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

1、概況

近年來(lái)300MW、600MW發(fā)電機(jī)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(guò)熱事故較多，經(jīng)濟(jì)損失巨大，因此引起各方對(duì)定子水支路通流性檢驗(yàn)方法的廣泛重視。本文介紹的利用流量測(cè)量技術(shù)來(lái)檢測(cè)大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組冷卻水循環(huán)的智能超聲波流量計(jì)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(wèn)題。與傳統(tǒng)的接觸式流量計(jì)相比，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)可以不接觸流體進(jìn)行測(cè)量。由于非接觸測(cè)量方式無(wú)需將元件插入流體，因此不會(huì)改變冷卻水的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)管道內(nèi)的冷卻水也不產(chǎn)生附加阻力。

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

(3)檢測(cè)端小、牢固，不受粘附物的影響，維修簡(jiǎn)便。

(4)流速范圍廣，可測(cè)不同型號(hào)發(fā)電機(jī)冷卻水流速。

(5)讀數(shù)指示與所測(cè)流量成線性，便于直接讀數(shù)和記錄。

(6)發(fā)電機(jī)內(nèi)部存在強(qiáng)電磁干擾，其它種類(lèi)的傳感器無(wú)法在這種環(huán)境中使用，而超聲波由于是聲信號(hào)，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(jì)利用超聲波時(shí)差法測(cè)量流體流速，其原理如圖1所示。T1和T2是1對(duì)能同時(shí)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(guò)時(shí)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(guò)時(shí)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(shí)間差，

Δｔ=ｔ2 -ｔ1；

Ｋ———校正因子。

由于Ｃ、Ｄ和θ均已知，只要測(cè)出Δｔ就可計(jì)算出Ｖ和Ｑ。因?yàn)椋伺c流速Ｖ有關(guān)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定校正因子Ｋ，以對(duì)流速和流量進(jìn)行校準(zhǔn)。但由于Δｔ僅為 10ｎｓ左右，難以準(zhǔn)確測(cè)量，因此利用超聲多脈沖聲循環(huán)法對(duì)微小時(shí)間進(jìn)行累積，然后進(jìn)行精確測(cè)量。

智能超聲波流量計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其工作過(guò)程是：在上位機(jī)的控制下，單片機(jī)先對(duì)計(jì)數(shù)器清零，使開(kāi)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(dòng)脈沖，觸發(fā)超聲波換能器Ｔ1發(fā)射*1個(gè)超聲脈沖波，同時(shí)使計(jì)數(shù)電路開(kāi)始對(duì)周期為ｆ的高頻方波進(jìn)行計(jì)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(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整型，一部分返回代替同步信號(hào)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(jìn)入分頻電路進(jìn)行分頻。當(dāng)聲循環(huán)Ｍ次，分頻器滿并產(chǎn)生一信號(hào)，關(guān)斷高頻方波，使計(jì)數(shù)停止計(jì)數(shù)。同時(shí)單片機(jī)斷開(kāi)Ｋ1停止聲循環(huán)，讀取鎖存器中的順流發(fā)射聲循環(huán)計(jì)數(shù)值Ｎ1。然后單片機(jī)再對(duì)計(jì)數(shù)器清零，再使開(kāi)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(jì)數(shù)值Ｎ2。當(dāng)聲循環(huán)次數(shù)Ｍ足夠大，由于統(tǒng)計(jì)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(guò)換能器透聲斜楔、管圖2智能超聲波流量計(jì)系統(tǒng)壁等所需的時(shí)間以及電信號(hào)滯后的時(shí)間)之和是相等的，于是當(dāng)ｆ已知且固定不變時(shí)，根據(jù)上述公式可將2個(gè)計(jì)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(guò)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(shí)間差Δｔ。在換能器的環(huán)氧樹(shù)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(duì)整機(jī)性能影響很大。本流量計(jì)聲循環(huán)頻率達(dá)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(kāi)關(guān)速度慢，使得工作頻率只有幾ｋＨｚ，無(wú)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(hào)強(qiáng)度。如圖3所示，當(dāng)外加觸發(fā)脈沖時(shí)，ＭＯＳＦＥＴ導(dǎo)通，電容Ｃ迅速放電，產(chǎn)生一個(gè)高壓負(fù)脈沖，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射超聲波。

從發(fā)電機(jī)冷卻水引水管管壁上接收到的信號(hào)是一個(gè)微弱信號(hào)，為了使后級(jí)數(shù)字電路能直接處理該信號(hào)，要求整個(gè)接收放大器的增益高，尤其*1級(jí)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(gè)接收電路的頻率特性。

自動(dòng)增益控制可使小信號(hào)有較大的增益，大信號(hào)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(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)換，只需同一個(gè)閾值電壓相比較，因此，采用充分放大原理設(shè)計(jì)接收電路，其增益可達(dá)10 5(圖4)。

通常，換能器接收的信號(hào)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(hào)能無(wú)失真地放大，提高測(cè)量精度。對(duì)自行研制的接收放大器進(jìn)行測(cè)定，其幅頻特性如圖5所示。

3.3 單片機(jī)控制電路

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

圖中單片機(jī)89Ｃ5 1和譯碼器74ＬＳ139構(gòu)成計(jì)數(shù)板上鎖存器的片選信號(hào)，通過(guò)片選信號(hào)和Ｐ0口讀入計(jì)數(shù)值；單片機(jī)89Ｃ5 1、譯碼器74ＬＳ15 4和繼電器Ｄ1可切換檢測(cè)多個(gè)定子線棒支路間的超聲信號(hào)；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(jī)ＲＸＤ和ＴＸＤ引腳經(jīng)ＲＳ - 2 32電平變換，完成同上位機(jī)的通訊任務(wù)。

控制電路工作時(shí)，對(duì)換能器的收發(fā)切換時(shí)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(shí)，收發(fā)切換繼電器Ｄ2和Ｄ3同時(shí)動(dòng)作，則發(fā)射電信號(hào)直接竄入接收放大電路，就會(huì)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(hào)將發(fā)射端鎖住，在確定完成切換操作之后，才能打開(kāi)發(fā)射端。

4、軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的軟件包括對(duì)計(jì)數(shù)電路、收發(fā)切換電路等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的單片機(jī)編程和數(shù)據(jù)處理、打印等的上位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件使用80 5 1系列單片機(jī)的匯編語(yǔ)言編程，其流程如圖7所示。

上位機(jī)軟件主要完成與下位機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤(pán)、打印。上位機(jī)在Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境下實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使用Ｖｉ ｓｕａｌＢａｓｉｃ作為開(kāi)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(jī)軟件上，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jī)ＲＳＴ和Ｔ1端還連接一“看門(mén)狗”電路。軟件措施和硬件措施同時(shí)使用，*大地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

6、實(shí)際應(yīng)用

智能超聲波流量計(jì)在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，均取得了較滿意的結(jié)果，其靈敏度高，對(duì)流速的變化敏感，流速測(cè)量范圍為0.5～ 5ｍ/ｓ，整機(jī)精度達(dá)±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(jī)的定期檢修時(shí)，短時(shí)間內(nèi)就能方便可靠地完成對(duì)幾十路定子繞組冷卻水循環(huán)的檢測(cè)，而且判斷準(zhǔn)確，結(jié)果直觀。該流量計(jì)數(shù)字化、智能化，且正進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成適用于集散控制系統(tǒng)ＤＣＳ或現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)ＦＣＳ的現(xiàn)場(chǎng)智能檢測(cè)單元，具有開(kāi)放型數(shù)字通信能力，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。