超声波流量计在低流速冷却水流量测量的应用

摘要：介绍一种最新研制成功的对大型汽轮发电机定子线棒的小管径、低流速冷却水循环进行非接触检测的智能化超声波流量计。对其系统工作原理、硬件电路、软件设计、抗干扰措施，实际应用进行了较详细的阐述。

1、概况

近年来300MW、600MW发电机由于定子绕组水支路引水管断裂、管路中存在异物等，造成漏水或水路堵塞，由此造成定子绕组过热事故较多，经济损失巨大，因此引起各方对定子水支路通流性检验方法的广泛重视。本文介绍的利用流量测量技术来检测大型汽轮发电机定子绕组冷却水循环的智能超声波流量计可直接判断冷却水的堵、漏，从根本上解决了定子绕组冷却水堵塞问题。与传统的接触式流量计相比，其优点如下：

(1)可以不接触流体进行测量。由于非接触测量方式无需将元件插入流体，因此不会改变冷却水的流动状态，对管道内的冷却水也不产生附加阻力。

(2)不受被测流体物理性质和化学性质的影响，可测量导电流体、混浊流体等。

(3)检测端小、牢固，不受粘附物的影响，维修简便。

(4)流速范围广，可测不同型号发电机冷却水流速。

(5)读数指示与所测流量成线性，便于直接读数和记录。

(6)发电机内部存在强电磁干扰，其它种类的传感器无法在这种环境中使用，而超声波由于是声信号，可不受环境影响。

2、工作原理

新研制的智能超声波流量计利用超声波时差法测量流体流速，其原理如图1所示。T1和T2是1对能同时发射和接收超声波的换能器。首先T1发射超声波，超声波顺流传播，速度提高，经过时间T1被T2接收；然后T2发射，超声波逆流传播，传播速度减小，经过时间T2被T1接收，则管道截面上流体的平均流速和流量应分别为：

V=C2Tｇθ2ＫＤΔｔＱ =πＤ24 Ｖ

式中

Ｃ———静止流体中的声速；

θ———声射线与管轴之间的夹角；

Ｄ———管道内径；

Δｔ———正逆发射传播时间差，

Δｔ=ｔ2 -ｔ1；

Ｋ———校正因子。

由于Ｃ、Ｄ和θ均已知，只要测出Δｔ就可计算出Ｖ和Ｑ。因为Ｋ与流速Ｖ有关，实际应用时，应通过实验确定校正因子Ｋ，以对流速和流量进行校准。但由于Δｔ仅为 10ｎｓ左右，难以准确测量，因此利用超声多脉冲声循环法对微小时间进行累积，然后进行精确测量。

智能超声波流量计的系统结构如图2所示。其工作过程是：在上位机的控制下，单片机先对计数器清零，使开关Ｋ1闭合，Ｋ2合向下边，然后控制同步电路发出同步启动脉冲，触发超声波换能器Ｔ1发射第1个超声脉冲波，同时使计数电路开始对周期为ｆ的高频方波进行计数。该超声脉冲顺流传播，至Ｔ2处被接收并转换成电信号，经过放大、整型，一部分返回代替同步信号触发Ｔ1再次发射超声波，如此反复形成顺流发射声循环，另一部分进入分频电路进行分频。当声循环Ｍ次，分频器满并产生一信号，关断高频方波，使计数停止计数。同时单片机断开Ｋ1停止声循环，读取锁存器中的顺流发射声循环计数值Ｎ1。然后单片机再对计数器清零，再使开关Ｋ1闭合，Ｋ2 合向上边，触发换能器Ｔ2 发射。此次，Ｔ2 发射Ｔ1接收，形成逆流发射声循环，同样可得到逆流发射声循环计数值Ｎ2。当声循环次数Ｍ足够大，由于统计作用，上述2次声循环的固有电声延迟 (包括超声波经过换能器透声斜楔、管图2智能超声波流量计系统壁等所需的时间以及电信号滞后的时间)之和是相等的，于是当ｆ已知且固定不变时，根据上述公式可将2个计数值之差 (Ｎ2 -Ｎ1)换算成流体流速Ｖ和流量Ｑ。

3、硬件结构

3.1 超声波换能器

超声波换能器选用ＰＺＴ压电晶片制做。通过增大透声斜楔的倾角并合理选择其使用材料，可有效提高声程差，增大正逆发射传播时间差Δｔ。在换能器的环氧树脂背衬材料中掺加颗粒度较大的钨粉，使背衬具有较高声阻抗，增加背衬阻尼，减小反射杂波，此外，在换能器中还加装了匹配线圈，以减少超声发射脉冲波中的杂波，提高换能器的接收灵敏度。

3.2 超声波高速发射电路及高增益放大接收电路

超声波发射和接收电路的优劣对整机性能影响很大。本流量计声循环频率达30ｋＨｚ以上，而传统的超声波发射电路都是由可控硅构成，开关速度慢，使得工作频率只有几ｋＨｚ，无法满足要求，因此选用新型ＭＯＳ作为发射元件，不但提高了工作速度，而且还提高发射工作电压，增大了发射信号强度。如图3所示，当外加触发脉冲时，ＭＯＳＦＥＴ导通，电容Ｃ迅速放电，产生一个高压负脉冲，驱动超声波换能器发射超声波。

从发电机冷却水引水管管壁上接收到的信号是一个微弱信号，为了使后级数字电路能直接处理该信号，要求整个接收放大器的增益高，尤其第1级放大器(前置放大器)的灵敏度高。此外，还要根据超声波的频率确定整个接收电路的频率特性。

自动增益控制可使小信号有较大的增益，大信号有较小的增益，最后使各周波的辐值都变得一样大。由于充分放大的后级信号转换，只需同一个阈值电压相比较，因此，采用充分放大原理设计接收电路，其增益可达10 5(图4)。

通常，换能器接收的信号频谱分量丰富，还要求有足够宽的接收电路频带，以确保信号能无失真地放大，提高测量精度。对自行研制的接收放大器进行测定，其幅频特性如图5所示。

3.3 单片机控制电路

单片机控制电路主要完成3种功能：(1)控制计数电路的工作时序；(2)完成收发换能器的切换；(3)将测量的流速值通知上位机(图6)。

图中单片机89Ｃ5 1和译码器74ＬＳ139构成计数板上锁存器的片选信号，通过片选信号和Ｐ0口读入计数值；单片机89Ｃ5 1、译码器74ＬＳ15 4和继电器Ｄ1可切换检测多个定子线棒支路间的超声信号；继电器Ｄ2和Ｄ3等完成一组超声换能器收发功能的互换；单片机ＲＸＤ和ＴＸＤ引脚经ＲＳ - 2 32电平变换，完成同上位机的通讯任务。

控制电路工作时，对换能器的收发切换时序要求很高，这是由于发射元件的工作电压高，如果发射电路正在发射超声波时，收发切换继电器Ｄ2和Ｄ3同时动作，则发射电信号直接窜入接收放大电路，就会损坏接收放大器。所以，在每次切换操作之前，必须用清零信号将发射端锁住，在确定完成切换操作之后，才能打开发射端。

4、软件设计

检测系统的软件包括对计数电路、收发切换电路等进行实时控制的单片机编程和数据处理、打印等的上位机软件。下位机软件使用80 5 1系列单片机的汇编语言编程，其流程如图7所示。

上位机软件主要完成与下位机的数据通讯，以文本和图形2种方式显示数据，并对数据进行存盘、打印。上位机在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下实现人机交互，使用Ｖｉ ｓｕａｌＢａｓｉｃ作为开发工具。

5、抗干扰措施

系统抗干扰主要从软件和硬件2方面考虑。在单片机软件上，采用模块化结构设计，利用指令冗余和软件陷阱，将可能跑飞的程序拉回正常的序列中。在硬件方面采用合理的系统电路布局，考究的印刷电路走线和电源去耦，并尽量使用集成度高的芯片，在单片机ＲＳＴ和Ｔ1端还连接一“看门狗”电路。软件措施和硬件措施同时使用，极大地提高了系统的抗干扰能力。

6、实际应用

智能超声波流量计在实验室和现场应用中，均取得了较满意的结果，其灵敏度高，对流速的变化敏感，流速测量范围为0.5～ 5ｍ/ｓ，整机精度达±1%。当配用外夹式换能器用于发电厂大型汽轮发电机的定期检修时，短时间内就能方便可靠地完成对几十路定子绕组冷却水循环的检测，而且判断准确，结果直观。该流量计数字化、智能化，且正进一步开发成适用于集散控制系统ＤＣＳ或现场总线控制系统ＦＣＳ的现场智能检测单元，具有开放型数字通信能力，可实现在线实时监测功能，具有广阔的应用前景。