技术文章

   1 引言

      为了改善日益严重的水污染状况，许多城市建立了污水处理厂，污水处理率明显提高，水环境逐渐好转．随着计算机技术的飞速发展及普及，数据采集系统也迅速得到运用。在生产过程中应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。数据采集就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号然后再作进一步处理。

      超声波流量计是通过检测流体流动对超声脉冲作用以测量流量的仪表。它和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无障碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径测量流量方面有较突出的优点，也是近年来发展迅速的流量计之一。

      2 超声波流量计原理

      2.1 组成

      非接触式超声波测量系统由两部分组成：一个超声波信号换能器和一个远距安装的电子发收器。换能器不断发射一系列的超声波并接收自被检测的液体或固体表面返回的反射回波。发射器中的微处理器将信号作进一步处理，并将数据作为LCD数字显示。

      （1）声波是机械波的一种，频率超过2×10⁴ Hz的声波为人耳所听不到的超声波频率。它的波长L、频率f与速度c的关系为

       L=c/f

      （2）超声波的反射和折射

      当声波传播至两介质的分界面，一部分能重返原介质，称为反射波，另一部分能量透过介质面到另一介质面内继续传播，称为折射波。

      反射定律：Sina/ Sina'＝＝C₁/C₂

      式中，入射角a，入射波速C₁，反射角a'，反射波速C₂。

      折射定律：SINa/ SINb＝＝C₁/C₂

      式中， 入射角a，折射角b ， C₁为*介质波速， C₂为第二介质波速。

      2.2 超声波流量计的特点

      超声波的显著特征是频率高，因而波长短、绕射现象小、方向性好。能够称为射线而定向传播。在液体、固体中衰减小、穿透本领大，遇到杂质或分界面就会有显著的反射。超声波传感器就是利用超声波的这些显著特征在许多科学领域即工业生产中得到广泛的应用。

      2.3 超声波换能器

      超声波换能器又称超声波探头，它是实现电能和声能相互转换的一种器件，在超声波检测技术中，把超声波发射出去再接收回来变换成电信号的仪器装置，就是超声波换能器，即探头．用于检测的超声波换能器有多种，如压电型、磁致伸缩型、电磁型、振板型、弹性表面波型等等。检测技术中，主要采用的是压电型。

      2.4 优缺点简析

      优点：

      ◆可做非接触式测量； 
      ◆为无流动阻挠测量，无压力损失；
      ◆可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。
      ◆超声波流量级的zui大优点就是无需切断管道，即可作无阻挠流量测量，是真正不接触介质的流量仪表。

      缺点：

      ◆传播时间只能用于清洁液体和气体；而多普勒法只能用于测量含有定量悬浮颗粒和气泡的液体； 
      ◆多普勒法测量精度不高。

      3 应用

      超声波测量是一种通过测定物位来测量容器储量的方法。超声波传感器自上向物料表面发送超声波脉冲，接收从表面反射回来的回波。它测定超声波的传播时间，并推算出与反射表面的距离。

      传播时间是超声波传感器与物位之间距离的直观量纲。声波的传播距离是传播时间和声速的的乘积。如果已知超声波传感器的位置，那末就能换算出物位（以及储量）。空气中的声速变化范围很大，因此，声波传感器需要进行温度补偿，如果用于空气以外的其他气体，就应该进行相应的标定。

      3.1 测量流量

      在污水处理厂的流量测量仪表中，按照安装形式分类只有两种形式的流量计：管道式和明渠式。

      明渠式超声波流量计是一种在污水处理厂应用很广泛的流量计。因此我们在这里仅就明渠式流量计简单说明一下，在明渠中液体的流量与槽上某处的液位具有确定的关系，即：

      Q＝Kbhm

      式中，Q为流量，K为流量系数，b为堰口宽度，h为液位高度 ，m为指数。

      对于一定形状的水槽，其中k、b、m 的值是一定的，因此只要测量到液位h就可以计算出流量。由此可见，用于明渠流量计量的超声波流量计实际上是测量液位。

      3.2 测量液位

      超声波液位计由于属于非接触测量，度高，维护量较小，因此在污水处理厂得到了广泛的应用。

      超声波液位计测量的工作原理

      由图1可见，将超声波发送器/接收器置于液体上方，超声波向下发射，穿过空气介质，在遇到水面时被反射回来，被接收器所接收。由超声波在介质中传播的原理可知，若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定，则超声波在该介质中的传播速度是一个常数。因此，当测出超声波由发射到遇液面反射被接收所需要的时间，则可换出超声波通过的路程，即得到了液位的数据。

图1 测量原理

      （2）超声波液位计用于污水处理厂格栅的液位差控制

      由于城市污水中的大量杂物，在进水泵房前都设有粗隔栅除污机。在沉沙池上都设有细隔栅除污机。污物的堵塞会使隔栅前后的水位差增加，用由双探头超声波液位计来测量水位差，并与设定值比较。若大于设定值，输出继电器接通，启动除污机，同时，仪表还可输出液位信号、液位差信号进行远传显示，如图2所示。

图2 超声波液位计应用

      4 结论

      通过超声波液位计在污水处理厂实际工作中的应用，它比其他流量计性能更稳定，为城市污水处理厂的自动化运行和控制提供连续稳定的测量数据，保证了格栅、提升泵、污泥泵了良好的运行，确保了处理后的出水稳定达标。实践证明超声波流量计在污水处理中有很好的应用前景。