超聲波流量計在低流速冷卻水流量測量的應(yīng)用

摘要：介紹一種*新研制成功的對大型汽輪發(fā)電機定子線棒的小管徑、低流速冷卻水循環(huán)進行非接觸檢測的智能化超聲波流量計。對其系統(tǒng)工作原理、硬件電路、軟件設(shè)計、抗干擾措施，實際應(yīng)用進行了較詳細的闡述。

1、概況

近年來300MW、600MW發(fā)電機由于定子繞組水支路引水管斷裂、管路中存在異物等，造成漏水或水路堵塞，由此造成定子繞組過熱事故較多，經(jīng)濟損失巨大，因此引起各方對定子水支路通流性檢驗方法的廣泛重視。本文介紹的利用流量測量技術(shù)來檢測大型汽輪發(fā)電機定子繞組冷卻水循環(huán)的智能超聲波流量計可直接判斷冷卻水的堵、漏，從根本上解決了定子繞組冷卻水堵塞問題。與傳統(tǒng)的接觸式流量計相比，其優(yōu)點如下：

(1)可以不接觸流體進行測量。由于非接觸測量方式無需將元件插入流體，因此不會改變冷卻水的流動狀態(tài)，對管道內(nèi)的冷卻水也不產(chǎn)生附加阻力。

(2)不受被測流體物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的影響，可測量導(dǎo)電流體、混濁流體等。

(3)檢測端小、牢固，不受粘附物的影響，維修簡便。

(4)流速范圍廣，可測不同型號發(fā)電機冷卻水流速。

(5)讀數(shù)指示與所測流量成線性，便于直接讀數(shù)和記錄。

(6)發(fā)電機內(nèi)部存在強電磁干擾，其它種類的傳感器無法在這種環(huán)境中使用，而超聲波由于是聲信號，可不受環(huán)境影響。

2、工作原理

新研制的智能超聲波流量計利用超聲波時差法測量流體流速，其原理如圖1所示。T1和T2是1對能同時發(fā)射和接收超聲波的換能器。*先T1發(fā)射超聲波，超聲波順流傳播，速度提高，經(jīng)過時間T1被T2接收；然后T2發(fā)射，超聲波逆流傳播，傳播速度減小，經(jīng)過時間T2被T1接收，則管道截面上流體的平均流速和流量應(yīng)分別為：

V=C2Tｇθ2ＫＤΔｔＱ =πＤ24 Ｖ

式中

Ｃ———靜止流體中的聲速；

θ———聲射線與管軸之間的夾角；

Ｄ———管道內(nèi)徑；

Δｔ———正逆發(fā)射傳播時間差，

Δｔ=ｔ2 -ｔ1；

Ｋ———校正因子。

由于Ｃ、Ｄ和θ均已知，只要測出Δｔ就可計算出Ｖ和Ｑ。因為Ｋ與流速Ｖ有關(guān)，實際應(yīng)用時，應(yīng)通過實驗確定校正因子Ｋ，以對流速和流量進行校準(zhǔn)。但由于Δｔ僅為 10ｎｓ左右，難以準(zhǔn)確測量，因此利用超聲多脈沖聲循環(huán)法對微小時間進行累積，然后進行精確測量。

智能超聲波流量計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其工作過程是：在上位機的控制下，單片機先對計數(shù)器清零，使開關(guān)Ｋ1閉合，Ｋ2合向下邊，然后控制同步電路發(fā)出同步啟動脈沖，觸發(fā)超聲波換能器Ｔ1發(fā)射*1個超聲脈沖波，同時使計數(shù)電路開始對周期為ｆ的高頻方波進行計數(shù)。該超聲脈沖順流傳播，至Ｔ2處被接收并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大、整型，一部分返回代替同步信號觸發(fā)Ｔ1再次發(fā)射超聲波，如此反復(fù)形成順流發(fā)射聲循環(huán)，另一部分進入分頻電路進行分頻。當(dāng)聲循環(huán)Ｍ次，分頻器滿并產(chǎn)生一信號，關(guān)斷高頻方波，使計數(shù)停止計數(shù)。同時單片機斷開Ｋ1停止聲循環(huán)，讀取鎖存器中的順流發(fā)射聲循環(huán)計數(shù)值Ｎ1。然后單片機再對計數(shù)器清零，再使開關(guān)Ｋ1閉合，Ｋ2 合向上邊，觸發(fā)換能器Ｔ2 發(fā)射。此次，Ｔ2 發(fā)射Ｔ1接收，形成逆流發(fā)射聲循環(huán)，同樣可得到逆流發(fā)射聲循環(huán)計數(shù)值Ｎ2。當(dāng)聲循環(huán)次數(shù)Ｍ足夠大，由于統(tǒng)計作用，上述2次聲循環(huán)的固有電聲延遲 (包括超聲波經(jīng)過換能器透聲斜楔、管圖2智能超聲波流量計系統(tǒng)壁等所需的時間以及電信號滯后的時間)之和是相等的，于是當(dāng)ｆ已知且固定不變時，根據(jù)上述公式可將2個計數(shù)值之差 (Ｎ2 -Ｎ1)換算成流體流速Ｖ和流量Ｑ。

3、硬件結(jié)構(gòu)

3.1 超聲波換能器

超聲波換能器選用ＰＺＴ壓電晶片制做。通過增大透聲斜楔的傾角并合理選擇其使用材料，可有效提高聲程差，增大正逆發(fā)射傳播時間差Δｔ。在換能器的環(huán)氧樹脂背襯材料中摻加顆粒度較大的鎢粉，使背襯具有較高聲阻抗，增加背襯阻尼，減小反射雜波，此外，在換能器中還加裝了匹配線圈，以減少超聲發(fā)射脈沖波中的雜波，提高換能器的接收靈敏度。

3.2 超聲波高速發(fā)射電路及高增益放大接收電路

超聲波發(fā)射和接收電路的優(yōu)劣對整機性能影響很大。本流量計聲循環(huán)頻率達30ｋＨｚ以上，而傳統(tǒng)的超聲波發(fā)射電路都是由可控硅構(gòu)成，開關(guān)速度慢，使得工作頻率只有幾ｋＨｚ，無法滿足要求，因此選用新型ＭＯＳ作為發(fā)射元件，不但提高了工作速度，而且還提高發(fā)射工作電壓，增大了發(fā)射信號強度。如圖3所示，當(dāng)外加觸發(fā)脈沖時，ＭＯＳＦＥＴ導(dǎo)通，電容Ｃ迅速放電，產(chǎn)生一個高壓負脈沖，驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射超聲波。

從發(fā)電機冷卻水引水管管壁上接收到的信號是一個微弱信號，為了使后級數(shù)字電路能直接處理該信號，要求整個接收放大器的增益高，尤其*1級放大器(前置放大器)的靈敏度高。此外，還要根據(jù)超聲波的頻率確定整個接收電路的頻率特性。

自動增益控制可使小信號有較大的增益，大信號有較小的增益，*后使各周波的輻值都變得一樣大。由于充分放大的后級信號轉(zhuǎn)換，只需同一個閾值電壓相比較，因此，采用充分放大原理設(shè)計接收電路，其增益可達10 5(圖4)。

通常，換能器接收的信號頻譜分量豐富，還要求有足夠?qū)挼慕邮针娐奉l帶，以確保信號能無失真地放大，提高測量精度。對自行研制的接收放大器進行測定，其幅頻特性如圖5所示。

3.3 單片機控制電路

單片機控制電路主要完成3種功能：(1)控制計數(shù)電路的工作時序；(2)完成收發(fā)換能器的切換；(3)將測量的流速值通知上位機(圖6)。

圖中單片機89Ｃ5 1和譯碼器74ＬＳ139構(gòu)成計數(shù)板上鎖存器的片選信號，通過片選信號和Ｐ0口讀入計數(shù)值；單片機89Ｃ5 1、譯碼器74ＬＳ15 4和繼電器Ｄ1可切換檢測多個定子線棒支路間的超聲信號；繼電器Ｄ2和Ｄ3等完成一組超聲換能器收發(fā)功能的互換；單片機ＲＸＤ和ＴＸＤ引腳經(jīng)ＲＳ - 2 32電平變換，完成同上位機的通訊任務(wù)。

控制電路工作時，對換能器的收發(fā)切換時序要求很高，這是由于發(fā)射元件的工作電壓高，如果發(fā)射電路正在發(fā)射超聲波時，收發(fā)切換繼電器Ｄ2和Ｄ3同時動作，則發(fā)射電信號直接竄入接收放大電路，就會損壞接收放大器。所以，在每次切換操作之前，必須用清零信號將發(fā)射端鎖住，在確定完成切換操作之后，才能打開發(fā)射端。

4、軟件設(shè)計

檢測系統(tǒng)的軟件包括對計數(shù)電路、收發(fā)切換電路等進行實時控制的單片機編程和數(shù)據(jù)處理、打印等的上位機軟件。下位機軟件使用80 5 1系列單片機的匯編語言編程，其流程如圖7所示。

上位機軟件主要完成與下位機的數(shù)據(jù)通訊，以文本和圖形2種方式顯示數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行存盤、打印。上位機在Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境下實現(xiàn)人機交互，使用Ｖｉ ｓｕａｌＢａｓｉｃ作為開發(fā)工具。

5、抗干擾措施

系統(tǒng)抗干擾主要從軟件和硬件2方面考慮。在單片機軟件上，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用指令冗余和軟件陷阱，將可能跑飛的程序拉回正常的序列中。在硬件方面采用合理的系統(tǒng)電路布局，考究的印刷電路走線和電源去耦，并盡量使用集成度高的芯片，在單片機ＲＳＴ和Ｔ1端還連接一“看門狗”電路。軟件措施和硬件措施同時使用，*大地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

6、實際應(yīng)用

智能超聲波流量計在實驗室和現(xiàn)場應(yīng)用中，均取得了較滿意的結(jié)果，其靈敏度高，對流速的變化敏感，流速測量范圍為0.5～ 5ｍ/ｓ，整機精度達±1%。當(dāng)配用外夾式換能器用于發(fā)電廠大型汽輪發(fā)電機的定期檢修時，短時間內(nèi)就能方便可靠地完成對幾十路定子繞組冷卻水循環(huán)的檢測，而且判斷準(zhǔn)確，結(jié)果直觀。該流量計數(shù)字化、智能化，且正進一步開發(fā)成適用于集散控制系統(tǒng)ＤＣＳ或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)ＦＣＳ的現(xiàn)場智能檢測單元，具有開放型數(shù)字通信能力，可實現(xiàn)在線實時監(jiān)測功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。