水工艺仪表与控制

(一)简述超声波流量计的基本原理是什么?超声波流量计有什么特点?(50分)

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时，声脉冲以相同的速度（声速，C）在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样，顺流传输时间tD会短些，而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法（包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法）波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。按

照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法（透过法）、V 法（反射法）、X法（交叉法）等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大，多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度、浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法（听音法）是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质、流速分布情况、管路安装地点以及测量准确度的要求等因素进行选择。一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管轴不平行或管路安装地点使换能器安装隔受到限制时，采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道（例如双声道或四声道）来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM）

燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。

超声波流量计有如下特点：1、适用于各种管径气体流量的高精度计量。管径最大可达1600mm，流量和管径越大，精确度越高。100~1600mm 管径的超声波流量计，在较大流量条件下，其精度优于或等于被测流量的0.5%。 2、测量范围（量程比）很宽，一般为1：40~160。 3、重复性很高。 4、能实现双向流量计量。 5、流量计本身无压力损失。 6、可精确测量脉动流。 7、不受沉积物或湿气的影响。 8、所需上下游直管段较短，上游10D，下游3D。 9、不受涡流和流速剖面变化的影响。 10、可测质量流量。 11、不受压力、温度、相对分子质量、气体组分变化的影响。 12、可允许清管球自由通过。

13、系统本身有自我检测功能，能进行自检。 14、可忍受较长时间的超量程运行。

●微功耗、数字化设计。整机采用微功耗硬件及软件设计，对超声波信号进行数字发射、数字接收和数字分析，达到了全面的数字化设计，整机功耗小于0.3W。电池供电型整机功耗只有0.2mW。

●卓越的计量和管理功能。在软件设计上采用先进的分析和计算技术，保证准确的计量功能。另外设计了先进的管理功能，该系列仪表能在任何时间查阅前十年任何时候的仪表运行数据。

●灵活的维护性能。采用换向自适应技术，使该系列仪表能够自动消除测量过程的零点误差，并能够在维修过程中任意更换转换器和传感器，不影响测量准确度。

●汉字化技术。仪表的数据输入和测量过程显示全部汉字化，使操作者不使用说明书即可操作。

●插入式超声流量计：可不停产安装和维护。采用陶瓷传感器，使用我公司专用钻孔装置进行不停产安装。一般为单声道测量，为了提高测量准确度，可选择三声道。

●管段式超声流量计：需切开管路安装，但以后的维护可不停产。可选择单声道或三声道传感器。

●外夹式超声流量计：能够完成固定和移动测量。采用专用耦合剂(室温固化的硅橡胶或高温长链聚合油脂)安装，安装时不损坏管路。(超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表 )

(二)运用《水工艺仪表》所学试述生化需氧量测量的基本方法和原理是什么,以及各自测量方法优缺点(50分)

答：生化需氧量（BOD）测量的基本方法：五天培养法、检压法、库伦法、微生物电极法等。

五天培养法：水样经过稀释后，在（20±1℃）条件下培养5天，求出培养前后水样中溶解氧含量，二者的差值记为BOD5。如果水样的五日生化需氧量未超过7mg/L，则不必进行稀释，可直接测定。

检压法：将水样置于装有一个以CO2吸收剂小池的密闭培养瓶中，当

水样中的有机物被微生物氧化分解时，消耗的溶解氧则由气体管中的氧气补充，产生的CO2又被吸收池中的吸收剂吸收，结果导致密闭系统的压力降低，用压力计测出的压力降低值来求出水样中的BOD值，在实际测量中，先用葡萄糖—谷氨酸标准溶液校正压力计，即可从压力计中直接读出水样的BOD值。

微生物电极法：测定水中生化需氧量的微生物传感器是由氧电极和微生物菌膜构成,其原理是当含有饱和溶解氧的样品进入流通池中与微生物传感器接触,样品中溶解性可生化降解的有机物受到微生物菌膜中菌种的作用,而消耗一定量的氧,使扩散到氧电极表面上氧的质量减少.当样品中可生化降解的有机物向菌膜扩散速度（质量）达到恒定时,此时扩散到氧电极表面上氧的质量也达到恒定,因此产生一个恒定电流.由于恒定电流的差值与氧的减少量存在定量关系,据此可换算出样品中生化需氧量.测定水和污水中生化需氧量的微生物传感器快速测定法.该标准规定的生物化学需氧量是指水和污水中溶解性可生化降解的有机物在微生物作用下所消耗溶解氧的量.

库伦法：在减压法的基础上发展起来的，微生物氧化分解有机物所消耗的氧由电解产生的氧气来供给和补充，压差由导电溶液的继电回路自动控制。