超聲波流量計在城市污水處理廠中的應用

   1 引言

      為了改善日益嚴重的水污染狀況，許多城市建立了污水處理廠，污水處理率明顯提高，水環境逐漸好轉．隨著計算機技術的飛速發展及普及，數據采集系統也迅速得到運用。在生產過程中應用這一系統可對生產現場的工藝參數進行采集、監視和記錄，為提高產品質量、降低成本提供信息和手段。數據采集就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成計算機能識別的數字信號然后再作進一步處理。

      超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲脈沖作用以測量流量的儀表。它和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無障礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑測量流量方面有較突出的優點，也是近年來發展迅速的流量計之一。

      2 超聲波流量計原理

      2.1 組成

      非接觸式超聲波測量系統由兩部分組成：一個超聲波信號換能器和一個遠距安裝的電子發收器。換能器不斷發射一系列的超聲波并接收自被檢測的液體或固體表面返回的反射回波。發射器中的微處理器將信號作進一步處理，并將數據作為LCD數字顯示。

      （1）聲波是機械波的一種，頻率超過2×10⁴ Hz的聲波為人耳所聽不到的超聲波頻率。它的波長L、頻率f與速度c的關系為

       L=c/f

      （2）超聲波的反射和折射

      當聲波傳播至兩介質的分界面，一部分能重返原介質，稱為反射波，另一部分能量透過介質面到另一介質面內繼續傳播，稱為折射波。

      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為*介質波速， C₂為第二介質波速。

      2.2 超聲波流量計的特點

      超聲波的顯著特征是頻率高，因而波長短、繞射現象小、方向性好。能夠稱為射線而定向傳播。在液體、固體中衰減小、穿透本領大，遇到雜質或分界面就會有顯著的反射。超聲波傳感器就是利用超聲波的這些顯著特征在許多科學領域即工業生產中得到廣泛的應用。

      2.3 超聲波換能器

      超聲波換能器又稱超聲波探頭，它是實現電能和聲能相互轉換的一種器件，在超聲波檢測技術中，把超聲波發射出去再接收回來變換成電信號的儀器裝置，就是超聲波換能器，即探頭．用于檢測的超聲波換能器有多種，如壓電型、磁致伸縮型、電磁型、振板型、彈性表面波型等等。檢測技術中，主要采用的是壓電型。

      2.4 優缺點簡析

      優點：

      ◆可做非接觸式測量； 
      ◆為無流動阻撓測量，無壓力損失；
      ◆可測量非導電性液體，對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。
      ◆超聲波流量級的zui大優點就是無需切斷管道，即可作無阻撓流量測量，是真正不接觸介質的流量儀表。

      缺點：

      ◆傳播時間只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測量含有定量懸浮顆粒和氣泡的液體； 
      ◆多普勒法測量精度不高。

      3 應用

      超聲波測量是一種通過測定物位來測量容器儲量的方法。超聲波傳感器自上向物料表面發送超聲波脈沖，接收從表面反射回來的回波。它測定超聲波的傳播時間，并推算出與反射表面的距離。

      傳播時間是超聲波傳感器與物位之間距離的直觀量綱。聲波的傳播距離是傳播時間和聲速的的乘積。如果已知超聲波傳感器的位置，那末就能換算出物位（以及儲量）?？諝庵械穆曀僮兓秶艽螅虼?，聲波傳感器需要進行溫度補償，如果用于空氣以外的其他氣體，就應該進行相應的標定。

      3.1 測量流量

      在污水處理廠的流量測量儀表中，按照安裝形式分類只有兩種形式的流量計：管道式和明渠式。

      明渠式超聲波流量計是一種在污水處理廠應用很廣泛的流量計。因此我們在這里僅就明渠式流量計簡單說明一下，在明渠中液體的流量與槽上某處的液位具有確定的關系，即：

      Q＝Kbhm

      式中，Q為流量，K為流量系數，b為堰口寬度，h為液位高度 ，m為指數。

      對于一定形狀的水槽，其中k、b、m 的值是一定的，因此只要測量到液位h就可以計算出流量。由此可見，用于明渠流量計量的超聲波流量計實際上是測量液位。

      3.2 測量液位

      超聲波液位計由于屬于非接觸測量，度高，維護量較小，因此在污水處理廠得到了廣泛的應用。

      超聲波液位計測量的工作原理

      由圖1可見，將超聲波發送器/接收器置于液體上方，超聲波向下發射，穿過空氣介質，在遇到水面時被反射回來，被接收器所接收。由超聲波在介質中傳播的原理可知，若介質壓力、溫度、密度、濕度等條件一定，則超聲波在該介質中的傳播速度是一個常數。因此，當測出超聲波由發射到遇液面反射被接收所需要的時間，則可換出超聲波通過的路程，即得到了液位的數據。

圖1 測量原理

      （2）超聲波液位計用于污水處理廠格柵的液位差控制

      由于城市污水中的大量雜物，在進水泵房前都設有粗隔柵除污機。在沉沙池上都設有細隔柵除污機。污物的堵塞會使隔柵前后的水位差增加，用由雙探頭超聲波液位計來測量水位差，并與設定值比較。若大于設定值，輸出繼電器接通，啟動除污機，同時，儀表還可輸出液位信號、液位差信號進行遠傳顯示，如圖2所示。

圖2 超聲波液位計應用

      4 結論

      通過超聲波液位計在污水處理廠實際工作中的應用，它比其他流量計性能更穩定，為城市污水處理廠的自動化運行和控制提供連續穩定的測量數據，保證了格柵、提升泵、污泥泵了良好的運行，確保了處理后的出水穩定達標。實踐證明超聲波流量計在污水處理中有很好的應用前景。