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超声波明渠流量计的原理和应用

阅览次数:296 时间:2018-11-06 17:35:00


 

1、概述:

  明渠是一种具有自由表面(表面上各点受大气压强的作用)水流的渠道。根据它的形成可分为天然明渠和人工明渠。前者如天然河道;后者如人工输水渠道、运河及未充满水流的管道等。明渠导流广泛应用于污水治理流入和排放渠、工矿企业废水排放和农田灌溉用渠道、火电厂冷却水引水和排放渠等。

  明渠流量测量的方法很多,针对不同的工况和介质可以采用不同测量方法。常用的流量监测方法有:水力学法、物理法、流速面积法等几种,其中水力学法是根据流体力学中“水位-流量”的关系,将测得的水位代入水力学公式测量水流量的方法。基于水力学法原理的测流方案,在自动化测量仪器中多选择超声波明渠流量计,具有非接触测量、免维护的特点,在明渠测流中得到了日益广泛的应用。

2、水力学法测量流量的原理:

  根据流体力学原理可知:明渠内的流量越大,液位越高;流量越小,液位越低。另外,一般明渠内水流量大小还与渠道的横截面积、坡度、粗糙度有关。如果在渠道内安装几何尺寸和堰板材料固定的量水堰槽后,流量与液位就建立了确定的对应关系。这样量水堰槽就把流量测量转成了易于实现的水位测量。常用的量水堰槽种类有三角堰、矩形堰和巴歇尔堰槽三种(见图 1)。简言之,水力学法测量流量的原理为:首先测量出量水堰槽内水流的液位,再根据“水位-流量”的水力学关系公式,求出流量。

  

3、超声波明渠流量计的工作原理:

  明渠超声波流量计由仪表主机和超声波探头等组成,利用超声波回声测距原理测量水位,再由仪表主机内的运算单元将水位信号换算成流量信号。

3.1、超声波测液位原理:

  超声波水位流量计采用超声测距法测量液位。探头安装在量水堰槽水位观测点上方(如图 2)。探头向水面发射超声波,超声波的能量被水面反射,经过时间 T 被探头接受。根据超声波的传播速度和经过的时间 T,仪表经过运算后得出渠道水深 H。计算公式如下:H=L-D=L-V*T/2=L-(V0+at)*T/2

其中:H 表示所求液位的高度;L 表示超声探头与明渠底部之间的距离,

V 表示空气中的超声波声速,

T 为超声波一个回程经过的时间, V0表示 0℃时超声波在空气中的传播速度,

a 为超声波速度的温度系数,

t 为温度。由上式可知,在 L 已知的情况下液位测量的精度取决于超声波声速 v 的测量精度和超声波传播时间的测量精度。

3.2、流量测量仪表的工作原理:

  仪表主机控制探头发射和接受超声波。将测量到的水位信号交给仪表内置的运算单元,经计算修正后,查出仪表内部存储的“水位-流量表”,就把水位转化成了流量。仪表将瞬时流量按时间累加,得出累积流量。可以选择将流量信号以 4-20m A 或数字通讯等信号形式输出到计算机或显示屏。

4、安装及使用中应注意的要点:

  由力学法测水流量的原理和超声波明渠流量计的工作特点可以看出,其安装和使用中应注意以下要点。

4.1、安装量水堰槽要规范:

  使用超声波流量计测量水流量,在明渠上必须要有量水堰槽。选择量水堰槽的种类,要考虑渠道内流量的大小,以及渠道内水的流态,是否能形成自由流。应当根据流量大小选用相应的量水堰槽:流量大于 40 升/秒时,一般使用直角三角堰。大于 40 升/秒,一般使用巴歇尔槽。流量大于 40 升/秒,渠道内水位落差又较大,可以使用矩形堰。量水堰槽可以用玻璃钢制作,加工尺寸要准确。其中三角堰和矩形堰的堰口是关键尺寸,要更加准确。朝向进水一侧表面要平滑。巴歇尔槽内尺寸要准确,内表面要平滑。喉道部分是关键尺寸,要更准确。

4.2、超声波探头的安装要符合要求:

  探头在渠道上的安装位置要符合规范。一般三角堰、矩形堰要安装在堰板的上游,距离堰板相当于最大过堰水深的 3-4 倍(最大过堰水深是指,流量增到最大时对应的液位);巴歇尔槽在进口收缩段的 1/3 位置。

  安装探头时,探头和支架固定要牢靠,不能活动。探头一旦活动,水位基准点就变化了,就会影响测量的准确度。另外探头要垂直对准水面,不能倾斜。

  4.3、仪表主机的安装和水位校对:

  流量计的仪表应安装在室内,室内要通风良好,无腐蚀气体。如必须安装在室外,应有防护仪表箱。在初次使用仪表时,要在主机上按照工程需要输入参数,确认探头的型号,设定声速、信号输出类型及堰槽的种类等参数,尤其必须正确设定仪表的“水位-流量表”。

  仪表首次安装、检修、移动过探头后,必须要校准仪表的液位。校准液位的目的是使仪表测量的液位值与量水堰槽内的实际水位一致。校准液位应当设置零点和实际液位两个校准点:在量水堰槽内的水位为零时,校对仪表显示的液位也为零;在堰槽充有一定量的水时,利用满足精度要求的直尺等工具测量,校准仪表的示值等于实测的量水堰槽液位。

     5、结束语:

  超声波明渠流量计是由超声波探头和量水堰槽配合测量得出明渠流量信息的计量仪表,具有安装维护方便,使用寿命长,环境适应性强,工作稳定,测量范围广等优点。目前广泛应用与石油、化工、制药、食品加工等污水排放企业,对环境的监测保护和污染的治理起着重要的作用。


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