学文网超声波流量计篇1
关键词：超声波流量计 气体超声波 计量误差
超声波流量计在我国气体计量领域中的应用，始于20世纪末，随着天然气工业的不断发展，已经有越来越多的超声波流量计应用在天然气的计量工作中。超声波流量计在进行气体测量时，能够满足高压、大流量的气体计量要求，并且具有较高的测量精确性。由于气体介质本身的特殊性以及计量现场环境等多种因素的影响，在气体计量中仍然会受到各种因素的影响，使得计量结果的准确性产生一定的误差。因此，对于超声波流量计气体计量误差进行分析是十分必要的。
一、超声波流量计气体测量
超声波流量计进行气体测量的过程，就是通过对超声波沿着气流顺向和逆向传播的生速差、压力和温度等因素的测量，对气体的流速和标准状态下的流量进行测量的过程。常见的气体超声波流量计结构如***1所示。
二、超声波流量计气体计量误差的因素
1.信号因素
利用超声波流量计进行气体计量时，其主要的参数就是气体的传播时间，通过传播时间的获得和计量，才能实现对不同超声波信号的有效处理。因此也可以说，信号的质量是影响超声波流量计气体计量准确性的主要因素。如果超声波的信号质量不高，则对气体传播时间的测量和流量的确定都无法保证其准确性。
2.流场因素
超声波流量计计量过程中，由于管道弯曲所引起的气体二次流动也会对超声波计量的准确性产生影响。当气体流动在弯曲的管道中，二次流动会由于弯管内部和外部的曲率不同而形成不同方向的流动，加之离心力的作用，就会在管道的截面位置形成一个力场，推动管内气体的流动。
3.噪声因素
在超声波流量计气体计量系统中，阀门、整流器等设备都会产生定的噪声，而且在计量现场不断变化的温度和压力条件下，也会对噪声的形成产生一定的影响，而噪声的产生源，主要有流经管道的气流、整流器的运转、调节阀的运转等等，当噪声产生的频率与超声波流量计的工作频率范围一致时，就会对超声波流量计的正常工作产生影响，因为噪声会影响超声波脉冲的探测，进而对测量结果产生影响。另外，有些元件对于噪声较为敏感，当其受到噪声影响时，对元件本身也会产生较大的破坏。
4.脏污堆积
应用超声波流量计进行气体计量时，气体中含有的水分和其他杂质就会在流量计的管道系统内和超声波探头上形成不同程度的堆积，当脏污堆积到一定程度时，就会对计量的结果产生不同的影响。一方面，可能会导致计量表管径的缩小，进而导致计量的数据结果偏高；另一方面，超声波探头上堆积的脏污，对降低探头对超声波测量的敏感性，无法准确的判断气体的压力和流速，在这种情况下就会导致计量的数值偏低。另外，在管壁内侧大量堆积脏污，会导致管壁发生腐蚀现象，而超声波对于管壁内部的堆积物有着不同的敏感程度，这就会影响探头探测的准确性，进而造成计量结果失真。
三、减小超声波流量计气体计量误差的措施
1.加强信号质量的控制
对气体进行计量时，超声波形成的脉冲信号本身就有一定的不稳定性，这与以往的液体超声波流量计有着较大的不同，气体在输送的过程中必须要通过多次的声压和降压过程才能对检测点进行确定。即使是在同一个输送区间，气体的流动也会对超声波产生不同的影响。因此，在实际的工作中，要尽量降低气体流动所带来的压力波动，当气体在不同的压力条件下，要对其密度的变化进行控制，使气体在传播的过程中不会由于受到压力的波动而产生较大的发射和接收声能，避免由于幅值的变化而对信号产生影响。
2.降低噪声的影响
一方面，在应用超声波流量计进行气体计量时，要对计量管路系统进行科学的设计，对管路系统内部各种阻流件所产生噪声进行评估，才能在实际的计量过程中进行有针对性的降低噪声；另一方面，对超声波流量计和调节阀进行串联时，需要在专业的人员或者是生产厂家的指导下完成，必须要对调节阀产生的噪声进行全面评估，才能降低调节阀对流量计计量结果准确性所产生的影响。另外，有些调节阀在压力大、流速高的情况下所产生的噪声会超过超声波频率范围，可能会对流量计的正常工作产生影响，所以也需要加以重视。
3.减少污染物的堆积
首先要加强计量气体质量的监控，使用合理的管段布局，并且定期对管线进行清理。如果在管壁内存在较多的杂质残留，则会对气体的密度产生影响，这时就需要对管壁进行清理，清理之后的管壁直径会增加，所以需要进行重新校准之后才能再次使用。其次，不同的超
声波流量计生产厂家都有针对超声波流量计现场计量性能的测试软件，在实际的计量工作中，要充分重视测试软件的作用，并且根据测试的结果对计量现场可能存在的问题进行判断，从而保证计量的有效性。另外，当气体质量较差时，一般可以采用较大口径的超声波流量计进行测量，能降低测量结果的不稳定性。
结束语：
综上所述，应用超声波流量计进行气体测量时，受到不同因素的影响会使测量结果产生误差，对气体计量的稳定性和精度都会产生一定影响，因此必须要对这些影响因素进行全面的分析，才有利于通过合理的规避措施减少或者避免误差的产生，提高气体计量的精确性。
参考文献：
[1] 李国***，康兰昆.气体超声波流量计[J].油气田地面工程，2009（04）
超声波流量计篇2
关键词 超声波流量计；火电厂； 应用 ； 改善办法
中***分类号TM621 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）91-0152-02
0引言
由于火电厂的水循环系统具有循环较慢、管道直径较大等特点，所以对于其水流量的测量工作比较困难，普通仪器很难实现准确测量。超声波流量计以其独有的特点很好地解决了这一方面的难题，在流量测量方面发挥着越来越重要的作用。尽管超声波流量计有着许多无法取代的优势，但是在使用中也有许多事项需要我们去注意。只有对注意事项进行足够的重视，才能充分发挥其优势。本文对超声波流量计在火电厂中的应用进行了较为详细的阐述和分析，对注意事项进行了初步探讨。
1超声波流量计简介及工作原理
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束的作用进而测量流量的仪器，属于非接触测量仪器，并不与被测流体进行直接接触，所以也不会对流体流动产生干扰和破坏。具有测量精度高、安装方便、不与流体直接接触、不影响管路设备的正常运行等诸多优点，所以在火电厂的流体测量中得到了非常广泛的应用。
根据对信号检测的原理可以将超声波流量计分为以下几种类型：传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、噪声法等等。其中以时间差法超声波流量计最常见。本文也针对这种最常见的方法来进行叙述。时间差法超声波流量计通过直接测量超声波脉冲顺流和逆流传播的时间差来实现对测量流体流量的测量。其工作原理示意***如下：
流速方程：
流量计算公式：
其中：v-线平均流速；
L-超声波在流体中的传播路径长度（声道长度）；
t1-超声波从换能器1到换能器2的顺流传播时间；
Δt-超声波在流体中顺、逆流传播的时间差；
θ-超声波传播方向与流体流动方向之间的夹角；
qV-体积流量；
K-平均流速修正系数，K=v/u；
u-面平均流速；
v-线平均流速；
D-管道内径。
超声波流量计的优点：
超声波流量计属于非接触式仪表，测量时并不需要将仪器放入流体内部，可以直接从流体管道外部进行测量，对管道自身结构不用进行再次处理，对于流体也不会造成影响，而流体自身的因素也不会影响到测量仪器及测量结果，仪器自身没有压力损失，可以使测量结果更加准确；
一般的测量工具随着流体管道直径的增大，不论是制作工艺方面还是制造成本方面都会相应地提高，而超声波流量计的造价与测量能力与管道直径的大小没有直接的关系，这样既节约设计成本，又节约能耗，一举两得；
由于其特殊的优点，所能够测量的对象更加广泛。由于超声波流量计测量时不用与被测对象进行直接接触，所以可以对那些诸如高腐蚀性、易挥发性、易燃易爆等具有恶劣性质的对象进行流量测量，而且对设备本身也不会产生损害。正是由于其不受被测对象限制这一特点，才给测量工作带来了极大的便利。此外，对于管道的材质要求也比较低。
2实际应用过程中所应注意事项
在实际的应用过程中需要注意的事项有很多，概括为一下几个方面。
2.1公式中的参数要进行准确测量
根据超声波流量计的测量原理公式可以知道，流体管道的直径和管壁厚度的测量结果与流速的计算相关，所以在计算过程中，首先要保证测量的准确性，要使用恰当的工具，在测量过程中要注意进行多次测量，然后取数据的平均值，以减小误差，保证数据的准确性。
2.2安装位置和方法均要合理
超声波流量计应该安装在管道的直管段，并且要远离流动紊乱的位置，以减少振动对测量结果的误差。将设备尽量安装在悬空的水平管道上，这样不仅方便安装施工，同时对于位置调整也是十分方便的。设备安装的方法正确与否也直接会影响到设备的测量结果。
2.3探头的安装和调整
超声波流量计探头是其最重要的部位，也是影响测量结果最重要的因素。一般情况下探头有两种安装方式：直射式测量的Z式安装和反射式测量的V式安装。前者是最常用的方式，但是二者适用范围有一定的区别。如果流体流动情况较复杂，比如会产生旋涡斜流等情况时则采用V式安装；一般正常情况下两者都可以采用。为了减小流体中气体对测量结果的影响，一般讲探头安装在管道的两侧而不是顶部。
当探头安装出现问题时会导致设备不能正常运行，主要有信号不稳定和不能进入测量程序两种状况。
信号不稳定主要由流体本身原因或者探头安装错误两方面的原因引起，需要对二者进行分析。如果是流体原因，则需要改变探头的安装位置，对于后者则可以将安装方式进行对换，以增加信号稳定性，或者调整两个探头之间的距离。保持信号强度在一定的最佳范围内，需要通过调整两个探头间的距离来实现。
如果设备不能进入测量程序，自检失败，说明探头安装有问题，也有可能设备受到环境影响干扰过于严重，影响到了设备的性能。对于安装问题，需要对安装方式进行重新检查和安装，要保证探头的安装位置，检查探头的间隔距离是否合理，探头安装平面是否与流体运动方向平行等等。除此之外，管道内壁和外壁的清洁程度对于测量的结果也有影响，内壁污垢太多会影响到流体流速，外壁污垢太多则会对探头安装的稳定性产生威胁。如果是因为外界环境因素对结果产生影响，则需要重新选择安装地点进行安装。
3 结论
通过对超声波流量计的工作原理进行了解，对于安装运行过程所出现的问题进行阐述和分析，并提出改善措施，可以有效改善仪器的不足之处，充分发挥其优势，以保证其更好的为人类生产生活服务。火电厂的管道设备比较庞大，流体流量测量比较困难，使用超声波流量计可以有效解决这方面的问题，得到比较令人满意的结果。
参考文献
[1]边艳明.影响便携式超声波流量计信号接收的不利因素分析[J].计量与测试技术，2005（3）：31-32.
超声波流量计篇3
关键词：天然气；贸易计量；超声波流量计；计量系统；准确度
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.08.228
0 前言
天然气作为一种优质能源和化工原料其计量越来越被人们重视。由于天然气的可膨胀性、可压缩性等特性，造成天然气要比液体计量困难得多。气体超声流量计没有如节流装置几何形状及尺寸变化影响仪表特性的问题，其声道长度，声道角及管道横截面面积是恒定的参数；也没有引压管线之类易引起故障的部件，能够根据现场条件确定仪表系数并为此长期稳定。天然气流量计量系统，具有高精度、无压损、低能耗、结实耐用、维护少的特点。
1 超声波流量计的结构及原理
1.1 流量计结构
DANIEL3400系列气体超声流量计结构主要分三部分：流量计本体、超声换能器、Mark II 电子数据处理单元。
1.2 四声道超声波流量计工作原理（如***1）
2 超声波流量计的特点及在计量系统中的应用
普光净化厂产品气贸易计量精心选择了各种设备组成计量系统，整体计量精度优于0.70%。计量系统中包括Daniel高级超声波流量计、 Daniel S600流量计算机、***色谱分析仪。
2.1 daniel 超声波流量计
Daniel 超声波流量计是时间直通式超声波流量计，声波由一个探头发射另一个探头接受，不经管壁反射，声波由上游向下游传输的时间（由于声波被气流推动）小于声波由下游向上游传输的时间（声波被气流方向阻拦），这两个时间之差与气流的速度存在某种对应关系。从上下游测得的传输时间可以计算出气流的平均速度和声波的速度。
2.2 daniel s600 流量计算机
Daniel s600流量计算机适合于石油天然气贸易交接计量和标定的各种应用。可作为多流路计量的一个部分或***运行。单台流量计算机可以计量多路油气，最多可达到 6 路计量。带有键盘和LCD显示，方便数据记录和显示。有多方向快捷件，可以方便搜寻显示条目。带有4级密码管理，可以分级管理操作人员和信息内容。它可计算瞬间流量和总流量并通过打印口打印报告，打印口可组态。S600系列流量计算机不间断进行诊断自检。一旦发现问题，会触发报警提醒操作员采取措施所有报警信息都会被记录或打印。CPU板带有两个 RS232口和三个 RS422口连接其它设备。通讯口可以用于与上位机系统， SCADA或其它设备通讯。另外带有一个10BaseT（Twisted Pair）以太网界面用于网络连接。S系列流量计算机的组态可以使用标准格式，也可以按照客户要求使用组态软件定制。
2.3 色谱分析仪
色谱分析仪系统由样品预处理系统、色谱分析仪组成。样品由采样点取出，经样品管线传输至样品预处理进行样品处理，经过样品过滤器进入色谱分析仪进行样品分析，分析的结果以Modbus通信送入DCS系统和天然气计量系统。
3 效益及结论
普光净化厂使用气体超声波流量计作为产品气贸易计量流量计大大降低了计量装置故障的发生概率，延长了计量设备的寿命，避免了一些不必要的计量纠纷，提升了企业的声誉，树立了良好的形象。
参照有关计量技术部门的数据，因计量准确度偏离造成的经济损失：以年输气1亿立方米为例：温度偏差1摄氏度---计量0.34%偏差；压力偏差1kPa---计量0.1%偏差；由色谱仪造成的组分计量偏差―0.1%。总误差造成的损失约30～50万立方米气。由此可见，有效地提高计量准确度，确保计量偏差控制在最低水平，对于我们年外输气120亿立方米的企业来说，每年直接或间接的经济效益影响大约3000万元。
气体超声波流量计有非常多的优点，同时也存在着一些局限性。如：对气体流态和管道噪声有要求。在大流量贸易计量中，如何最大的发挥气体超声波流量计的效能，解决和避免影响其测量准确度的因素。为我们在日常使用中带来了新的研究课题，是我们的研究方向。
参考文献：
[1]孙淮清.气体超声流量计与孔板流量计在天然气工业中应用的比较[J].重庆工业自动化仪表研究所，石油工业技术监督，1998，14（06）.
[2]中国石油西南油气田分公司.超声流量计的现场应用与研究技术报告[J].2001（03）.
[3]黄和，文代龙，陈汝培，游明定.浅谈我国天然气计量与国际接轨[J].2001（04）.
[4]GB/T18604-2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》.
超声波流量计篇4
【关键词】超声波流量计;电磁流量计;特点;区别
一、电磁流量计
1、优点
（1）电磁流量计可用来测量工业导电液体或浆液。
（2）无压力损失。
（3）测量范围大，电磁流量变送器的口径从2.5mm到2.6m。
（4）电磁流量计测量被测流体工作状态下的体积流量，测量原理中不涉及流体的温度、压力、密度和粘度的影响。
2、缺点
（1）电磁流量计的应用有一定局限性，它只能测量导电介质的液体流量，不能测量非导电介质的流量，例如气体和水处理较好的供热用水。另外在高温条件下其衬里需考虑。
（2）电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求，对于液态介质，应测量质量流量，测量介质流量应涉及到流体的密度，不同流体介质具有不同的密度，而且随温度变化。如果电磁流量计转换器不考虑流体密度，仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。
（3）供水管道结垢或磨损改变内径尺寸，将影响原定的流量值，造成测量误差。如100mm口径仪表内径变化1mm会带来约2％附加误差。
（4）变送器的测量信号为很小的毫伏级电势信号，除流量信号外，还夹杂一些与流量无关的信号，如同相电压、正交电压及共模电压等。为了准确测量流量，必须消除各种干扰信号，有效放大流量信号。应该提高流量转换器的性能，最好采用微处理机型的转换器，用它来控制励磁电压，按被测流体性质选择励磁方式和频率，可以排除同相干扰和正交干扰。但改进的仪表结构复杂，成本较高。
二、超声波流量计
1、优点
（1）超声波流量计是一种非接触式测量仪表，可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量。它不会改变流体的流动状态，不会产生压力损失，且便于安装。
（2）可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。
（3）超声波流量计的测量范围宽，测量口径范围从2cm～5m。
（4）超声波流量计可以测量各种液体和污水流量。
（5）超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响。可以做成固定式和便携式两种形式。
2、缺点
（1）超声波流量计的温度测量范围不高，一般只能测量温度低于200℃的流体。
（2）抗干扰能力差。易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。
（3）直管段要求严格，为前20D，后5D.否则离散性差，测量精度差。
（4）安装的不确定性，会给流量测量带来较大误差。
（5）测量管道因结垢，会严重影响测量准确度，带来显著的测量误差，甚至在严重时仪表无流量显示。
（6）可靠性、精度等级不高（一般为1.5～2.5级左右），重复性差。超声波流量计是通过测量流体速度再乘以管道内截面积来确定流量。而该流量计无法直接测量内径和管道圆度，只能根据外径、壁厚按标准圆估算截面积，由此带来的不确定性已超过1％，因此精度受到限制。
（7）使用寿命短（一般精度只能保证二年）。
三、超声波流量计和电磁流量计的主要区别
1、介质不同
超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表， 故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。
电磁流量计不能测量导电率很低的液体，如石石油制品和有机溶剂等。通用型电磁流量计由于里衬材料限制，不能测量温度较高液体。电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求，对于液态介质，应测量质量流量，测量介质流量应涉及到流体的密度，不同流体介质具有不同的密度，而且随温度变化。如果电磁流量计转换器不考虑流体密度，仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。
2、准确度不同
超声波流量计是通过测量流体速度来确定体积流量，对液体应该测量它的质量流量，仪表测量质量流量是通过体积流量乘以人为设定的密度后得到的，当流体温度变化时，流体密度是变化的，人为设定密度值，不能保证质量流量的准确度。只能在测量流体速度的同时，又测量了流体密度，才能通过运算，得到真实质量流量值。
超声波流量计和电磁流量计的测量媒介不同，超声波是采用声波，频率很低，超声波频率20KHz-100KHz,雷达是采用2.4GHz 级别的电磁波，超声波的限制性比较大，很容易受到其它铁制物体的干扰，另外频率低，衰减大，测量范围小，应用的面比较窄，常用在大口径的水管线的流量测量和明渠类流量计测液位来换算成流量。也有用在固体料仓上的。电磁的频率高，衰减小，如果加上导波管测量范围可以很大，用在储罐上比较多。但是需要注意介电常数，介电常数太小的介质没法测或测量范围很小。
3、安装、维护、检定成本不同
超声波流量计适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关。对于大型管道不仅带来方便， 可认为在无法实现实流校验的情况下是优先考虑的选择方案。超声流量计可作非接触测量。夹装式换能器超声流量计可无需停流截管安装,只要在既设管道外部安装换能器即可。这是超声流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点，因此可作移动性(即非定点固定安装)测量，适用于管网流动状况评估测定超声流量计为无流动阻挠测量，无额外压力损失。
电磁流量计的安装与调试比其它流量计复杂，且要求更严格。 变送器和转换器必须配套使用，两者之间不能用两种不同型号的仪表配用。在安装变送器时，从安装地点的选择到具体的安装调试， 必须严格按照产品说明书要求进行。安装地点不能有振动，不能有强磁场。在安装时必须使变送器和管道有良好的接触及良好的接地。变送器的电位与被测流体等电位。在使用时，必须排尽测量管中存留的气体，否则会造成较大的测量误差。电磁流量计需要在有电导率的液体条件下安装，而且一般电磁流量计的安装必须截管安装，但是电磁流量计的特点是在符合条件的现场条件下准确度高。电磁流量计拆卸麻烦，必须要求工艺停车，拆卸送检麻烦，如果是0.5％准确度按国家计量检定规程每半年需检定一次。
超声波流量计篇5
针对化工行业中的工艺条件选用超声波流量计的分类归纳，简述其工作原理、适用范围、主要特点以及选型要点，以及安装中的注意事项。
In the chemical industry the process condition selection of ultrasonic flowmeter are classified, summarized its work principle, scope of application, main characteristics and key points in selection, and installation notes.
关键词(keywords)：超声波流量计品种谱系分类特点
ultrasonic flowmeter Full spectrumclassified Characteristic
中***分类号：O644文献标识码： A
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用来测量流量的仪表。
1品种谱系类型
超声波流量计根据不同介质、性能要求、应用场所的不同，可分为以下几个层次，如***：
按照流路形态来区分的话，可分为封闭管线和明渠或者不满管两种，前者在化工行业中应用较多，后者多用于供水系统、污水治理以及水利工程、河道流量监测。
2测量原理
封闭管道按测量原理分类有：①传播时间法；②多普勒效应法；③波束偏移法；④相关法；⑤噪声法。其在化工行业中传播时间法应用最多，约占市场份额80％，多普勒法10％左右。本文将讨论本文主要讨论石化行业中用于测量封闭管道液体流量用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。
选择液态流体用超声波流量计监测首先应考虑测量原理是传播时间法还是多普勒法？其主要的判断依据是：液体的洁净程度或者杂质含量，测量精度的要求。基本适用条件如下表所示。
而此两种测量原理分别介绍如下：
3.1 传播时间法
声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法。现以时差法阐明工作原理。
如***1所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢，为：
(1)
反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快，为：
(2)
式（1）减式（2），并变换之，得
(3)
式中 L――超声波在换能器之间传播路径的长度，m;
X――传播路径的轴向分量，m;
t12、t21――从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间，s;
c――超声波在静止流体中的传播速度，m/s;
Vm――流体通过换能器1、2之间声道上平均流速，m/s。
3.2 多普勒（效应）法
多普勒法是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。
如***5所示，超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为
(4)
式中 v－散射体运动速度。
多普勒频移fd正比于散射体流动速度
(5)
测量对象确定后，式（5）右边除v外均为常量，移行后得
(6)
4超声波流量计的安装
4.1 组成
主要由安装在测量管道上的超声换能器或由换能器和测量管组成的超声流量传感器）和转换器组成。
4.2流量传感器或换能器的安装
流量传感器（即带测量管段的插入式换能器总成）的安装
1） 安装本类流量传感器时管网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。
2） 连接流量传感器的管道内径必须与流量传感器相同，其差别应在±1％以内。
3） 流量传感器上的传感器尽可能在如***10所示与水平直径成45度的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。
4） 测量液体时安装位置必须充满液体。
5） 上下游应有必要的直管段。
4.3外夹装式换能器的安装
上面2）、3）、4）、5）各项应同样注意外，还应注意以下各点。
1） 剥净安装段内保温层和保护层，并把换能器按装处的壁面打磨干净。避免局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。
2） 对于垂直设置的管道，若为单声道传播时间法仪表，换能器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内（见***11），以获得弯管流场畸变后较接近的平均值。
3） 换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝，如***12以V法示例。
4.4 分类
可以从不同角度对超声流量测量方法和换能器（或传感器）进行分类。
（1） 按测量原理分类
封闭管道用USF按测量原理有5种，现在用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类。
（2） 按被测介质分类
有气体用和液体用两类。传播时间法USF两种介质各自专用，因换能器工作频率各异，通常气体在100~300kHz之间，液体在1~5MHz之间。气体仪表不能用夹装式换能器，因固体和气体边界间超声波传播效率较低。
（3） 传播时间法按声道数分类
按声道数分类常用的有单声道、双声道、四声道和八声道四种。近年有出现三声道、五声道和六声道。四声道及以上的多声道配置对提高测量精度起很大作用。各声道按换能器分布位置（见***8），又可分为以下几种。
1） 单声道 有Z法（透过法）和V法（反射法）两种。
2） 双声道 有X法（2Z法、交差法）、2V法和平行法三种。
3） 四声道 有4Z法和平行法两种。
4） 八声道 有平行法和两平行四声道交差法二种。
（4） 按换能器安装方式分类有、
1） 可移动安装
2） 固定安装
4.3 声道设置和直管段要求
多普勒法通常只有单套发送和接收换能器；便携式外夹装换能器传播时间法USF通常也只有单声道，其他夹装式则也有用双声道者，带测量管段式有单声道和双声道以上。
表2例举几个不同来源提出的要求，可作为选型时的一般依据。
(1)参考文献[4];(2)Westinghouse公司样本(3)Krohne公司样本。
4.5 安装注意事项
1） 安装位置和流动方向超声波流量计的流量传感部分（超声流量传感器或超声换能器）一般均可安装于水平、倾斜或垂直管道。垂直管道最好选择自下而上流动的场所，若为自上而下，则其下游应有足够的背压，例如有高于测量点的后续管道，以防止测量点出现非满管流。
2） 单向流还是双向流 通常为单向流，但也可通过较复杂电子线路，设计成双向流动，此时流量测量点两侧直管段长度均应按上游直管段的要求布置。
3） 管道条件外夹装式管道内表面积沉积层会产生声波不良传输和偏离预期声道路径和长度，应予避免；外表面因易于处理较少影响。夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂。应注意粒状结构材料（例如铸铁、混凝土）的管道，很可能声波被分散，大部分声波传送不到流体而降低性能。换能器安装处管道衬里或锈蚀层与管壁之间不能有缝隙。用V法的反设处必须避开焊缝和接口（参见***11）。
4） 上游流动扰动 与大部分其他流量仪表一样，USF敏感于流过仪表的流速分布剖面，因此也要求相当长度的上游直管段。
5超声波流量计选用注意事项
根据石化行业的应用情况来看，该两种测量方式的适用性综述如下：
多普勒法要比传播时间法适用悬浮颗粒含量上限高得多，而且可以测量连续混入气泡的液体。但是根据测量原理，被测介质中必须含有一定数量的散射体，否则仪表就不能正常工作。
传播时间法超声波流量计只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；而多普勒法只能用于测量含有一定异相的液体。
超声波流量计篇6
关键词：多声道超声波流量计；原理；使用；维护
中***分类号：P631.5 文献标识码：A 文章编号：
前言：污水处理厂担负着处理兰州石化公司污水处理和动力厂、石化厂生产用水供水的重要作用，污水来水流量和供水流量的测量至关重要，流量表使用、维护的好坏严重关系着生产，通过对该流量表四年的使用和维护，我们发现了该表在使用中存在的一些问题，通过分析我们解决这些问题，保证了生产正常稳定运行。
1基本情况简介
污水处理厂化工污水处理部和低温水处理部在兰州石化系统中起着非常重要的作用，多声道超声波流量计用在污水来水量和地下水的输送流量测量上。在这两个装置中，我厂共使用了一台UR-Ex1000型五声道超声波流量计和两台UR-Ex1000型三声道超声波流量计。
多声道超声波流量计测流精度高，一般来说一台五声道超声波流量计在充满水的管道中其测流精度可达±0.5%。多声道超声波流量计的核心部件是一台微处理器（微型计算机），因此它能够实现流量的***自动连续测量，能够进行数据远传和计算机联网，实现数据共享。
2多声道超声波流量计的测流原理
首先，分析一下单声道即一对换能器超声波流量计的情况。其测流原理，如***1所示。
设换能器、与水流方向的夹角为θ，水的流速为且不考虑横流的影响，声道长度为L，超声波在静水中的声速为C。当p1发射超声波P2接收时，超声波的顺流传播时间为：
（1）
当发射P2发射P1接收时，超声波的逆流传播时间为：
（2）
逆顺向传播的时间差为：
[作者简介]卓卫周（1983-），男，陕西省武功县人，大学本科，助理工程师，电话0931-7981178，电邮
（3）
因为COSθ≤1而且V2
（4）
受水温变化的影响，声速C在淡水中会在1400~1500m/s之间发生变化，为了消除温度变化的影响，将C用L和T1、T2代换。
因为
这里
由式（4）可得：
（5）
由（5）式计算出来的流速是超声波传播路径上的线平均流速。对于测流断面很小而且流态很好的场合，如对于有很长直管段的小口径管道，当流速在一定范围内时，可以求出线平均流速和面平均流速之间的相关系数，进而求得流量。但对于测流断面较大、流量也比较大而且流态分布比较复杂的情况而言，很难找出线平均流速和面平均流速之间的相关系数。在这种情况下，就必须用多声道超声波流量计进行测流。
对于多声道测量，由式（5）求出线平均流速，再用加权积分计算出面平均流速和流量，即：
（6）
（7）
式中： 为面平均流速；Ki 为第i 声道加权积分系数（i=1，2，3，4）；Vi 为第i 声道线平均流速（i=1，2，3，4）；S为管道横截面面积；Q为测流断面流量。
3主要存在问题
从这三台流量计使用至今，出现过如下问题：
（1）声道长度L测不准引起的误差：因为线流速V与声道长度L成线性关系，所以L的任何误差都将给V带来相同的误差。
（2）声道角θ测不准引起的误差：因为与COSθ成反比，所以θ的测量误差也会引起线流速的误差。如当θ=45°时，θ角有1°的误差将会造成1.7%的线流速误差。
（3）当流线方向与测量断面轴线不平行时，类似于声路角的测量误差将表现在流速中。这一效应称为横流误差，通常是由上游有弯曲流道、流道形状及大小的变化或者障碍物离测量断面太近引起的。
（4）沿任一声道传播的超声波信号除正常传播损失外，还会由于液体中夹带汽泡、泥沙，或者由于换能器表面磨损、换能器表面附着水生物，或者挂上杂物等而产生衰减和失真。
（5）在排放化工污水的生产厂出现吹扫检修时，来水中固体较大颗粒含量比较多，严重影响流量的测量波动非常大，甚至造成换能器不工作。
（6）换能器的性能退化也会严重影响测量。
（7）供电质量存在问题造成元器件损坏无法工作。
4主要问题的分析及解决
总结引起这些问题的主要原因，主要涉及到以下方面：
（1）首先在流量计的安装过程中，采用专用安装测量工具或使用高精度的经纬仪、钢尺对每一对换能器的声道长度进行多次测量取平均值作为准确值，这样可使声道长度误差保持在0.1%以下。采用高精度激光经纬仪对换能器定位，可使声道角的测量误差小于0.03°。在测流段的多个相邻断面上多次测量管道的截面积并用其平均值作为准确值，可基本上保证流量误差小于0.2%。在有条件的地方，例如对于直管段很长的钢管，当其半径不很大而且具备施工条件时，可在钢管上安装“测量管”，测量管的内径与被测管道的内径完全相同。其次是在每次清洗或更换换能器后对声道长度L进行标定。
（2）经过为期一年的观察，三台超声波流量计在工艺介质比较正常的环境下正常运行半年后，其换能器表面就会被水中的一些杂质覆盖而无法工作。解决方法一是定期对其换能器进行清洗，二是原换能器55mm长度，其表面和管壁会形成一个凹槽，如***1所示容易沉积杂质，先把换能器更换为65mm长度后，如***2所示，就不容易沉积杂质可延长正常运行时间。
***1 ***2
（3）对于横流误差，我们采取两种方法予以控制：① 将声道定位在尽可能远离测量流道的弯曲部。当这一条件不具备时，应将声道定位在与弯曲部的平面垂直的位置，以尽量减少横流误差。② 另一种可选择的办法是在与原声道相同的高程上增加同等数量的声道，但安装的角度相反，如***3所示。
假设：两个声道长度都等于L，原声道角=θ=Ф=45°，实际流速方向角=θ'=43°、Ф'=47°，实际流速=V，测得：
这里K = 2VL/C2
正确值应为：ΔT = KCOSθ
相对误差
若设置第二个交叉声道，则第二个测量值为ΔT =ΔT'=KCOSФ'
相对误差
平均相对误差为
E=（E1+E2）/2 ≈-0.0012
可见，在采用交叉声道测流时，横流误差可被恰当地抵消。
（4）在生产厂检修时经过观察在这段时间中化工污水入口UR-Ex1000型五声道超声波流量计基本上无法运行，因为这种时差式超声波流量计适用于水质比较清的介质，在生产厂运行正常时运行良好，但来水水质一发生变化，大的固体颗粒含量比较多时就无法正常工作。为解决这种问题在入口处在增加一台多普勒式超声波流量计，在生产厂出现检修吹扫时就可以用它来正常监测来水流量。
（5）经过观察大约两年时间换能器就会出现老化的问题，所以必须定期更换换能器。
（6）在生产运行过程中出现过几次元器件损坏的问题，原因是供电质量不好，所以我们在表的供电前端加了一个电源保护器后，大大的提高了元器件的寿命。
5结论
经过我们的认真分析和总结，UR-Ex1000超声波流量计存在的问题得以基本上解决，运行良好，满足了工艺生产的要求。
超声波流量计篇7
【关键词】超声波 方向角 自动跟踪 智能航行
船舶在航行过程中一般都需要检测周围的船只的位置，防止发生碰撞或实现自动跟踪功能。
如果采用电磁波作为介质去测量远处体积很小的目标物体的位置，电路处理中高频信号和超高频信号的相位很难控制、中低频信号的测量精度太低，而且海水对电磁波的干扰也比较大。由于超声波的波长较短，目前各大厂家生产的超声波传感头的体积越来越小，而且防水性能都比较好，如果采用超声波鉴相技术去测量目标物体方向角，则可以满足实际应用的跟踪效果。
本文基于超声波鉴相技术，对超声波发射装置方向角测量控制系统进行了设计与分析。
1 超声波方向角测量原理
2 超声波源方向角测量电路
超声波源方向角的测量电路一般有以下两种方案。
（1）首先使用运算放大电路把超声波接收头接收到的正弦波信号分别放大后，再利用电压比较器把之转换为微控制器可以识别的TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）电平的方波。通过检测两路输出的方波的相位差来计算出方向角。这种测量思路适用于中断响应速度比较快的微控制器，方位角测量的精度稍低。
（2）为了让更多的微控制器能够满足方向角测量需要。可以通过判断方向角测量电路的两路方波相位的超前或者滞后，再结合异或门电路和滤波电路，把一定相位差转换为与之对应的模拟直流电压，从而实现更加精确地测量方向角。
本文采用第二种方案，超声波源方向角测量电路如***1所示。
方向角的偏左和偏右是通过检测相位的超前或滞后来进行判断，即检测两路输出方波触发的外部中断响应的先后。最小测量角度值的准确性取决于所选用单片机或者嵌入式ARM等的中断响应时间。此外，为了让超声波源方向角测量系统准确、稳定地工作，两个超声波接收头的距离应尽量小，本文测的两个超声波接收头的中心间距为10mm。
两路比较器LM393分别输出占空比约为50%的方波，这两路输出用来判断方向角的大致方向为偏左或偏右。电路设计的关键部分就在于把两路有一定相位差的方波通过异或门进行异或作用，再选取适当的滤波电路进行滤波，就可以把相位差的大小转换为输出的直流电压U0的大小。通过检测直流电压U0的大小和两路输出方波的相位超前或滞后，就可以得到超声波源具体的方向角。其中，滤波电路采用RC串联滤波 。
3 方向角显示原理
方向角显示原理的系统框***如***2所示。***1中，超声波源方向角测量电路的输出电压Uo1、Uo2分别与***2中STM32的1#外部中断和2#外部中断相连。与方向角对应的模拟直流电压Uo3经过模数转换成数字信号后，交给stm32处理。最后，显示模块把方向角显示在屏幕上。
4 实验结果及分析
基于以上，完成了超声波发射装置方向角测量系统实验平台的搭建，如***3所示，其中左边的是超声波收发装置，中间的是ARM控制板，右边的是显示装置。
通过示波器可以观察到排阵P1的引脚Pin1和Pin3输出的两路方波电压Uo1、Uo2比较规则。此外，两路输出方波Uo1、Uo2的相位差也比较明显。如***4、***5所示，当超声波发射源的位置偏左或偏右时，其中一路方波相比较另一路相位超前，或者一路方波相比较另一路相位滞后。
方向角的理论测量范围为偏左23°至偏右23°，通过实验实际可测得的方向角的范围约为偏左22.5°至偏右22.5°，达到了测量要求。
5 结语
本文对超声波发射装置方向角测量控制系统进行了设计，搭建了实验平台，完成了对40KHz超声波发射源的方向角一定范围内的准确测量。此方案可以用来对超声波源进行自动跟踪，可以用于实现船舶的智能航行。
参考文献
[1]陈庭勋.基于超声波的方向角测量方案研究[J].实验技术与管理，2007，24（1）；41-45.
[2]张继东.一种超声波电源的频率搜索与跟踪系统的设计[J].计算机测量与控制，2010.18（10）.
[3]周泽均，欧阳清，施冠羽.清污超声相控声源阵列设计[J].舰船科学技术，2014，12：172-177.
[4]陈建华，潘树国.才宇彤等.基于ARM/Linux的嵌入式卫星定位平台设计及实现[J].舰船科学技术，2012，11：135-139.
[5]孙牵宇，童峰，许肖梅.一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法[J].厦门大学学报，2006（04）.
作者简介
张玉锦（1989-），男。现为江苏赛联信息产业研究院工程师。研究方向为电力电子专业。
超声波流量计篇8
论文摘要：污泥原位减量化技术是解决目前污水处理过程中产生剩余污泥问题的重要途径。本文设计的超声波-缺氧/好氧组合工艺实验模型是将超声波处理与缺氧/好氧(a/o)工艺相结合对污泥进行原位减量化。首先采用超声波直接对回流污泥进行超声处理，然后将超声波处理后的回流污泥返回缺氧池以及好氧池进行隐性生长，减少后续的剩余污泥产出量。同时，该设计并未影响出水水质。
本文侧重对模型的设计，关键是缺氧、好氧同池部分以及沉淀池、超声波处理器的设计与选择。模拟设计与常规工艺的实际设计有一定差别，部分参数是探索性的选择。
1 绪论
1.1 设计 参考 水量与水质
设计规模：0.4m3/d处理规模实验室工艺模拟。.
进水水质：codcr=600mg/l, bod5 =280mg/ l, 总氮=77mg/ l, 氨氮=35mg/ l 总磷=3.0mg/l.
出水平均水质：codcr≤70mg/ l，bod5 ≤20mg/ l，ss≤30mg/ l，氨氮≤5mg/l.
污泥减少量预计在90%。WWw.133229.Com
1.2我国城市主要污水处理工艺及其特点
我国现有城市污水处理厂80％以上采用的是活性污泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、二级处理、稳定塘法及土地处理法等。
活性污泥法(activated sludge process) [1]是以活性污泥为主体的生物处理方法，它的主要构筑物是曝气池和二次沉淀池。需处理的污水和回流污泥同时进入曝气池，成为混合液。在曝气池内注入压缩空气进行曝气，在好氧状态下，污水中的有机物被活性污泥中的微生物群体分解而得到稳定，然后混合液流人二沉池。澄清水溢流排放，但该法存在污泥膨胀而影响处理效果的缺点。主要处理生活污水，占地面积大，运行管理方便，对污泥膨胀进行控制，运行成本低。设计容积负荷较低，svi控制较严格，否则泥水不易分离，引起污泥膨胀而导致出水水质差。
活性污泥工艺的目的是在最大限度降低bod的同时，减少污泥的产量。
活性污泥法(activated sludge process)具有基建投资省、处理效果好的优点，是当今世界废水生物处理的主流工艺，但是在污水的生物处理过程中产生大量的生物污泥，需要经分离、稳定、消化、脱水及外置等步骤，这需要大量的基建投资和高昂的运行费用，剩余污泥处理和处置所需的投资和运行费用可占整个污水处理厂投资和运行费用的25％～65％，已成为废水生物处理技术面临的一大难题．开发不降低污水处理效果、实现污泥产量最小化的废水生物处理工艺，是解决污泥问题较理想的途径。剩余污泥通常会有相当量的有毒有害物质以及未稳定化的有机物，包括各种重金属、有毒有机物（pcbs、aox等），大量病原菌、寄生虫(卵)以及n和p等营养元素。如果不进行妥善处理与处置，将会对环境造成“二次污染”。
污泥的最终处置常采用填埋、填海和用于农业。但随着可用土地的减少，考虑到人体的健康，在污泥用于农业之前必须进行进一步处理等，污泥的最终处置越来越困难，这使人们对于能减少污泥产量的生物处理工艺更加感兴趣。
生物活性污泥法有多种处理工艺，随着国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，城市二级污水处理厂常用的工艺方法有[2-3]：普通曝气法、a—b法(二段曝气法)、a/o除磷工艺、a/o脱氮工艺、a²/o除磷脱氮工艺、氧化沟工艺等。已有的生物除磷脱氮工艺可分成a/o系列、氧化沟系列和序批式反应器(se)系列等。随着各个系列不断地 发展 和改进,形成了目前较典型的工艺，如a/o工艺、a²/o工艺、改良a²/o、倒置a²/o工艺、orbel氧化沟工艺、百乐克工艺等。目前我国新建及在建的城市污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍为主流，占90％以上，其余则为一级处理、强化一级处理、生物膜法及与其他处理工艺相结合的 自然 生态净化法等污水处理工艺技术。
1.3我国污泥发展概况与污泥减量化的提出
污泥是废水生物处理的副产物，随着废水处理量增加，污泥处理处置已成为困扰污水处理厂和全社会的重大问题。
现代 废水处理技术，按其作用原理，可分为物理法、化学法和生物法三类。废水生物处理根据生化反应机理不同，分为好氧处理和厌氧处理两大类[4]。
随着我国城市污水处理量和处理率的增加，污泥的产生量快速增长，污泥的处理与处置成为环境保护领域一个重要课题。国内在污水处理厂污泥的处理处置方面还存在一些问题[1]：
国内外虽然对污水处理技术与处置标准给予了更多的关注，但由于 经济 、设计、管理等诸多方面的原因，对污泥处理不够重视。污泥成分日益复杂，污泥处理难度增加。随污水处理排放标准的提高，为防止水体富营养化，污水处理既要进行有机物的去除，又要进行n、p等无机营养物的去除。为满足污水回用，达到污水资源化的目的，需进一步去除污水中的污染物质，随着这种处理功能的拓展，污泥量随之增加。目前我国污泥的处理大多采用厌氧消化，其前期一次性投资大，而且还有工艺负荷低、安全性要求高、运行管理难度大、运行经验缺乏等问题。污泥的处理与处置费用昂贵，一般要占总运行费用的30%(填埋)一60%(焚烧)。
污泥问题不仅是 中国 也是全世界面临的技术挑战。污泥问题使人们对于能减少污泥产量的生物处理工艺更加关注。为了防止污泥的二次污染，应尽可能通过技术进步和工艺改造等手段减少污泥的产生量，大力开展促进污泥减量技术的研究，以大幅度降低现有污泥处理处置基建和运行费用，促进污水处理技术的日益完善，达到污染控制和清洁生产的目的。
剩余污泥减量化[5]是通过物理、化学、生物等手段，主要依靠降低微生物产率以及利用微生物自身内源呼吸进行氧化分解，使污水处理设施向外排放的生物量达到最小，是从根本上、实质上减少污泥量。若将污水处理看成生产过程，将清洁生产的理念运用到污水处理，剩余污泥的减量化是从源头进行治理的“绿色生产”。
所谓污泥减量技术，是指在保证污水处理效果的和剩余污泥资源化基础上进一步提出的剩余污泥处置新概念，采用适当的措施使处理相同量的污水所产生的污泥量降低的各种技术。根据微生物处理工艺中影响剩余污泥产生的可能途径，将污泥减量化技术归纳为降低细菌合成量的解偶联技术、增强微生物进行内源呼吸代谢的溶胞技术、利用食物链作用强化微型动物对细菌捕食的技术。
目前，国内外对污泥处理处置的研究主要致力于污泥的资源化和减量化方面，如污泥制砖、制烟气脱硫吸附材料、园林利用、农用等资源化利用方面的研究，污泥解偶联、臭氧氧化、微型动物捕食、超声波破解等减量化技术方面的研究[6]。
超声波处理技术因其在细胞破碎方面具有高效、稳定、清洁、安全等优点，在污泥处理中可以提高污泥脱水性能和可降解性能，且应用方便，因而在近年来的污泥减量研究方面备受关注。
1.4 超声波技术与污泥处理
超声波[4]与声波相同，是一种在弹性介质中传播的机械波。通常将超出人耳听觉上限（≥20khz）的声波称为超声波，超声波常用的频率大约在20khz~3mhz之间。
超声波用于 工业 较早。低强度的超声波通常用于测量流量，而将超声波用于污泥减量是一个全新的领域。超声波通过交替的压缩和扩张作用产生空穴作用，在溶液中这个作用以微气泡的形成、生长和破裂来体现，以此压碎细胞壁，释放出细胞内所含的成分和细胞质，以便进一步降解。
超声波细胞处理器能加快细胞溶解，用于污泥回流系统时，可强化细胞的可降解性，减少污泥的产量；用于污泥脱水设备时，有利于污泥脱水和污泥减量。
超声波由转换器产生，经探针导入污水中，超声波的设计频段在25～30khz.小于25khz在人的 听力 范围内，产生噪声问题；而超过35khz时，能量利用率低。
超声波的作用受到液体许多参数的影响，如：温度、粘度和表面张力等。此外，超声波与各种液体的接触时间、探针的几何形状和材质也是超声波应用的影响。
超声波对生物体有多方面的作用。在不破坏细胞前提下，采用适当频率的强度和辐照时间，可以提高整个细胞的新陈代谢效率，加速细胞生长。低强度（能量）超声波辐射能提高细胞和酶的活性以及强化物系间传质，具有促进细胞生长、增强细胞内酶的生产、提高酶促反应速率和加速细胞新陈代谢的作用。
有研究表明低强度超声波辐射能提高生物细胞或酶活性的作用效应，超声波辐射能显著提高污泥好氧消化效率，超声波辐射后可改善消化液的沉降性能。低强度超声辐射预处理活性污泥后，会干扰活性污泥在废水净化过程中对糖类、蛋白质等物质的正常合成代谢，使污泥胞外聚合物（eps）组成成分含量发生明显变化。低强度超声预处理不会迅速改变污泥优势种群组成，但可能造成一些种群微生物代谢受到抑制，改变了各种群个体数量增长的平衡，从而引起污泥整体代谢特征的变化[5]。
超声波处理能够改善污泥脱水性能、加速污泥细胞水解、提高污泥生物活性。由于污泥厌氧发酵的控制步骤是生物细胞的水解，使颗粒性有机物转化为溶解性的有机物，而正常生物水解反应十分缓慢，造成厌氧处理周期长。高强度(能量)超声波可能破坏微生物细胞壁，使细胞内的有机物释放出来，加快细胞水解过程，将厌氧消化时间大大缩短。
例如据 文献 《超声波强化一次污泥沉降与脱水性能的研究》表明，短时间的超声作用可以提高污泥脱水和沉降性能，超声处理7s后滤饼含水率降低2.9％；超声10s时粘度和比阻值最小，比原污泥分别减小29.4％和24.270；15s后污泥沉降速率是原污泥的3.7倍。如投加絮凝剂，投加量为0.054g/l时污泥沉降速率最快，最终污泥体积为84.5％，粘度值最低，为84.5mpa·s. 加入超声l0s作用后，最佳絮凝剂投加量为0.027g/l, 且最终污泥体积比单独投加0.054g/l时减小4％，粘度值降低14.8％。超声波与絮凝剂的联用可以改善污泥脱水性能和沉降性能，减小絮凝剂的量达一半以上。水性大大提高，大幅度减少污泥量。bien等[4]在消化污泥中加入3mg/g d.m有机絮凝剂后超声预处理15s，提高了污泥浓缩程度，较未预处理污泥体积减少50%，认为超声场改变絮凝剂内部分子结构，促进了絮凝剂作用效果。
据《剩余污泥的超声破解与影响因素程度分析》表明，采用超声波技术破解污泥絮体及污泥微生物细胞，使固体性有机物与胞内物质变为溶解性有机物（scod）。scod溶出率随超声作用时间、声强及声能密度的增加而增加，在一定声强下，scod溶出率随时间延长呈线性增长趋势，即污泥破解反应遵从一级反应动力学 规律 。vss的变化规律同scod溶出率的变化规律相似。来，加快细胞水解过程，将厌氧消化时间大大缩短。tiehm等人[4]用41khz~3217 khz超声波处理污泥30~120 min后厌氧发酵，结果显示，厌氧发酵时间从22 d降到8d，而且挥发性有机物的去除率从45.8%提高到50.3%，同时ch4的产率提高2.2倍。bougrier等[4]用20 khz超声波对污泥预处理后厌氧消化，超声波输入能量从660kj/kg ts~14547 kj/kg ts，生物气产量较对照至少提高25%。
《低强度超声波辐射对污泥生物活性的影响机制》研究表明，通过测定超声辐射前后污泥性质的变化,不同处理方式对污泥活性影响以及自由基清除剂nahco3加入对超声作用效果影响,初步探讨了低强度超声波辐射对污泥生物活性的影响机制.研究结果表明,低强度超声辐射的机械作用和空化作用,使污泥絮体破碎,强化了固-液对氧的传质,提高了酶活性以及增加了溶液中可利用基质,从而强化了污泥的生物活性；不过,超声辐射同时也产生大量自由基,会对污泥生物活性产生抑制或破坏.因此,低强度超声辐射对污泥活性影响是促进效应和抑制效应共同作用的综合表现.
采用适当的辐射参数直接对活性污泥进行超声预处理，然后再与废水混合反应，可以提高活性污泥对废水有机物的去除。处理过程中会产生出类似污泥“解偶联”机制[6]的现象，这对于污水处理过程中污泥减量具有一定意义。有研究者将活性污泥经超声波处理后再回流到曝气池，有效地减少了剩余污泥产量，甚至做到反应器不产生剩余污泥。g.m. zhang等[4]研究发现利用25 khz，120 kw/kgds的超声波，超声波处理时间15分钟，污泥超声波比例为2/14，污泥减量达91.1％。
基于对上述技术的探讨以及研究成果的学习，结合目前国内外常用的污水处理工艺、污水处理方法和理论以及低强度超声波辐射处理污泥的技术[7]，我们决定把低强度超声波预处理活性污泥技术结合缺氧/好氧（a/o）传统工艺，构建一套目前国内外研究尚少的新型污水处理组合工艺体系，以达到污泥减量化与污水出水水质高效达标的目的，实验研究的前期阶段，将结合目前的教学实验基地与师资，根据本课题的指导思想，设计出一套工艺运用到实验当中来，以便课题的深入研究与发展。
1.5 超声波-缺氧/好氧（ultrasound wave—anoxic/ aerobic）组合技术的提出
在缺氧/好氧（a/o）传统工艺[8]的基础上，采用低频率低剂量的超声波直接对活性污泥进行超声预处理，然后再与污水混合反应的操作新模式，以大幅度降低处理能耗，增强活性污泥吸附和氧化去除废水中有机物的能力，减少后续剩余污泥产出量。
污泥部分回流与进水混合依次进入到缺氧反应区、好氧反应区，参与工艺的循环运行，经过好氧区的混合液部分回流与进水混合，剩余混合液流入沉淀池，澄清水溢流排放。剩余污泥经过超声波的稳定化、无害化处理，达到较好的减量化效果[9]。缺氧单元放到好氧单元前，利用进水中的有机物作为碳源，称之为前置反硝化流程，通过混合液回流把硝酸盐和亚硝酸盐带入缺氧单元。在好氧单元．污水中的有机物被活性污泥中的微生物群体分解而得到稳定。
工艺模拟实验，前期需要根据所模拟设计的污水水量与水质(codcr、bod5、ss、氨氮)特点、本研究工艺的特点、实验室地理位置、以及出水水质标准等选用合适的工艺材料与设备，并进行相关的 计算 与工程造价的预评估，主要包括超声波预处理活性污泥单元、活性污泥与污水混合进水单元、缺氧单元、好氧单元、沉淀池、混合液回流系统、污泥回流系统、剩余污泥处理处置系统、出水水质监测系统等。根据课题所设计的模型，对工艺流程进行构建。并对设备的可行性进行检查。
中期则根据所采用的合理超声波处理参数、对活性污泥进行预处理培养，设定污水流量、启动工艺设备，对实验进行模拟研究，监测出水水质、计算剩余污泥量。后期则综合相关实验数据、相关的质量标准，与国内外传统污水处理工艺的运行效果进行对照，综合出该新型工艺的优缺点， 总结 出污泥减量化处理处置的新经验。
1.6设计任务与内容
设计的主要任务是完成超声波-缺氧/好氧组合工艺实验模型的设计，处理水量为0.4m3/d。工艺一般包括以下内容：根据实验室的规模大小确定模型合适的大小，工艺流程设计说明，处理构筑物型式说明，设备的选用和计算，主要反应装置的设计计算，模型的整体布置，工艺设计***绘制，编制主要设备材料表。
2 超声波-缺氧/好氧组合工艺
在前置缺氧-好氧生物脱氮活性污泥工艺的基础上，结合超声波预处理活性污泥减量化技术的创新应用，进行工艺的改造与创新[10-12]。
2.1超声波-缺氧/好氧工艺流程***
shape \* mergeformat
***2.1 超声波-缺氧/好氧工艺流程***
2.2 工艺流程说明
2.2.1 污泥的人工培养
成分
浓度/mg·l -1
成分
浓度/mg·l -1
淀粉
268
(nh 4 ) 2 so 4
112
蔗糖
200
cacl 2
6
蛋白胨
132
mnso 4 ·h 2 o
6
牛肉膏
68
feso 4
0.3
nahco 3
80
mgso 4 ·7h 2 o
66
尿素
8
kh 2 po 4
48.8
进水平均水质：cod cr =600mg/l,bod 5 =280mg/ l,总氮=77mg/l,氨氮=35mg/l,总磷=3.0mg/l
表2.1[1]人工模拟城市污水使用液的组成与浓度
试验所用接种污泥取自污水处理厂二沉池回流活性污泥。接种污泥取回后，先用纱布过滤以去除泥沙等杂质，以免对后续测定及装置的稳定运行产生影响，然后将污泥投入实验室内塑料桶中，加入人工合成废水，组成与比例见表2.1，按照sbr的运行方式运行。培养数日，待污泥恢复活性后将污泥投入试验装置中，此时每套装置的mlss大约在 1000mg/l。经过20一30天的稳定培养，污泥未出现膨胀，污泥浓度稳定在4000mg/l，剩余污泥及时排出，污泥外观呈粪黄色，矾花絮体大，微生物相很丰富，出现了原生动物及后生动物，表明污泥状态良好，然后进入试验运行阶段。
2.2.2 进水
剩余污泥与所配原水混合均匀，注入体积20l左右的有机玻璃配水箱，用污水泵抽送到缺氧处理区，与好氧区处理后的回流上清液以及超声波处理后的回流污泥混合。
2.2.3 缺氧反硝化-好氧硝化
把空压机控制空气的阀门开到预先设定一档，底部进行微曝气，开动搅拌器，此时溶解氧的浓度小于0.5mg/l，持续时间8h。反硝化菌利用污水中的有机物作为碳源，将好氧曝气区回流液带入的大量no3-n和no2-n还原为n2释放至空气中.bod5浓度下降，no3-n的浓度大幅度下降，而磷的变化很小，在缺氧池内进行反硝化脱氮，反硝化产生碱度补充硝化反应需要，无需外加碳源，节省后续曝气量，有效控制污泥膨胀[7]。
缺氧/好氧反应同池，把空压机控制空气的阀门开到预先设定的另一档，底部进行大幅度曝气，开动搅拌器，溶解氧浓度大于2mg/l，持续时间4h，好氧处理区进行ss、cod的分解，有机物被微生物生化降解而继续下降；有机氮被氨化继而被硝化，使nh3-n浓度显著下降，但该过程使no3-n浓度增加，磷随着聚磷菌的过量摄取，也以较快速度下降，好氧池将nh3-n完全硝化，缺氧池完成脱氮功能，缺氧池和好氧池联合完成除磷的功能。好氧处理后的上清液部分用泵抽送回流到缺氧反应区。
2.2.4 沉淀区污泥与超声波处理
处理后的混合液进入到沉淀系统，污泥通过自重沉淀积蓄在蓄泥斗，部分污泥用泵抽送到超声波处理系统，按照选定的超声波处理参数进行超声波辐射，参考文献《低强度超声波辐射活性污泥的生物效应及其应用试验研究》，选取组合参数范围在21∼28khz，10∼40w, 2∼5min[4, 14-15] 间，根据有关文献的研究成果，超声波预处理活性污泥组合参数选取：28khz, 10w, 5min[4]。处理后的活性污泥回流到缺氧区，与进水混合，沉淀区的剩余污泥通过污泥脱水系统排放。计算剩余污泥的排放量。
2.2.5出水
对沉淀池出水进行必要的实验监测，包括bod、cod、ss、氨氮等，与原水水质进行对照，参考相关标准，看是否达标。
2.3 超声波-缺氧/好氧工艺实验室模拟实体与计算
1- 配水箱；2-缺氧区；3-好氧区；4-沉淀区；5-集水箱；6-进水泵；7-曝气头;8-曝气头；9-空压机；10-超声波处理器；11-污泥泵；12-污泥泵；13-搅拌器;14-污泥脱水；15-回流泵
***2.2 超声波-缺氧/好氧工艺实验室模拟***
2.3.1超声波污泥处理装置
超声波预处理活性污泥组合参数：28khz, 10w, 5min。装备参考《超声波污泥减量化技术的研究》中提及的，由北京天地人公司自德国超声波公司引进b05000-ks1000/2000型超声设备进行改造设计，该装置超声发生频率为28khz，电功率为5000w，容积为29l，结合本实验工艺所需，设计成28khz，50 w可调型，容积为10l左右。
剩余污泥被超声波破解，并将其破解液与生活废水一起回流进入缺氧池。
***2.3 超声波设备流程***
参照上述超声波技术参数，结合本工艺需求参数进行改造设计。
***2.4 超声波装置实物***
fig. 2.4 the objective chart about ultrasound waves equipment
2.3.2配水系统
流量以0.4m3/d，400l水 参考 计算 。考虑到实验实际需要，以及实验室场地资源的充分利用，设计配水箱容量在20l左右，一次可配水 左右，箱外高525 mm，箱内高520 mm，有机玻璃壁厚5 mm，箱外宽210 mm，箱内宽200mm。底部为正方形，箱顶不加盖，直接用管道伸进箱底抽水。在箱内500mm高度处刻画尺寸标注，指示出0.02m3，20l体积标线，20mm为设计超高。
2.3.3缺氧区处理系统
水力停留时间8h，即进水缺氧处理8h。则估计一天24小时中，8小时理论流过水量 ,箱内设计有效容积为0.133 m3，133l，理论进、出水流速 ，8小时内配水系统大概需要配水次数 ，设计有机玻璃壁厚5mm，箱内底部长400mm，宽400mm，箱内总高850mm，830mm高度处为缺氧区与导流区接触界面，留空20mm，箱内距离底部5mm—15mm高度处，设计10mm高的狭缝，用于混合液适量回流，底部安置曝气头，顶部安装搅拌器，箱壁设置污泥回流管道以及上清液回流管道。
2.3.4导流区系统
缺氧处理区与好氧处理区之间的狭缝区即为导流区。设计有机玻璃挡板高820mm，狭缝宽10mm，长400mm，挡板底部距离好氧处理系统底部15mm。
2.3.5好氧处理系统
水力停留时间4h，即进水好氧处理4h。每小时从缺氧区流进水量为0.0166m3，需停留4小时，则理论设计有效容积 ，好氧区与缺氧区流速相同 ，有机玻璃壁5mm，实际箱内长200mm，宽400mm，高788.15mm，顶部留空区46.85mm，底部一侧设置45°斜角。底部设置曝气头，设计与箱底连接管道，与空压机连接，顶部设置搅拌器。
2.3.6狭缝回流区
好氧处理系统与沉淀系统交接处的狭区，用于少量混合液回流到缺氧处理系统与进水混合。估取宽10mm，长400mm。
2.3.7沉淀系统
该系统设计参数为大胆性、探索性估取，并未完全参照常规参量选取，需要在实际工艺中，进行后续测定和验证。沉淀池流量为0.0166 m3 /h，即4.61*10-6 m3 /s，则设计内高800m，内部直径200mm，距离箱顶50mm，中心管直径50mm，管高250mm，面积2500mm2，中心管与反射板间距离高度10mm，反射板宽50mm，出水挡板与沉淀池顶盖底部相距40mm，挡板距离一侧池壁20mm，出水区设置管道与清水箱连接，蓄泥锥体高100mm，底部宽50mm，底部设计管道与超声波处理系统以及剩余污泥脱水处理系统连接，沉淀系统上部有机玻璃箱盖外一侧设置上清液回流管路，与缺氧处理系统连接。
2.3.8集水箱
根据实际需求，设计高度700mm，宽180mm，长400mm，有机玻璃壁厚5mm。底部设置排水管路，靠近箱底处设置取水口，箱顶设置进水口。
2.3.9搅拌系统
搅拌器采用浆式搅拌器，搅拌轴制作材料采用45钢，桨叶采用45钢片。选用功率较低、实验室常用的51k60gu-c型电动机，60w，220v, 0.9a, 5mf, 50/60hz, 1300/1600r/min，内部设置减速机，调速控制搅拌器转数55r/min左右，减速比 ,在电动机正常减速比范围内。或选用调速电磁制动电机: 50hz:90-1400r/min， 60hz:90-1600r/min。也可以选用功率在60w、 频率50/60hz左右的其它牌子电动机，诸如jscc微型电机：电机功率，6—200w；减速比，1:3—1:1800。或者参考选用、改造本校教学实验中常用非型号搅拌器和电动机。
2.3.10空压机
参照50-300mm三叶罗茨鼓风机设计，流量0.4m3/min—346m3/min,升压9.8kpa—78.4kpa，功率0.7kw—160kw，口径50mm—300mm，设计成流量可调，双控制系统，鼓风机设备配套的压力表等装置。或者参考选用、改造本校教学实验中常用空压机。
2.3.11污泥泵
参考g型单螺杆泵选用，参考如下参数，结合实际工艺设计。
表2.2 g型单螺杆泵设计参数参考
table 2.2 the reference design for pump of single screw rod with type of g 型号
转速
r/min
流量
m 3 /h
压力
mpa
电机
kw
扬程
m
进口
mm
出口
mm
g25-1
960
2
0.6
1.5
60
dy32
dy25
或者参考选用本校教学实验中常用非型号污泥泵。
2.3.12污水泵
参考gw型管道式无堵塞排污泵选用或设计，参数如下：
表2.3 gw型管道式无堵塞排污泵设计参数参考
table 2.3 the reference design for drain pump of noclogging tubular with type of gw
型号
口径
mm
流量
m 3 /h
扬程
m
功率
kw
转速
r/min
电压
v
gw25-8-22
25
8
22
1.1
2900
380
或者参考选用本校教学实验中常用非型号污水泵。
2.4 经济 技术评价
表2.4 主要设备选型与概算表
table 2.4 lectotype of main equipment and budget estimate
序号
名 称
主 要 参 数
数量
单位
价 格
(元)
1
有机玻璃
100.00元/m 2
7
m 2
700.00
2
污水泵
1000.00元/台
3
台
3000.00
3
污泥泵
1000.00元/台
3
台
3000.00
4
曝气头
30.00元/个
3
个
90.00
5
空压机
1000.00元/台
1
台
1000.00
6
电动机
500.00元/套
1
套
500.00
7
超声波处理器
6000.00元/台
1
台
6000.00
8
管道
氯化聚氯乙烯管(cpvc)，30.00元/米
5
米
150.00
合计
本次设计的投资费用在由上述概算的基础上，再加上一些其它未预算的费用，大概工艺构建的投资费用合计14440+1000=15440(元)。
3 污水处理厂工艺理论性常规计算参照
以下述工艺计算的运行数据为参考，与超声波-缺氧/好氧处理工艺对照，计算剩余污泥排放量，研究超声波预处理活性污泥是否能达到剩余污泥减量化的效果，以及进一步探讨该创新技术运用于实际生产的可行性[7，10-12]。
表3.1 工艺计算参考数据
table 3.1 calculations in engineering technology for reference
名 称
主 要 参 数
名 称
主 要 参 数
污水流量
q=0.4m 3 /d
污泥回流比
r=0.75
活性污泥产率系数
y=0.6gvss/gbod 5
svi
80-120%
内源代谢系数
kd=0.08/d
bod去除率
85-90%
饱和系数
ks=60 g bod 5 /m 3
曝气池混合液相对密度
1.002-1.003
污泥泥龄
ts=2 d
mlvss /mlss
0.8
污泥负荷
0.3kgbod 5 /kgmlss∙d
mlvss
3200 mg/l
容积负荷
1.0 kg bod 5 / m 3 ∙d
溶解氧
2-3 mg/l
mlss
4000 mg/l
缺氧区溶解氧
<0.5mg/l
停留时间
3 h
曝气池ph
6.5-8.5
曝气时间
2-3 h
回流污泥悬浮固体浓度
9333.3mg/ l
进水平均水质：cod cr =600mg/l，bod 5 =280mg/l，总氮=77mg/l，氨氮=35mg/l，总磷=3.0mg/l.
出水平均水质：cod cr ≤70mg/l，bod 5 ≤20mg/l，ss≤30mg/l，氨氮≤5mg/l.
3.1 估算出水中溶解性bod5浓度
出水中bod5由两部分组成，一是没有被生物降解的溶解性bod5，二是没有沉淀下来随出水漂走的悬浮固体。以估计出水中含12mg/l总悬浮固体（tss），vss占65%来计算:
= 1 \* gb3 ① 悬浮固体中可生物降解部分为：
= 2 \* gb3 ② 可生物降解悬浮固体最终bodl量：
=11mg/l (1.42 污泥氧当量系数)
= 3 \* gb3 ③ 可生物降解悬浮固体的bodl换算为bod5：
=7.5mg/l
= 4 \* gb3 ④ 确定经生物处理后要求的溶解性有机污染物se：
（3.1）
3.2好氧硝化区容积设计
（3.2）
=[0.4 0.6 2 (280-12.5) ] 3200 (1+0.08 2) m³
≈0.05 m³
好氧硝化区容积各边约长0.37m ，取0.4m
3.3好氧硝化池的水力停留时间计算
（3.3）
=0.05 24 0.4 h
=3 h
3.4每天排出的剩余污泥量
= 1 \* gb3 ① 按表观污泥产率计算：
（3.4）
超声波流量计篇9
【关键词】倒车雷达;温度补偿;电噪声低;精度高
1.引言
我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。超声波发生器可以分为两大类：一类是电气方式产生超声波;另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等;机械方式有加尔统笛，气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡[1]。传播速度仅为光波的百万分之一，纵向分辨率较高。利用超声波检测距离设计比较方便，计算处理比较简单，可以达到日常某些精度要求不太高的场合。但是，在汽车的倒车雷达系统中，由于倒车速度如果过快，或光线不足、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下，容易出现误报、慢报车后障碍物距离，给车或障碍物造成不必要的伤害。故笔者提出一种采用DS28B20集成芯片的温度补偿电路，供给上述超声波测距系统中，改善了它的不足之处。
2.总体方案设计
超声波的发射电路有三种[2]：一种是通过使用三极管将单片机的发射信号进行放大而实现的;另一种是使用时基电路555来产生振荡信号的：第三种则是通过使用反相器将单片机输出地发射信号强度提高来实现的。
为了能够设计出精度较高，操作较简易且价格低廉的倒车雷达系统，综合各方面的因素，我们决定采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字实时显示，同时加上DS18B20温度传感器实现温度补偿，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，使用上述的第三种发射电路。该倒车雷达系统设计框***如***1所示：
***1 系统设计框***
***2 单片机系统及显示电路
硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、温度补偿电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分。
2.1 单片机系统及显示电路
单片机采用比较常用的AT89C52或其他兼容的系列。系统采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差[3]。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管。单片机系统及显示电路如***2所示。
2.2 温度补偿电路
稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件。而超声波在空气中传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响[4]。其中温度影响最大，超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为：
由泰勒公式将其展开，可得到近似计算公式：。
式中，T是环境摄氏温度（℃）。所以，温度每变化1℃，声波的速度变化为0.6m/s。可见温度对声速影响很大，测量时必须进行温度补偿。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围为-55～125℃。最大分辨率可达0.0625℃。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用了线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20温度传感器接法电路如***3所示：
***3 DS18B20温度传感器接法电路
2.3 超声波发射电路
超声波发射电路原理如***4所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40KHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，可以提高驱动能力。上拉电阻一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力;另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板超声超声波，这时它就是一个超声波发生器;反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同。
***4 超声波发射电路原理***
2.4 超声波检测接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距的超声波频率40KHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载;其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A 接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减少电噪声。
***5 集成电路CX20106A的接法电路
3.软件设计
倒车雷达的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。下面对倒车雷达测距器的算法、主程序、超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。
3.1 倒车雷达的算法设计
超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器接收到。这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。该距离的计算公式如下：
d=s/2=vt/2，其中d为被测物与测距器的距离;s为声波来回路程;v为声速;t为声波来回所用的时间。由2.2温度补偿电路的设计中知道，超声波的速度与温度有关[5]。表1列出了几种不用温度下的超声波声速。在进行测距时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
表1 不同温度下声速与温度关系表
温度/0℃ -30 -20 -10 0 10 20 30 100
超声波速度 313 319 325 331 338 344 349 386
表2列出温度补偿后不同声速与温度关系表，可以看出0℃以下基本相同，0℃以上最大误差不超过5%。
表2 补偿后声速与温度关系
温度/0℃ -30 -20 -10 0 10 20 30 100
超声波速度 313 319 325 331 337 343 349 381
3.2 主程序
主程序首先要对系统环境初始化，流程***如***6，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许为位EA并对现实端口P0和P2清0;然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于频率是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，所以当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式d=vt/2计算，即可得被测物体与测距器之间的距离。设计时取20℃时的声速为344m/s，则有：
d=（172T/10000）cm
其中：T为计算器T0的计数值。
测出距离后，结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
***6 主程序流程***
3.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率约40KHz的方波），脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言编程。倒车雷达主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。进入该中断程序后，就立即关闭计数器T0，停止计时，并将测距成功标志字赋值1，如果当计时器溢出时还没检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2，以表示本次测距不成功。
4.结论
本设计主要使用51单片机作为系统核心，加上温度补偿电路和超声波发射以及接受电路作为外设，实现一个比较高精度的，操作简单且价值低廉的倒车雷达系统。该系统经过在实验室中调试，测距范围为0.1～5m，最大的测量误差为1cm，实时播报与同步显示时间间隔小于2秒。我们在保证倒车过程安全的情况下进行调试，即不管倒车速度快或慢，或者人为制造环境因素（烟、雾、温度等），发现超声波的发射换能器（探头）和接收换能器（障碍物）必须与反射物体垂直，不然测出的距离都是超过测距器的测量范围的，这与我们制作的超声波测距器的硬件有关系。
参考文献
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超声波流量计篇10
1 引言
近年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。在无损探伤，测温，测距，流量测量，液体成分测量，岩体检测等方面，新的超声检测仪表不断出现，超声波广泛地应用在各种领域中。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。主要用于智能玩具车自动避开障碍物前进，汽车倒车时提醒司机后方是否有障碍物等，本文介绍的就是其在倒车测距中的应用。
2 总体方案的设计
2.1 方案论证
为研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一、是用电气方式产生超声波；二、是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同，目前较为常用的是压电式超声波发生器。所以在本设计中我们选择压电式超声波发生器。其利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。其内部结构***如***2.1所示：
2.2 系统分析与介绍
超声波倒车雷达在生活中应用广泛，非常具有实际意义，本系统要求倒车雷达的测量距离是0.1m～10m，精度小于±1cm；能显示距离且有语音播报距离功能；在不同距离用不用颜色的LED灯指示，提醒障碍物距离是处在危险距离、或是保持距离、或是安全距离；***2.2是系统整体框***：
本测距仪以ATmega16做为控制核心，用单片机定时器产生40KHz的方波信号，通过驱动电路把超声波发射出去，当单片机接收到接收器送回的信号后，计算出障碍物的距离，用LCD12864显示出距离，同时控制语音芯片APR9600播报距离。经过实验发现超声波测距仪能测量较远的距离时，就非常难测到0.1m短距离，为了能符合测距仪的要求，在系统中我们使用了两套超声波测距仪，一套做近距离测量，一套用于远距离测量；默认方式为远距离测量，当距离变小时就换用另一套来测量；语音芯片APR9600的并行录音最多只能分8段，无法满足要求，所以本系统也是采用两套一样的APR9600模块，总共16段录音，协同单片机完成声音播报功能。
2.3超声波测距仪原理
2.3.1测量原理
超声波是指频率高于20KHz的机械波。本设计中使用超声波探头来发射与接受，发射频率是40KHz。超声波发射器定期发出的超声波，遇到障碍物时就反射，反射信号经超声波接收并转化为电信号，让单片机测出发射与接收到时间差T，若超声波的传播速度为 C，则与障碍物的距离为：
由于超声波是一种声波，其声速与温度有关，C≈331.45十0.6* t，t为摄
氏温度，所以在实际应用中，要根据环境温度的变化，对声速进行补偿，以减小误差。
2.3.2超声波测距盲区分析
由于超声波测距仪的发射头和接收头之间一般安装得都比较近，超声波发射器发射信号后还有余震，如果处理不好此时接收器就会接收到的信号，从而测出不正确的数据，所以在发射器发射超声波后必须延时一小段时间，避免发射信号直接被接受器就收，而这一小段延时时间就引入一段无法测量的距离，即所谓的盲区。障碍物只有在盲区之外才能正确测量出距离。
3 系统硬件设计
3.1 主控MCU
本设计以ATmega16为控制核心，ATmega16是基于增强型低功耗8位 CMOS微控制器，它具有如下特点：具有16K字节的系统内可编程Flash，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O 口线，32个通用工作寄存器，8 路10位ADC，其相对传统51单片机硬件资源丰富。总共有40个引脚，其各端口的详细功能可以参考ATmega16芯片手册。
3.2 LCD显示
建立一个良好人机交换界面在近年来越来越重要，而LCD显示模块应用最为普遍，如我们平时使用得比较多的1602，12864等，本测距仪要求能显示中文字幕，故我们选择显示功能比较强大的点阵汉字***形显示模块LCD12864。它可以显示汉字和***像，与单片机有并行和串行两种连接接口，在本测距仪使用串行连接方式，只需连接RS、R/W、EN共三个控制引脚就可以完成显示功能。
3.3 语音播报电路
APR9600语音录放芯片是继美国ISD公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放32-60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段，与ISD同类芯片相比它具有：价格便宜，有多种手动控制方式，分段管理方便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点。
在本设计我们选择并行控制，分八段录音模式，由于需要录下“0-10”，“点”“米”总共13段录音，所以一片APR9600没办法实现，必须再加一片来完成13个声音的录音。为了节约单片机接口，我们采用74LS154译码器来完成对13段录音的播放控制，只用了单片机的4个I/O口。APR9600直接推动喇叭的声音比较小，为了需要较大的声音可以加一级音频功放，选用LM386集成功放对语音芯片输出信号进行功率放大。
3.4 超声波测距发射接收电路
3.4.1 超声波发射驱动电路
测距仪使用了两套超声波发射模块，一套小功率发射测量短距离，其发射部分驱动电路***如***3.4.1所示，一套大功率发射测量远距离，其发射部分驱动电路***如***3.4.2所示。
远近距离的测量发射模块在原理上基本上是差不多的，都是由单片机产生40KHz到方波，然后控制三级管的导通截至，使超声波能够起振，把超声波发射出去。三级管是电流控制器件，在放大区基级电流决定集电极和发射级的电流，在近距离测量发射模块中基级限流电阻是1K而远距离测量发射模块是560欧姆，可见远距离发射测量发射模块的发射功率较大。故能测量的距离较远。
3.4.2 超声波接收电路
两套超声波的差别仅是在发射部分到发射功率上，接收部分所用的电路原理元件参数都是一样的，原理***如***3.4.2所示。
***中的CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，其个引脚功能***表3.4所示，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。R2和C9是控制CX20106 内部放大增益，R6控制带通滤波器的中心频率，适当改变C9的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。
当超声波接收到信号后，经过CX20106放大、滤波、整形会在第7脚产生一个低电平，单片机用端口扫描法及时检查出该下降信号，马上停止定时器计数，读出计数值并转换为时间T，用公式2-3-1计算出障碍物的距离，式中C≈331.45十0.6* t（t是环境温度），然后在显示器上显示并播报数据。
3.3 温度补偿部分
超声波之所以需要温度补偿是因为超声波在空气中传播的速度受温度的影响比较大，为提高测量精度温度补偿是必不可少的部分，这里我们使用比较常见且易于控制的集成数字温度传感器DS18B20来测量温度。
4 软件设计
程序的总体思路：用定时器0和定时器2的比较匹配方式产生40KHz的方波，发几个周期驱动超声波发射电路，把超声波发射出去，此时打开定时器1从初值0开始计数，超声波接收电路一旦收到回波，立即停止计数，读出这个时候的计数值并换算出时间间隔，计算出障碍物的距离，如果在一定时间内没有扫描到低电平，就提示出错。在系统中我们用了两套超声波，定时器2是给远距离的测量发射电路提供40KHz的方波，定时器0是给近距离的测量发射电路提供40KHz的方波，在进入程序时默认使用远距离测量超声波收发模块，如果发现测量距离低于某个值就立即更换使用近距离测量超声波收发模块，同样如果近距离测量模块测得的数据大于某个值，就立即更换为远距离测量模块，如此协调工作，保证系统稳定，测量精确。
5 系统测试
连接好电路各部分，上电测试数据如下所示，测试条件1：室外、温度34.6摄氏度，40cm×40cm木板做为反射板，数据如表5.1所示。
参考文献：