超声波流量计在输水明渠的应用

工控摘要：水是经济社会发展的重要战略性资源之一。加强对水资源的计量管理对水资源的科学管理有着重要的意义。本文通过对天津市引滦隧洞管理处进口水文站的瑞士产超声波流量计与流速仪测流两种计量手段的分析对比。验证超声波流量计的流量测验精度，推广超声波流量计在输水明渠的测验经验。

1、实验测站简介

天津市引滦隧洞进口水文站是天津市引滦工程输水渠道上的*个水文站，肩负着引滦输水计量任务。设立于1983年8月，1994年3月经天津市*批准为国家二级水文站，进行水位观测和流量测验。进口水文站与大黑汀水文站共用个测流断面，同时进行观测，以保证输水计量的精度和一致性。现在的测流断面位于大黑汀水库分水闸下200m的人津渠明渠段，始建于1994年底。断面上游为弯道，断面处在弯道以下100m处的平直渠道上，其下为隧洞暗渠进口。

输水明渠为砼矩形渠道，测流断面处渠宽5.7m，一般输水时水深3～4m。测流断面形状规整，无冲淤变化。

2、瑞士产超声波流量计测流原理及方法

设超声波在静水中传播速度为C，声路长为Lw，水流速度平均速度为。

进口水文站明渠两侧分别装有八个换能器（探头），换能器为压电晶体，压电晶体具有声能和电能相互转换的特性，处理单元发送一个电信号给换能器1，换能器1把电能转换为超声波，换能器2接收到超声波时，它能立即产生一个电动势送到处理单元，处理单元便可测出超声波的顺流传播时间t12，同理当换能器2发射超声波时，换能器l接收，可计测出超声波的逆流传播时间t21。

当换能器1向换能器2发射超声波时（顺流），超声波在顺流中的曲1为静水流速加上水流速度分量。

即V1=c+1cosφ

当换能器2向换能器1发射超声波时（逆流），超声波在逆流中的速度v2为静

水流速减去水流速度分量。即V2=c-cosφ。

根据声路长Lw，可计算出超声波顺流传播时间t12=Lw/v1

超声波逆流传播时间t21=Lw/v2

根据顺流，逆流的传播时间可计算出传播时间差，然后设备根据该时间差可计算出水流的平均流速

为了减少不确定的流速剖面，同时为了即使在恶劣的流态条件下也能获得高精度的流量数据，进口水文站采用多声路配置。进口水文站共设置了8个声路，在正常水位下能够全部工作。

在多声路测量中，使用“平均断面法”，即测量从水表到渠底之间的若干层的流速进行平均，总流量Qtot~根据下列关系式得出：

底部流量Qbottom是指zui低声路之下的底部面积乘以底部流速得出的流量，其中底部流速是指通过渠底摩擦系数校正过的zui低声路流速；顶部流量Qtop是指zui高声路之上的顶部有效面积乘以顶部流速Vtop得出的流量，V（zi）代表第i路的流速，A（五）代表第i声路之下的横截面积。

3、使用流速仪测流方法

进口水文站的主要测验设备为日记式自记水位计和流速仪测流缆道（跨渠钢梁悬杆缆道）。悬杆缆道有定位准确、无偏角影响、仪器不受干扰等优点，其测宽、测深和流速仪定位误差均控制在1cm之内。规整的砼矩形断面无冲淤变化，悬杆缆道定位准确，易于将测宽和测深误差控制在允许范围内。保证了测验精度。进口水文站一直采用五条垂线、每条垂线上五个测点的方法。测点历时lOOs，保证了流量测量的精度。流量测验中按《河流流量测验规范））GB50179—93执行。根据实测流量，绘制水位流量关系曲线。进口水文站水位流量关系基本保持稳定。日输水量采用自记水位计摘录后面积加权法计算。

4、两种测验成果比较

从理论上讲超声波流量计测量原理与传统的转子式流速仪法基本相同，都是将测流断面而分成若于个子断面，在每个子断面内分别测量垂线处多点流速并测量水深、从而得到子断面内的平均流速和流量.再将各子断面的流量叠加得到整个断面的流量。但不同的是转子式流速仪测流时间长。修定水位*量关系曲线后，水位与流量成单一对应关系。而超声波测流时间快，每秒就测出一个流量。在一个水位就有多个流量，且多个流量间不断发生变化。单就流量对比很难说明问题。但我们可以通过一段时期l的输水量进行对比。通过对天津市引滦入津隧洞进口水文站2007年下半年的一次输水过程的两种测验手段测得的水量比较.从中可以看出两种测验手段测得的日输水量相对误差相当小，在0.3-3％之间。整个通水过程（2007年10月10日一2007年12月7日）总量的相对误差为1.64％。

5、结语

本次比测研究结果表明：由瑞士产超声波流量计测得的输水量，与转子式流速仪和日记式水位算得的流量相对误差为1.64％。达到水文站的测验精度要求。超声波流量计的测流原理及应用方式具有广泛的应用前景，可以相信，随着科技的进步和新测流技术标准的出台，超声波流量计能够在水文测验中广泛应用，充分发挥其“快速、准确、及时、安全的优点，势必加快水文现代化的步伐，为今后水资源管理，为防讯抗旱、合理开发、利用、管理水资源和保护水环境发挥重要作用，对促进国民经济建设和社会发展具有可利用的价值。