, 根据工程的实际情况, 在被测 水体的渠道两侧或钢管壁确定安装的合适位置。位置的 确定一般通过激光经纬仪进行定位确定, 尤其要 注意换能器与渠道中心线的夹角问题。为了实现测量结果的**性, 45°*佳。簸箕李 灌区超声波测流设备安装初期就是因为安装位置不准确, 造成流量相差较大, 后经多 次精准调整才得以解决。
3.3.2 主机安装
主机安 装的前提是信号电缆与电源线的合理连接, 避免由 于各种因素而造成的连接出错问题, 因此, 在进行 信号电缆铺设时, 应该对 连接头进行标记, 避免连接出错。电源安 装要保证电压供应的稳定性, 避免较 大的波动所造成的主机损坏。灌区测流设备安装时, 初期使 用的是稳定性较差、波动较大的施工电源, 使得设备运行出故障, 后期在 电源的进线端增加了稳压电源才确保了整体运行的稳定性与安全性。信号电 缆与电源线正确连接完成以后, 进行流 量计主机与计算机系统的串口连接, 进行测 量结果有效数据的采集。
3.3.3 系统调试
这是在 整个装置完成以后确保系统正常运行的关键。需要按照说明书要求, 进行相 应的人机交互界面、计算机 系统相关参数的设置与输入;换能器 如果全部浸没于水中, 就必须 进行超声波流量计的自检过程, 来进行各个声路工作、运行情况的检测, 可分别 在静水与动水状态下进行检查, 从而根据检测结果。判断流量计测量的**性;根据检测过程, 进行检 测结果输出的检查, 比如打印机、模拟量等输出的检查, 输出正 常才说明设备的无故障;*后, 进行串 口与计算机系统的通信模拟, 确保实 时通信功能的实现。
4 结语
超声波 测流技术应用中, 一定要 结合被测水体的实际情况, 科学使 用测量设备与测量方式, 并进行 流量计的正确安装与调试, 避免测 量中不利因素的干扰, 提高测 量结果的可靠性与**性, 保证结果的有效性, 以实现 对测量结果的应用。

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