1、超声污水流量计测量原理

1.1、多普勒式超声污水流量计

　　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fA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fB的频率反射到接收换能器B，fA和fB之差即为多普勒频差fD。

设流体流速为V ，超声波声速为C，多普勒频移fD正比于流体的流速V ，即

fD=fB-fA=（2fA·sinθ/C）·V

V =C/2·fA·sinθ?fD

　　当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，C、fA、fB、θ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。

　　多普勒超声污水流量计的特点：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反射信号的颗粒和气泡。其悬浮物含量约在lg/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。

1.2、时差式多声路超声污水流量计

　　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。

单声路流量方程式可表示为：

顺流方向，其传播时间为：t1=L/C+VCosθ
逆流方向，其传播时间为：t2=L/C-VCosθ

△t=t2-t1=2Lvcosθ/C2-V 2cos2θ

由于C>>V ，故

△t=（2Lcosθ/C2）×V

V =C2/2Lcosθ×△t

q=SV

　　式中：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；△t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；θ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；V i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污水流量计，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为超声污水流量计加权积分常数，Ki为比例常数。声路布置如图3所示。

　　RISONIC2000型时差式四声路超声污水流量计电路原理如图4所示。

　　图4所示为锁相环（PLL，phaselockedloop）方式的超声污水流量计，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。

　　2RISONIC2000型时差式多声道超声污水流量计的特点

①、本项目选型时差式超声污水流量计安装方式采用插入式，测量精度较高，如四声路时差式超声污水流量计出厂标定精度为0.5%。
②、箱涵测量为直通管，换能器在箱涵中凸出部分最小化和无阻流件，从而流体无外加压力损失。同时，它是一种不会破坏流体的流场进行流体测量的仪表。
③、测量精度不受介质的理化性质如电导率、粘度、温度、压力、组分变化等因素的影响，因此也适用于高粘度的液体的流量测量。
④、能在运行条件下（不停流）带压更换换能器，维修方便。
⑤、流体的雷诺数（Re）对测量影响较小，在正常使用情况下，仪表制造厂规定了仪表被测流速范围0.003m/s～±20m/s，本项目设计流速远大于最低流速这一技术指标。
⑥、流体测量流量的范围度（量程比）宽，可达1：300。
⑦、超声污水流量计本身没有机械惯性，可以快速采样，用多次采样平均值计算出流量，可以消除流体流速脉动造成测量的影响。
⑧、多声路超声污水流量计为了保证传播时间的准确测量，采取了以下有效措施：
　　计数器电路采用了80MHz以上的高稳定石英晶体振荡器，时基误差控制在±12.5ns以内。
　　准确测量信号在电子电路和换能器中传播的延迟，并从所测得的总传播时问中扣除，提高仪表测量精度。
　　多声路超声污水流量计内部有完善的信号质量检测电路，可有效地解决噪声干扰、信号衰减和电路参数变化等对测量精度的影响。

⑨、RISONIC2000有强大的自诊断功能，在检测过程中，对每条声路、声路的流速均进行有效性检验，当无效的声速、无效的声路流速第一次出现时，系统将使用先前的有效值代替，如多次出现，这些测量值仍将保持冻结，用先前的测量值代替，直到一个有效的测量值被识别后，数据才予以更新。当连续出现时，将显示无效声路声速、无效流速错误状态报警，同时声路布置自动切换，即当交叉断面的某一测量声路出现上述故障时，将自动切换成单断面测量。当单断面的某一测量声路出现上述故障时，将关闭该声路。用其它声路代替。

⑩、由于仪表用于工业现场，而且电路中存在高频信号和超声波换能器高压发射信号，故存在较为严重的干扰。系统从软件和硬件同时采取措施极大地提高系统的抗干扰能力，即软件采用模块化结构设计，利用指令冗余和软件陷阱程序防止跑飞，硬件在微机处理的复位端由外围电路组成防止程序跑飞的看门狗电路。

3、时差式超声污水流量计的设计方案

3.1、超声污水流量计测量原理的选择

　　时差式超声污水流量计测量时，被测液体必须能被声波穿透，也就是液体中不能含有太高浓度的气泡、悬浮物颗粒和沉淀物，否则声波将被折射，影响测量精度。通常时差式超声污水流量计测量时，其悬浮物含量限制在1%体积含量以内，若超过含量，则选择多普勒原理超声污水流量计。本项目的悬浮物含量仅在500ppm/L以内，因此选择时差式超声污水流量计为宜。

3.2、超声污水流量计换能器声路的选择

　　超声污水流量计测量原理是一种速度式流量计，流体的流态对流量计精度影响较大。若选用单声路换能器，则仪表精度仅为5%，在声路选择上根据测量精度要求，可以选为1、2．4、8声路和1～4个测量断面的组合，就可以有效地解决流体流态在一个方向分布不对称的影响，本次选用4声路，满足测量段前、后直管段要求情况下，其测量精度便可达到0.5%。

3.3、超声污水流量计测量断面范围选择

封闭管道150～14000mm（圆管和矩形箱涵）
明渠250mm～15m（最大可达150m）

3.4、超声污水流量计换能器的选择

　　根据安装的场地和安装方式不同主要三类换能器可供选择。

①、内贴式换能器：当无外露管段只能内部安装时，可采用内贴式换能器，将其直接安装在管内壁上。这种安装方式简单，也可布置1～8声路。但在更换换能器时必须具备断流条件才行，声路角设计为45o，换能器和主机最大距离可达300m。

②、插入式换能器：对于管内、管外均可进行施工时，采用插入式换能器是最佳方案。只要在管壁上开孔，换能器插入孔中后，通过螺母固定在管道上，并采用密封垫圈密封。插入式换能器可在管道不断流情况下安装，换能器凸出部分最小化。声路角设计为45o，换能器和主机最大距离可达300m。

插入式换能器和测量管段组成一体，这就是管段式超声污水流量计，换能器在生产厂内进行精确定位、出厂检定，因而测量精度要比现场制作的精度高，若安装E形阀门组可以整体进行，从而拆卸、检修和标定均十分便利。

③、明渠用换能器：这种换能器用于明渠（矩形、梯形、圆形）和有压隧洞，可在断流情况下安装和维护，它也是一种内贴式换能器，声路角设计为45o。当在矩形明渠中安装时，声路角设计在35o～70o之间均有效。

换能器和主机之间最小距离150m，测量渠宽：0.25～15m，甚至50m。这时所选择的超声波换能器工作频率随之下降，频率下降，其穿透能力随之增强，测量渠宽随之增大，换能器工作频率可以从1MHz至几百kHz进行选择，但测量的精度随之下降，这时可采用增加超声波声路办法，提高测量精度。

3.5、超声污水流量计精度的选择

按照《企业能量计量器具配备和管理导则》GB/T17167-1997的要求：污水计量装置配置精度为5.0%。考虑到污水的大流量、箱涵大口径的特点，超声污水流量计投运后难以进行实流标定，今后拟采用在线大流量污水超声污水流量计的方案设计和应用缪惠流干式标定方法进行标定。同时，超声污水流量计整个计量系统不确定度，除了取决流量计量器具本身的精度外，还涉及到箱涵截面积测定、换能器安装的精确定位、声路长度测定等诸多影响测量精度因素。贸易结算用的超声污水流量计选用单断面四声路时差式超声污水流量计，流量计的精度为0.5%，确保整个流量计量系统投运后不确定度在2.5%内。

3.6、超声污水流量计积分数学模型的选择

本项目是有压箱涵均为矩形内截面去四角的几何形状，因此超声波换能器的四声路安装位置和流体流态分布积分方式均采用IEC-41（1991.11）规程所认可的声路安排（1E4P）和高斯——雅可比的数学模型。

4、所选时差式超声污水流量计的主要技术指标

①、超声波量计测量原理：时差法，声路布置：1E4P
②、精度：0.5级
③、安装方式：污水箱涵安装外扦式换能器
④、主机：集成化的用户画面，大屏幕LC显示51/2位流量、瞬时流量、累计流量等信号
⑤、信号处理技术：DSP（速度，面积二次积分）
⑥、电源：220伏交流，并安装防雷模块。
⑦、仪表自诊断功能：声路状态正常，接受信号强、弱，换能器无接受信号，声路未使用，参考信号强、弱，无效测量传播时间，无效声速流速，无效流量（流量变化率超限），测量流量大于或小于流量规定值等信息。
⑧、可进行逆向流量测量：可测双向流
⑨、测量范围内悬浮物颗粒允许体积含量：≤1%
⑩、防护等级：换能器为IP68；主机为IP65
⑩、传感器压力等级：≥2MPa
⑥、传感器电缆：防水、屏蔽、抗强电磁干扰的加强型电缆
⑩、环境温度：主机为-20℃～+60℃换能器为-30℃～70℃
⑩、输出信号：4～20mA；RS-232标准通信接口;Profibus-DP：通信上传正向和逆向瞬时、累计流量、声路时间、自诊断信息等。信息通过现场总线上传至FCS系统（现场总线控制系统），上位机组态监控、数据管理画面。

5、超声污水流量计施工技术要求

　　大口径多声路超声污水流量计通常由流量计主机和装于箱涵、管道上换能器构成，因此流量计的测量误差不仅和流量计本身的技术和质量有关，还与用户的箱涵、管道的状况和换能器的安装精确定位有关。首先换能器的安装要确保其前、后直管段，其次采用国际电工委员会（IEC）规程认可的积分方式和声路换能器的布置可以使流态分布和积分计算误差控制在±0.1%以内。

　　另外换能器空问位置误差和箱涵截面积测量误差均构成超声波流量计测量误差的重要原因，必须采用激光经纬仪精确定位和截面积测量。

5.1、超声污水流量计安装技术要求

①、选取最佳测量断面：为了达到最佳的测量性能，必须考虑到流体的流态，同时选择最佳的测量断面和声路安排。首先选择测量断面发射或接收换能器实际安装长度一倍于涵洞宽度，但为了保证测量段良好水流条件及流量测量精度，安装换能器的断面除了要求换能器上游、下游有足够的直流段，此外将一倍涵洞宽度放大到二倍。在这一断面上涵洞的四壁不平整度最好不超过1cm，混凝土表面光洁。
②、换能器安装时，其轴线方向和理论方向控制在5o以内。
③、超声污水流量计主机到换能器之间电缆长度一般要求不超过300m。
④、超声污水流量计有良好的独立接地，接地电阻<4Ω。
⑤、换能器和主机的安装部位应避开强电电缆、变频器、电焊机的电磁干扰。
⑥、换能器安装部位避免强声源和震动，以防强声波震动干扰。
⑦、主机内设置防雷模块，在现场条件许可的情况下可增设UPS电源，以满足停电时的计量要求。
⑧、换能器安装在设计位置。若偏移较大时，这时将涉及积分数系数值，可选用超声污水流量计自身的Owics技术（圆断面最佳加权积分软件），将其修正到理论安装位置，并可以补偿管道的几何偏差，提高其测量精度。

5.2、超声污水流量计的安装调试

利用专业的安装工具和仪器（例如激光经纬仪、激光瞄准器）进行安装调试，包括以下几个方面：

①、精确测量箱涵涵洞的断面尺寸。测量准确度控制在毫米级以内。
②、利用激光经纬仪进行精确的换能器声道布置和换能器的定位，可使声路角θ的测量误差控制在0.03o以内。
③、换能器安装，利用力矩扳手进行均匀紧固，以防流体泄漏。
④、正确设置超声污水流量计各项关键数据：箱涵等效高度、宽度、声路长、声道角，积分权系数，信号强度等级，断面数，测量单位，粘度，正向、逆向流量等参数。并两次复核，确认无误才能正式投运。

6、使用情况

　　9台超声污水流量计已试运行近三个月，并且供需双方对用于贸易结算的6台超声污水流量计进行现场验收，正式作为双方贸易结算的依据。试运行期间的数据表明，9台超声污水流量计的不确定度达到和超过了预期的设计2.5级要求，使用效果令人满意。在2004年7月份的10天考核运行中，4台进水渠污水流量总和（未处理污水）与2台出水渠污水流量总和（已处理污水）之间平均相对误差在+2%以内，数据稳定可靠。