引言
水資源的短缺已成為世界關注的問題，為此我國也新建了許多大中型水利工程，進行水資源的調劑。同時我國大多數城市為了防止現有的水環境污染，改善自身生存條件，保護緊缺的水資源，新建了許多引水工程和污水處理工廠進行污水處理。在污水處理和排放過程中勢必涉及到大口徑、大流量各類水的計量問題。隨著超聲波換能器、電子、計算機、數字處理等技術的迅猛發展，超聲流量計在大口徑、大流量的液體、氣體計量方面得到廣泛使用，技術日趨成熟和完善。
超聲流量計本身良好的性能價格比使得其應用日益廣泛，目前不僅使用在各行各業過程控制中的流量計量，還被用于貿易結算的流量計量。
本文著重介紹上海已建成投運的170萬噸/日城市污水處理廠中大型箱涵污水超聲流量計的設計、安裝、調試的實施。
1 超聲流量計測量原理
1.1 多普勒式超聲流量計
利用多普勒效應原理來測定流體的流量，如圖1所示。換能器A向流體發射頻率為fA的超聲波連續信號，經照射管道內的懸浮物顆粒及氣泡，超聲波產生多普勒頻率偏移，以fB的頻率反射到接收換能器B，fA和fB之差即為多普勒頻差fD。
設流體流速為V，超聲波聲速為C，多普勒頻移fD正比于流體的流速V，即
fD= fB- fA=（2fA ·sinθ/C）·V
V=C/2·fA·sinθ • fD
當管道條件、換能器安裝位置、發射頻率、聲速確定以后，C、fA、fB、θ 即為常數，流體的流速和多普勒頻移成正比，通過測量頻移就可以測量流體的流速，進而求得流體的流量。
多普勒超聲流量計的特點：儀表精度通常在±（3～7）% FS之間，適用于測量含有適量能給出強反射信號的顆粒和氣泡。其懸浮物含量約在lg/L～5g/L為宜。一般用于工廠排放未處理的污水和回流污泥等流量計量，不宜用于潔凈液體的流量計量。
1.2 時差式多聲路超聲流量計
測量原理：在封閉的滿管中測量流體的瞬時流量Q，是根據超聲波信號沿水流方向的傳播速度會增大，逆流方向則減小；在同一傳播距離的條件下，有著不同的傳播速度和傳播時間；由順向傳播時間t1和逆向傳播時間t2可以計算出傳播時間差，然后可計算出平均線流速。其原理如圖2所示。
單聲路流量方程式可表示為：
順流方向，其傳播時間為：t1=L/C+VCosθ
逆流方向，其傳播時間為：t2=L/C-VCosθ
△t=t2-t1=2Lvcosθ/C2- V2cos2θ
由于C>>V，故
△t=（2Lcosθ/C2）×V
V=C2/2Lcosθ×△ t
q =SV
式中：為測量聲路上的線平均流速；L為測量聲路的有效路長；t1為聲波正向傳播時間；t2為聲波逆向傳播時間；△t為聲波流正向傳播時間和逆向傳播時間差；C為超聲波聲速；θ為聲路和流道軸線間的夾角；S為測量斷路截面積；q為體積流量。
如果為四聲路時：
式中：為測量斷面線平均流速；Ki為第i 聲道加權積分系數；Vi為第i 聲道線平均流速；S為斷面橫截面面積；Ki為加權積分系數，該權系數是由換能器的聲路布置和安裝來確定的。
本項目選用的是瑞士某公司RISONIC2000型時差式四聲路超聲流量計，其聲路布置和權系數如表1所列[1]。表中高斯—Jacobi 積分方法推薦使用矩形、梯形等結構管道，高斯—Legendre 推薦使用圓形結構管道，W為超聲流量計加權積分常數，Ki為比例常數。聲路布置如圖3所示。
RISONIC2000型時差式四聲路超聲流量計電路原理如圖4所示。
圖4所示為鎖相環（PLL，phase locked loop）方式的超聲流量計，能產生與超聲脈沖傳播時間的倒數成正比的頻率。其中順向振蕩器VCO（1）的發射頻率被分成N等分，其周期與超聲波在液體中傳播的時間幾乎相同。分頻電路輸出的電脈沖和穿過水中的收信超聲脈沖的傳播時間差由時間差檢測電路檢測。其輸出轉換成直流后加至VCO（1），控制其振蕩頻率，使時間差電壓自動歸零，這時VCO的輸出頻率為定值。因此，在穩定狀態下，VCO（2）振蕩頻率的形成過程和VCO（1）*相同，只是超聲波為反向傳播。只要算出這兩個頻率的差值，就能獲得和流速正比的數值。
2 RISONIC2000型時差式多聲道超聲流量計的特點
① 本項目選型時差式超聲流量計安裝方式采用插入式，測量精度較高，如四聲路時差式超聲流量計出廠標定精度為0.5%。
② 箱涵測量為直通管，換能器在箱涵中凸出部分zui小化和無阻流件，從而流體無外加壓力損失。同時，它是一種不會破壞流體的流場進行流體測量的儀表。
③ 測量精度不受介質的理化性質如電導率、粘度、溫度、壓力、組分變化等因素的影響，因此也適用于高粘度的液體的流量測量。
④ 能在運行條件下（不停流）帶壓更換換能器，維修方便。
⑤ 流體的雷諾數（Re）對測量影響較小，在正常使用情況下，儀表制造廠規定了儀表被測流速范圍0.003m/s～±20m/s，本項目設計流速遠大于zui低流速這一技術指標。
⑥ 流體測量流量的范圍度（量程比）寬，可達1：300。
⑦ 超聲流量計本身沒有機械慣性，可以快速采樣，用多次采樣平均值計算出流量，可以消除流體流速脈動造成測量的影響。
⑧ 多聲路超聲流量計為了保證傳播時間的準確測量，采取了以下有效措施：
• 計數器電路采用了80MHz以上的高穩定石英晶體振蕩器，時基誤差控制在±12.5ns以內。
• 準確測量信號在電子電路和換能器中傳播的延遲，并從所測得的總傳播時問中扣除，提高儀表測量精度。
• 多聲路超聲流量計內部有完善的信號質量檢測電路，可有效地解決噪聲干擾、信號衰減和電路參數變化等對測量精度的影響。
⑨ RISONIC2000有強大的自診斷功能，在檢測過程中，對每條聲路、聲路的流速均進行有效性檢驗，當無效的聲速、無效的聲路流速*次出現時，系統將使用先前的有效值代替，如多次出現，這些測量值仍將保持凍結，用先前的測量值代替，直到一個有效的測量值被識別后，數據才予以更新。當連續出現時，將顯示無效聲路聲速、無效流速錯誤狀態報警，同時聲路布置自動切換，即當交叉斷面的某一測量聲路出現上述故障時，將自動切換成單斷面測量。當單斷面的某一測量聲路出現上述故障時，將關閉該聲路。用其它聲路代替。
⑩ 由于儀表用于工業現場，而且電路中存在高頻信號和超聲波換能器高壓發射信號，故存在較為嚴重的干擾。系統從軟件和硬件同時采取措施極大地提高系統的抗*力，即軟件采用模塊化結構設計，利用指令冗余和軟件陷阱程序防止跑飛，硬件在微機處理的復位端由外圍電路組成防止程序跑飛的看門狗電路。
3 時差式超聲流量計的設計方案
3.1 超聲流量計測量原理的選擇
時差式超聲流量計測量時，被測液體必須能被聲波穿透，也就是液體中不能含有太高濃度的氣泡、懸浮物顆粒和沉淀物，否則聲波將被折射，影響測量精度。通常時差式超聲流量計測量時，其懸浮物含量限制在1%體積含量以內，若超過含量，則選擇多普勒原理超聲流量計。本項目的懸浮物含量僅在500ppm/L以內，因此選擇時差式超聲流量計為宜。
3.2 超聲流量計換能器聲路的選擇
超聲流量計測量原理是一種速度式流量計，流體的流態對流量計精度影響較大。若選用單聲路換能器，則儀表精度僅為5%，在聲路選擇上根據測量精度要求，可以選為1、2．4、8聲路和1～4個測量斷面的組合，就可以有效地解決流體流態在一個方向分布不對稱的影響，本次選用4聲路，滿足測量段前、后直管段要求情況下，其測量精度便可達到0.5%。
3.3 超聲流量計測量斷面范圍選擇
封閉管道150～14000mm（圓管和矩形箱涵）
明渠250mm～15m（zui大可達150m）
3.4 超聲流量計換能器的選擇
根據安裝的場地和安裝方式不同主要三類換能器可供選擇。
① 內貼式換能器：當無外露管段只能內部安裝時，可采用內貼式換能器，將其直接安裝在管內壁上。這種安裝方式簡單，也可布置1～8聲路。但在更換換能器時必須具備斷流條件才行，聲路角設計為45o，換能器和主機zui大距離可達300m。
② 插入式換能器：對于管內、管外均可進行施工時，采用插入式換能器是*方案。只要在管壁上開孔，換能器插入孔中后，通過螺母固定在管道上，并采用密封墊圈密封。插入式換能器可在管道不斷流情況下安裝，換能器凸出部分zui小化。聲路角設計為45o，換能器和主機zui大距離可達300m。
插入式換能器和測量管段組成一體，這就是管段式超聲流量計，換能器在生產廠內進行定位、出廠檢定，因而測量精度要比現場制作的精度高，若安裝E形閥門組可以整體進行，從而拆卸、檢修和標定均十分便利。
③ 明渠用換能器：這種換能器用于明渠（矩形、梯形、圓形）和有壓隧洞，可在斷流情況下安裝和維護，它也是一種內貼式換能器，聲路角設計為45o。當在矩形明渠中安裝時，聲路角設計在35o～70o之間均有效。
換能器和主機之間zui小距離150m，測量渠寬：0.25～15m，甚至50m。這時所選擇的超聲波換能器工作頻率隨之下降，頻率下降，其穿透能力隨之增強，測量渠寬隨之增大，換能器工作頻率可以從1MHz至幾百kHz進行選擇，但測量的精度隨之下降，這時可采用增加超聲波聲路辦法，提高測量精度。
3.5 超聲流量計精度的選擇
按照《企業能量計量器具配備和管理導則》GB/T17167-1997 的要求：污水計量裝置配置精度為5.0%。考慮到污水的大流量、箱涵大口徑的特點，超聲流量計投運后難以進行實流標定，今后擬采用在線大流量污水超聲流量計的方案設計和應用繆惠流干式標定方法進行標定。同時，超聲流量計整個計量系統不確定度，除了取決流量計量器具本身的精度外，還涉及到箱涵截面積測定、換能器安裝的定位、聲路長度測定等諸多影響測量精度因素。貿易結算用的超聲流量計選用單斷面四聲路時差式超聲流量計，流量計的精度為0.5%，確保整個流量計量系統投運后不確定度在2.5%內。
3.6 超聲流量計積分數學模型的選擇
本項目是有壓箱涵均為矩形內截面去四角的幾何形狀，因此超聲波換能器的四聲路安裝位置和流體流態分布積分方式均采用IEC-41（1991.11）規程所認可的聲路安排（1E4P）和高斯——雅可比的數學模型。
4 所選時差式超聲流量計的主要技術指標
① 超聲波量計測量原理：時差法，聲路布置：1E4P
② 精度：0.5級
③ 安裝方式：污水箱涵安裝外扦式換能器
④ 主機：集成化的用戶畫面，大屏幕LC顯示5 1/2位流量、瞬時流量、累計流量等信號
⑤ 信號處理技術：DSP（速度，面積二次積分）
⑥ 電源：220伏交流，并安裝防雷模塊。
⑦ 儀表自診斷功能：聲路狀態正常，接受信號強、弱，換能器無接受信號，聲路未使用，參考信號強、弱，無效測量傳播時間，無效聲速流速，無效流量（流量變化率超限），測量流量大于或小于流量規定值等信息。
⑧ 可進行逆向流量測量：可測雙向流
⑨ 測量范圍內懸浮物顆粒允許體積含量：≤1%
⑩ 防護等級：換能器為IP68；主機為IP65
⑩ 傳感器壓力等級：≥2MPa
⑥ 傳感器電纜：防水、屏蔽、抗強電磁干擾的加強型電纜
⑩ 環境溫度：主機為-20℃～+60℃ 換能器為-30℃～70℃
⑩ 輸出信號：4～20mA；RS-232標準通信接口;Profibus-DP：通信上傳正向和逆向瞬時、累計流量、聲路時間、自診斷信息等。信息通過現場總線上傳至FCS系統（現場總線控制系統），上位機組態監控、數據管理畫面。
5 超聲流量計施工技術要求
大口徑多聲路超聲流量計通常由流量計主機和裝于箱涵、管道上換能器構成，因此流量計的測量誤差不僅和流量計本身的技術和質量有關，還與用戶的箱涵、管道的狀況和換能器的安裝定位有關。首先換能器的安裝要確保其前、后直管段，其次采用電工委員會（IEC）規程認可的積分方式和聲路換能器的布置可以使流態分布和積分計算誤差控制在±0.1%以內。
另外換能器空問位置誤差和箱涵截面積測量誤差均構成超聲波流量計測量誤差的重要原因，必須采用激光經緯儀定位和截面積測量。
5.1 超聲流量計安裝技術要求
① 選取*測量斷面：為了達到*的測量性能，必須考慮到流體的流態，同時選擇*的測量斷面和聲路安排。首先選擇測量斷面發射或接收換能器實際安裝長度一倍于涵洞寬度，但為了保證測量段良好水流條件及流量測量精度，安裝換能器的斷面除了要求換能器上游、下游有足夠的直流段，此外將一倍涵洞寬度放大到二倍。在這一斷面上涵洞的四壁不平整度不超過1cm，混凝土表面光潔。
② 換能器安裝時，其軸線方向和理論方向控制在5o以內。
③ 超聲流量計主機到換能器之間電纜長度一般要求不超過300m。
④ 超聲流量計有良好的獨立接地，接地電阻<4Ω。
⑤ 換能器和主機的安裝部位應避開強電電纜、變頻器、電焊機的電磁干擾。
⑥ 換能器安裝部位避免強聲源和震動，以防強聲波震動干擾。
⑦ 主機內設置防雷模塊，在現場條件許可的情況下可增設UPS電源，以滿足停電時的計量要求。
⑧ 換能器安裝在設計位置。若偏移較大時，這時將涉及積分數系數值，可選用超聲流量計自身的Owics技術（圓斷面*加權積分軟件），將其修正到理論安裝位置，并可以補償管道的幾何偏差，提高其測量精度。
5.2 超聲流量計的安裝調試
利用專業的安裝工具和儀器（例如激光經緯儀、激光瞄準器）進行安裝調試，包括以下幾個方面：
① 測量箱涵涵洞的斷面尺寸。測量準確度控制在毫米級以內。
② 利用激光經緯儀進行的換能器聲道布置和換能器的定位，可使聲路角θ的測量誤差控制在0.03o以內。
③ 換能器安裝，利用力矩扳手進行均勻緊固，以防流體泄漏。
④ 正確設置超聲流量計各項關鍵數據：箱涵等效高度、寬度、聲路長、聲道角，積分權系數，信號強度等級，斷面數，測量單位，粘度，正向、逆向流量等參數。并兩次復核，確認無誤才能正式投運。
6 使用情況
9臺超聲流量計已試運行近三個月，并且供需雙方對用于貿易結算的6臺超聲流量計進行現場驗收，正式作為雙方貿易結算的依據。試運行期間的數據表明，9臺超聲流量計的不確定度達到和超過了預期的設計2.5級要求，使用效果令人滿意。在2004年7月份的10天考核運行中，4臺進水渠污水流量總和（未處理污水）與2臺出水渠污水流量總和（已處理污水）之間平均相對誤差在+2%以內，數據穩定可靠。
7 結束語
超聲流量計成功地運用于大型箱涵污水流量計量，取得了較好的效果，完滿足貿易結算流量計量要求。儀表可靠性較高，儀表維護工作量小。同時，儀表提供了ProfidBus-DP通信接口，儀表與工廠現場總線控制系統（FCS系統）聯網，進行數據傳遞，為工廠生產實時監控、調度和優化控制奠定了基礎。因此超聲流量計用于大流量的計量具有很大的實用性和推廣應用的價值。
另外，這種大流量超聲流量計的標定，在安裝前可以送國家大流量檢驗站進行實流標定，安裝后可以采用干式校驗方法進行校正。國外許多國家已經制定了超聲流量計干式校驗方法，國內有的省市也制定了干式校驗方法的地方標準，這些干式校驗方法為超聲流量計在不斷流的情況下進行校正提供了依據，也為超聲流量計的推廣使用創造了條件
