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   1 引言

      為了改善日益嚴(yán)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(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)．隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速得到運(yùn)用。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。數(shù)據(jù)采集就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)然后再作進(jìn)一步處理。

      超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲脈沖作用以測(cè)量流量的儀表。它和電磁流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬無(wú)障礙流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問(wèn)題的一類(lèi)流量計(jì)，特別在大口徑測(cè)量流量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，也是近年來(lái)發(fā)展迅速的流量計(jì)之一。

      2 超聲波流量計(jì)原理

      2.1 組成

      非接觸式超聲波測(cè)量系統(tǒng)由兩部分組成：一個(gè)超聲波信號(hào)換能器和一個(gè)遠(yuǎn)距安裝的電子發(fā)收器。換能器不斷發(fā)射一系列的超聲波并接收自被檢測(cè)的液體或固體表面返回的反射回波。發(fā)射器中的微處理器將信號(hào)作進(jìn)一步處理，并將數(shù)據(jù)作為L(zhǎng)CD數(shù)字顯示。

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

       L=c/f

      （2）超聲波的反射和折射

      當(dāng)聲波傳播至兩介質(zhì)的分界面，一部分能重返原介質(zhì)，稱(chēng)為反射波，另一部分能量透過(guò)介質(zhì)面到另一介質(zhì)面內(nèi)繼續(xù)傳播，稱(chēng)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(zhì)波速， C₂為第二介質(zhì)波速。

      2.2 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)

      超聲波的顯著特征是頻率高，因而波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小、方向性好。能夠稱(chēng)為射線而定向傳播。在液體、固體中衰減小、穿透本領(lǐng)大，遇到雜質(zhì)或分界面就會(huì)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(xué)領(lǐng)域即工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

      2.3 超聲波換能器

      超聲波換能器又稱(chēng)超聲波探頭，它是實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種器件，在超聲波檢測(cè)技術(shù)中，把超聲波發(fā)射出去再接收回來(lái)變換成電信號(hào)的儀器裝置，就是超聲波換能器，即探頭．用于檢測(cè)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(cè)技術(shù)中，主要采用的是壓電型。

      2.4 優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)析

      優(yōu)點(diǎn)：

      ◆可做非接觸式測(cè)量； 
      ◆為無(wú)流動(dòng)阻撓測(cè)量，無(wú)壓力損失；
      ◆可測(cè)量非導(dǎo)電性液體，對(duì)無(wú)阻撓測(cè)量的電磁流量計(jì)是一種補(bǔ)充。
      ◆超聲波流量級(jí)的zui大優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)需切斷管道，即可作無(wú)阻撓流量測(cè)量，是真正不接觸介質(zhì)的流量?jī)x表。

      缺點(diǎn)：

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

      3 應(yīng)用

      超聲波測(cè)量是一種通過(guò)測(cè)定物位來(lái)測(cè)量容器儲(chǔ)量的方法。超聲波傳感器自上向物料表面發(fā)送超聲波脈沖，接收從表面反射回來(lái)的回波。它測(cè)定超聲波的傳播時(shí)間，并推算出與反射表面的距離。

      傳播時(shí)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(shí)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(chǔ)量）。空氣中的聲速變化范圍很大，因此，聲波傳感器需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，如果用于空氣以外的其他氣體，就應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定。

      3.1 測(cè)量流量

      在污水處理廠的流量測(cè)量?jī)x表中，按照安裝形式分類(lèi)只有兩種形式的流量計(jì)：管道式和明渠式。

      明渠式超聲波流量計(jì)是一種在污水處理廠應(yīng)用很廣泛的流量計(jì)。因此我們?cè)谶@里僅就明渠式流量計(jì)簡(jiǎn)單說(shuō)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(guān)系，即：

      Q＝Kbhm

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

      對(duì)于一定形狀的水槽，其中k、b、m 的值是一定的，因此只要測(cè)量到液位h就可以計(jì)算出流量。由此可見(jiàn)，用于明渠流量計(jì)量的超聲波流量計(jì)實(shí)際上是測(cè)量液位。

      3.2 測(cè)量液位

      超聲波液位計(jì)由于屬于非接觸測(cè)量，度高，維護(hù)量較小，因此在污水處理廠得到了廣泛的應(yīng)用。

      超聲波液位計(jì)測(cè)量的工作原理

      由圖1可見(jiàn)，將超聲波發(fā)送器/接收器置于液體上方，超聲波向下發(fā)射，穿過(guò)空氣介質(zhì)，在遇到水面時(shí)被反射回來(lái)，被接收器所接收。由超聲波在介質(zhì)中傳播的原理可知，若介質(zhì)壓力、溫度、密度、濕度等條件一定，則超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度是一個(gè)常數(shù)。因此，當(dāng)測(cè)出超聲波由發(fā)射到遇液面反射被接收所需要的時(shí)間，則可換出超聲波通過(guò)的路程，即得到了液位的數(shù)據(jù)。

圖1 測(cè)量原理

      （2）超聲波液位計(jì)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(jìn)水泵房前都設(shè)有粗隔柵除污機(jī)。在沉沙池上都設(shè)有細(xì)隔柵除污機(jī)。污物的堵塞會(huì)使隔柵前后的水位差增加，用由雙探頭超聲波液位計(jì)來(lái)測(cè)量水位差，并與設(shè)定值比較。若大于設(shè)定值，輸出繼電器接通，啟動(dòng)除污機(jī)，同時(shí)，儀表還可輸出液位信號(hào)、液位差信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳顯示，如圖2所示。

圖2 超聲波液位計(jì)應(yīng)用

      4 結(jié)論

      通過(guò)超聲波液位計(jì)在污水處理廠實(shí)際工作中的應(yīng)用，它比其他流量計(jì)性能更穩(wěn)定，為城市污水處理廠的自動(dòng)化運(yùn)行和控制提供連續(xù)穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)，保證了格柵、提升泵、污泥泵了良好的運(yùn)行，確保了處理后的出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。實(shí)踐證明超聲波流量計(jì)在污水處理中有很好的應(yīng)用前景。