目前市場上使用較多的超聲波流量計主要有多普勒式和時差式, 二者都是借助于超聲波的聲學(xué)特征, 采用先進(jìn)的處理技術(shù)進(jìn)行超聲波信號的處理, 但是二者的工作原理與應(yīng)用環(huán)境等存在較大的差異, 應(yīng)該結(jié)合水利工程的實際情況進(jìn)行選擇, 簸箕李灌區(qū)就采用了時差式超聲波流量計。就時差式超聲波流量計而言, 主要有主機(jī)、超聲波換能器和水位換能器組成。

  超聲波流速換能器浸于水中, 測量的水流條件和測量精度決定了換能器聲路數(shù)量。IEC41相關(guān)規(guī)程中規(guī)定了聲路數(shù)一般為二、四、八聲路。如UF-911, 運(yùn)行時, 流量的測量通過流速與水位的測量來實現(xiàn), 通過多聲道測流速加權(quán)積分的測流技術(shù), 實現(xiàn)了流速測量, 改變了傳統(tǒng)對聲道平均流速測量的弊端。其基本流程為:流速換能器在接收到主機(jī)發(fā)出的震動超聲波信號以后, 通過對超聲波順流與逆流傳播時間差的確定來實現(xiàn)對流速的測量;水位換能器發(fā)射超聲波的發(fā)出與返回來確定水深;最后, 渠道矩陣面積計算, 借助于流量儀器, 可以極快地測算流量。但是實際操作中, 超聲波流量計型號會對測量的精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響, 因此, 必須考慮被測地的實際情況來進(jìn)行選擇。

  時差超聲波流量計在進(jìn)行流量測量時, 兩探頭分別位于被測管道或明渠的上、下游, 小口徑管道與大口徑管道的安裝方式不同, 前者安裝于管道一側(cè), V形方式, 而后者安裝于管道兩側(cè), Z形方式。兩個探頭都可以接收與發(fā)射超聲波信號, 再加上液體流速會對從上游到下游探頭發(fā)出的聲速產(chǎn)生影響, 使得聲速極大增加。時差法超聲波流量計通過對超聲波信號在順流與逆流之間傳播速度的時間差值來進(jìn)行流量的計算, 工作流程如下:根據(jù)超聲波信號在順流與逆流之間的傳播速度時間差測量水的流速, 再根據(jù)斷面面積進(jìn)行流量計算, 如圖1所示。

  管道兩側(cè)的超聲波換能器A與B, 當(dāng)一個作為發(fā)射換能器時, 相對的, 另一個作為接收換能器。uT、Td為順流和逆流傳播時間, α為流速與超聲波路徑夾角, 聲路長L, 管道面積為S。那么斷面瞬時流量為:

  超聲波傳播速度極快, 達(dá)到了1457m/s, 因此, 超聲波在管道內(nèi)的傳播速度很短, 因此, 使得超聲波在順流與逆流傳播時間上的差值更小, 因此, 對于測量精度的技術(shù)性以及時間分別率要求極高。目前, 多采用高速集成電路的數(shù)學(xué)模式, 有效實現(xiàn)了時間差分辨率的提高, 提高了測量的精確性。

  由于測量利用的是超聲波在水中的傳播來進(jìn)行測量的, 液體中的傳播受到材質(zhì)、流速等多方面因素的影響, 受到管道材質(zhì)影響, 超聲波信號的傳播會受到干擾而減弱, 另外, 現(xiàn)場管道噪聲與變頻設(shè)備等都會對信號傳播產(chǎn)生干擾, 因此, 對聲波的分辨與檢測是關(guān)鍵的技術(shù)。近年來多使用UF-911超聲波流量計進(jìn)行流速的測量, 克服了弊端, 設(shè)置了流體對超聲波的調(diào)制函數(shù), 使得超聲波信號受其他因素的干擾較小, 提高了流量計測量的可靠性與穩(wěn)定性。

  傳統(tǒng)超聲波流量計換能器的材料多為塑料, 性能的穩(wěn)定性差, 且使用壽命有限。近年來, 材料技術(shù)的發(fā)展使得多使用鋼化陶瓷作為換能器材料, 具有極強(qiáng)的抗磨損與抗腐蝕性能, 用金屬合金粉末進(jìn)行粘結(jié)劑材料, 提高了設(shè)備的整體性能, 保證了使用壽命。

  大型水利工程項目中, 多采用明渠結(jié)合倒虹吸和渡槽自流的方式進(jìn)行輸水, 水流在進(jìn)入平水位后, 通過泵站的加壓, 進(jìn)行PCCP管道與暗涵輸水, 通過這種輸水過程, 有效實現(xiàn)對渠道水位和流量的控制。與此同時, 為了實現(xiàn)對整體渠道水流的控制, 可以通過設(shè)置一定數(shù)量的節(jié)制閘來進(jìn)行渠道分段, 通過對每個渠段水流的控制來實現(xiàn)整體水流控制。代行水利工程在進(jìn)行流量測量時, 多選用時差式超聲波流量計來進(jìn)行測量, 在測量過程中, 需要設(shè)置引水流道水工結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行測量, 一般多為明渠與PCCP管道, 測量時, 依據(jù)整個工程流域內(nèi)的全部閘門, 根據(jù)其重要性和功能要求, 分為8、4、2聲道的換能器類型, 并且如果是小管徑管道, 多使用電磁式流量計來設(shè)置分水口, 完成測量。

  超聲波流量計一般包括了主機(jī)、換能器、水位計與連接電纜等組成部分。流量計主機(jī)多采用單片機(jī)結(jié)構(gòu), 并通過相應(yīng)的顯示屏的配置, 來進(jìn)行瞬時流量、累計流量、流速、水溫等測量參數(shù)的顯示。另外, 設(shè)備的選擇還需要對防護(hù)等級、信號輸出、溫度等指標(biāo)進(jìn)行衡量。通過信號輸出方式, 實現(xiàn)測量過程中流量計測量結(jié)果與計算機(jī)、PLC設(shè)備的實時通信功能, 進(jìn)而根據(jù)信號輸出, 實現(xiàn)對測量結(jié)果的分析。另外, 由于溫度對流量計測量也會造成影響。流量計的環(huán)境溫度為-30℃～+70℃, 工作溫度在-10℃～+50℃, 測量過程中, 應(yīng)根據(jù)實際情況, 進(jìn)行配套設(shè)施的選擇, 提高測量精度, 保證測量結(jié)果的有效性。

  水利工程中使用超聲波測流技術(shù)實現(xiàn)對流速、流量的測量, 尤其要注意對超聲波流量計的安裝與調(diào)試, 一般主要包括了對換能器、主機(jī)、信號電纜、系統(tǒng)的安裝與調(diào)試過程。

  主要是對安裝位置的選擇, 根據(jù)工程的實際情況, 在被測水體的渠道兩側(cè)或鋼管壁確定安裝的合適位置。位置的確定一般通過激光經(jīng)緯儀進(jìn)行定位確定, 尤其要注意換能器與渠道中心線的夾角問題。為了實現(xiàn)測量結(jié)果的精確性, 45°最佳。簸箕李灌區(qū)超聲波測流設(shè)備安裝初期就是因為安裝位置不準(zhǔn)確, 造成流量相差較大, 后經(jīng)多次精準(zhǔn)調(diào)整才得以解決。

  主機(jī)安裝的前提是信號電纜與電源線的合理連接, 避免由于各種因素而造成的連接出錯問題, 因此, 在進(jìn)行信號電纜鋪設(shè)時, 應(yīng)該對連接頭進(jìn)行標(biāo)記, 避免連接出錯。電源安裝要保證電壓供應(yīng)的穩(wěn)定性, 避免較大的波動所造成的主機(jī)損壞。灌區(qū)測流設(shè)備安裝時, 初期使用的是穩(wěn)定性較差、波動較大的施工電源, 使得設(shè)備運(yùn)行出故障, 后期在電源的進(jìn)線端增加了穩(wěn)壓電源才確保了整體運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。信號電纜與電源線正確連接完成以后, 進(jìn)行流量計主機(jī)與計算機(jī)系統(tǒng)的串口連接, 進(jìn)行測量結(jié)果有效數(shù)據(jù)的采集。

  這是在整個裝置完成以后確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。需要按照說明書要求, 進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互界面、計算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置與輸入;換能器如果全部浸沒于水中, 就必須進(jìn)行超聲波流量計的自檢過程, 來進(jìn)行各個聲路工作、運(yùn)行情況的檢測, 可分別在靜水與動水狀態(tài)下進(jìn)行檢查, 從而根據(jù)檢測結(jié)果。判斷流量計測量的精確性;根據(jù)檢測過程, 進(jìn)行檢測結(jié)果輸出的檢查, 比如打印機(jī)、模擬量等輸出的檢查, 輸出正常才說明設(shè)備的無故障;最后, 進(jìn)行串口與計算機(jī)系統(tǒng)的通信模擬, 確保實時通信功能的實現(xiàn)。

  超聲波測流技術(shù)應(yīng)用中, 一定要結(jié)合被測水體的實際情況, 科學(xué)使用測量設(shè)備與測量方式, 并進(jìn)行流量計的正確安裝與調(diào)試, 避免測量中不利因素的干擾, 提高測量結(jié)果的可靠性與精確性, 保證結(jié)果的有效性, 以實現(xiàn)對測量結(jié)果的應(yīng)用。