超聲波明渠流量計的原理和應用

摘 要：介紹了超聲波明渠流量計的的原理和特點，并對流量計在安裝和使用中應注意的要點進行了歸納。

關鍵詞：水力學法測量流量；超聲波明渠流量計；原理

1 概述

明渠是一種具有自由表面（表面上各點受大氣壓強的作用）水流的渠道。根據它的形成可分為天然明渠和人工明渠。前者如天然河道；后者如人工輸水渠道、運河及未充滿水流的管道等。明渠導流廣泛應用于污水治理流入和排放渠、工礦企業廢水排放和農田灌溉用渠道、火電廠冷卻水引水和排放渠等。

明渠流量測量的方法很多，針對不同的工況和介質可以采用不同測量方法。常用的流量監測方法有：水力學法、物理法、流速面積法等幾種，其中水力學法是根據流體力學中“水位-流量”的關系，將測得的水位代入水力學公式測量水流量的方法。基于水力學法原理的測流方案，在自動化測量儀器中多選擇超聲波明渠流量計，具有非接觸測量、免維護的特點，在明渠測流中得到了日益廣泛的應用。

2 水力學法測量流量的原理

根據流體力學原理可知：明渠內的流量越大，液位越高；流量越小，液位越低。另外，一般明渠內水流量大小還與渠道的橫截面積、坡度、粗糙度有關。如果在渠道內安裝幾何尺寸和堰板材料固定的量水堰槽后，流量與液位就建立了確定的對應關系。這樣量水堰槽就把流量測量轉成了易于實現的水位測量。常用的量水堰槽種類有三角堰、矩形堰和巴歇爾堰槽三種（見圖1）。簡言之，水力學法測量流量的原理為：首先測量出量水堰槽內水流的液位，再根據“水位-流量”的水力學關系公式，求出流量。

圖1

3 超聲波明渠流量計的工作原理

超聲波明渠流量計由儀表主機和超聲波探頭等組成，利用超聲波回聲測距原理測量水位，再由儀表主機內的運算單元將水位信號換算成流量信號

3.1 超聲波測液位原理

超聲波水位流量計采用超聲測距法測量液位。探頭安裝在量水堰槽水位觀測點上方（如圖2）。探頭向水面發射超聲波，超聲波的能量被水面反射，經過時間T被探頭接受。根據超聲波的傳播速度和經過的時間T，儀表經過運算后得出渠道水深H。計算公式如下：

H=L-D=L-V*T/2=L-（V0+at）*T/2 （1）

其中：H表示所求液位的高度；L表示超聲探頭與明渠底部之間的距離，V表示空氣中的超聲波聲速，T為超聲波一個回程經過的時間， V0表示0℃時超聲波在空氣中的傳播速度，a為超聲波速度的溫度系數，t為溫度。由上式可知，在L已知的情況下液位測量的精度取決于超聲波聲速v的測量精度和超聲波傳播時間的測量精度。

3.2 流量測量儀表的工作原理

儀表主機控制探頭發射和接受超聲波。將測量到的水位信號交給儀表內置的運算單元，經計算修正后，查出儀表內部存儲的“水位-流量表”，就把水位轉化成了流量。儀表將瞬時流量按時間累加，得出累積流量。可以選擇將流量信號以4-20mA或數字通訊等信號形式輸出到計算機或顯示屏。

4 安裝及使用中應注意的要點

由力學法測水流量的原理和超聲波明渠流量計的工作特點可以看出，其安裝和使用中應注意以下要點。

4.1 安裝量水堰槽要規范

使用超聲波流量計測量水流量，在明渠上必須要有量水堰槽。選擇量水堰槽的種類，要考慮渠道內流量的大小，以及渠道內水的流態，是否能形成自由流。應當根據流量大小選用相應的量水堰槽：流量大于40升/秒時，一般使用直角三角堰。大于40升/秒，一般使用巴歇爾槽。流量大于40升/秒，渠道內水位落差又較大，可以使用矩形堰。量水堰槽可以用玻璃鋼制作，加工尺寸要準確。其中三角堰和矩形堰的堰口是關鍵尺寸，要更加準確。朝向進水一側表面要平滑。巴歇爾槽內尺寸要準確，內表面要平滑。喉道部分是關鍵尺寸，要更準確。

4.2 超聲波探頭的安裝要符合要求

探頭在渠道上的安裝位置要符合規范。一般三角堰、矩形堰要安裝在堰板的上游，距離堰板相當于最大過堰水深的3-4倍（最大過堰水深是指，流量增到最大時對應的液位）；巴歇爾槽在進口收縮段的1/3位置。

安裝探頭時，探頭和支架固定要牢靠，不能活動。探頭一旦活動，水位基準點就變化了，就會影響測量的準確度。另外探頭要垂直對準水面，不能傾斜。

4.3 儀表主機的安裝和水位校對

流量計的儀表應安裝在室內，室內要通風良好，無腐蝕氣體。如必須安裝在室外，應有防護儀表箱。在初次使用儀表時，要在主機上按照工程需要輸入參數，確認探頭的型號，設定聲速、信號輸出類型及堰槽的種類等參數，尤其必須正確設定儀表的“水位-流量表”。

儀表首次安裝、檢修、移動過探頭后，必須要校準儀表的液位。校準液位的目的是使儀表測量的液位值與量水堰槽內的實際水位一致。校準液位應當設置零點和實際液位兩個校準點：在量水堰槽內的水位為零時，校對儀表顯示的液位也為零；在堰槽充有一定量的水時，利用滿足精度要求的直尺等工具測量，校準儀表的示值等于實測的量水堰槽液位。

5 結束語

超聲波明渠流量計是由超聲波探頭和量水堰槽配合測量得出明渠流量信息的計量儀表，具有安裝維護方便，使用壽命長，環境適應性強，工作穩定，測量范圍廣等優點。目前廣泛應用與石油、化工、制藥、食品加工等污水排放企業，對環境的監測保護和污染的治理起著重要的作用。

參考文獻

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作者簡介：劉彥凱（1979-），男，籍貫：河北省邢臺市，現職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：自動化運行管理。