超聲波明渠流量計的原理和應(yīng)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(yīng)注意的要點進(jìn)行了歸納。
1、概述：
明渠是一種具有自由表面（表面上各點受大氣壓強(qiáng)的作用）水流的渠道。根據(jù)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(yùn)河及未充滿水流的管道等。明渠導(dǎo)流廣泛應(yīng)用于污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)廢水排放和農(nóng)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(zhì)可以采用不同測量方法。常用的流量監(jiān)測方法有：水力學(xué)法、物理法、流速面積法等幾種，其中水力學(xué)法是根據(jù)流體力學(xué)中“水位-流量”的關(guān)系，將測得的水位代入水力學(xué)公式測量水流量的方法?；谒W(xué)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(hù)的特點，在明渠測流中得到了日益廣泛的應(yīng)用。
2、水力學(xué)法測量流量的原理：
根據(jù)流體力學(xué)原理可知：明渠內(nèi)的流量越大，液位越高；流量越小，液位越低。另外，一般明渠內(nèi)水流量大小還與渠道的橫截面積、坡度、粗糙度有關(guān)。如果在渠道內(nèi)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(yīng)關(guān)系。這樣量水堰槽就把流量測量轉(zhuǎn)成了易于實現(xiàn)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(xué)法測量流量的原理為：首先測量出量水堰槽內(nèi)水流的液位，再根據(jù)“水位-流量”的水力學(xué)關(guān)系公式，求出流量。
3、超聲波明渠流量計的工作原理：
明渠超聲波流量計由儀表主機(jī)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(jī)內(nèi)的運(yùn)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(fā)射超聲波，超聲波的能量被水面反射，經(jīng)過時間 T 被探頭接受。根據(jù)超聲波的傳播速度和經(jīng)過的時間 T，儀表經(jīng)過運(yùn)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
3.2、流量測量儀表的工作原理：
儀表主機(jī)控制探頭發(fā)射和接受超聲波。將測量到的水位信號交給儀表內(nèi)置的運(yùn)算單元，經(jīng)計算修正后，查出儀表內(nèi)部存儲的“水位-流量表”，就把水位轉(zhuǎn)化成了流量。儀表將瞬時流量按時間累加，得出累積流量?？梢赃x擇將流量信號以 4-20m A 或數(shù)字通訊等信號形式輸出到計算機(jī)或顯示屏。
4、安裝及使用中應(yīng)注意的要點：
由力學(xué)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(yīng)注意以下要點。
4.1、安裝量水堰槽要規(guī)范：
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(guī)范。一般三角堰、矩形堰要安裝在堰板的上游，距離堰板相當(dāng)于***大過堰水深的 3-4 倍（***大過堰水深是指，流量增到***大時對應(yīng)的液位）；巴歇爾槽在進(jìn)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(zhǔn)點就變化了，就會影響測量的準(zhǔn)確度。另外探頭要垂直對準(zhǔn)水面，不能傾斜。
4.3、儀表主機(jī)的安裝和水位校對：
流量計的儀表應(yīng)安裝在室內(nèi)，室內(nèi)要通風(fēng)良好，無腐蝕氣體。如必須安裝在室外，應(yīng)有防護(hù)儀表箱。在初次使用儀表時，要在主機(jī)上按照工程需要輸入?yún)?shù)，確認(rèn)探頭的型號，設(shè)定聲速、信號輸出類型及堰槽的種類等參數(shù)，尤其必須正確設(shè)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(zhǔn)儀表的液位。校準(zhǔn)液位的目的是使儀表測量的液位值與量水堰槽內(nèi)的實際水位一致。校準(zhǔn)液位應(yīng)當(dāng)設(shè)置零點和實際液位兩個校準(zhǔn)點：在量水堰槽內(nèi)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(zhǔn)儀表的示值等于實測的量水堰槽液位。
超聲波明渠流量計產(chǎn)品：
5、結(jié)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(hù)方便，使用壽命長，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定，測量范圍廣等優(yōu)點。目前廣泛應(yīng)用與石油、化工、制藥、食品加工等污水排放企業(yè)，對環(huán)境的監(jiān)測保護(hù)和污染的治理起著重要的作用。