超声波流量计的工作原理在河水计量中的应用

摘要：介绍了超声波流量计的工作原理、系统组成及实际安装应用。

一、概述：

水是钢铁生产的基础，安阳钢铁集团公司在生产中需要用大量的河水，为了准确计量进厂河水的流量，我们使用了UF超声波流量检测系统，为公司生产用水按量缴费提供了准确的依据。

二、工作原理：

UF超声波流量计，利用时差法超声探测技术，即通过检测超声波在“顺流”和“逆流”的传播时间差，求得流速，再根据流速和水流断面求得流量。如左图所示，在标准的渠道内斜向设置一对超声波换能器P1和P2，两换能器之间的距离为L，由其形成的声路路径和水流流向间的夹角为ψ。

当P1发射超声波P2接收时，超声波的正向传播时间为：T1=L（C+VCOSψ）---（1）（C为静水中的声速）

当P2发射超声波P1接收时，超声波的逆向传播时间为：

T2=L（C-VCOSψ）---（1）

正逆向时间差为：T=T1-T2=L（C-VCOSψ）-L（C+VCOSψ）

将（1）（2）两式中的C用T1、T2替代后得到V=L·T/2TfT2COSψ---（3）

由（3）式可见，只要测出正逆向的传播时间T1、T2就可以计算出水的流速，进而求得流量。但是根据（3）式求得的流速是超声波传播路径上的线平均流速，由于在一个渠道的水流断面上，各处的流速并不相同，因此仅用一个声路计算流量将会产生很大的误差。为提高测量精度，我们在明渠断面的不同高度上设置了四路换能器下图，构成多个测量声路，从而测出水流断面上的多层流速。同时还设一个水位换能器，这样流量计中的计算机可以根据测得的流速和水位准确地计算出流量Q。为了及时了解流量计的运行情况和检测数据，通过RS232数据接口和RS485接口，将数据传给“893”网，供调度系统和相关部门使用。

多声路超声明渠流量计的流量计算公式为：Q=Q1+Q2+Q3

Q---渠面断面流量Q1---渠道上层流量Q2---渠道中间各流层流量Q3---渠道底层流量

三、流量检测系统图：超声波流量计检测数据→RS232接口→RS485接口→“893”网络

四、流量计的安装：首先，根据标准的矩形渠确定出每层换能器的安装位置分别为400mm、800mm、1200mm、1500mm，然后调整好声路的角度ψ，再固定牢固即可。

五、计量数据远传入网：将流量计采集到的流速、液位、流量等信号，通过RS232数据接口和接口协议转换器RS485传给“893”网，使各部门及时掌握流量计的运行情况和数据趋势图。

六、应用效果：该系统在安阳钢铁集团公司投入运行后，各项技术指标均达到设计要求，系统误差低于±2%，测得的实际用水量为每秒0.69立方米，大大低于原来的协议用水量1.35立方米，为公司降低生产成本提供了有利的数据保障。