我國屬于水資源相對匱乏且水量分配相當不平衡的國家,因此水利工程對于國民經濟的作用是十分重要的,發展水利是國家的基本國策之一,又因為水是不可再生的資源,所以科學用水是現階段水利水管單位的一項重要任務。大中型水利工程實現用水計量準確化是合理用水、科學管水的重要手段之一,因此準確測量過水斷面流量也是一項十分重要的技術課題。流量測量方法按照測量部位可分為管道測量和渠道測量,其中渠道測流的主要方法有流速儀法、量水堰法、示蹤法、容積法和超聲波法等。傳統的大型渠道測流方法是流速儀法,但是隨著電子技術和材料技術的飛速發展,使用超聲波法測量明渠流量已被大量應用于泵站自動化監控和現場檢測中。本文就超聲波流量計在大型渠道測流中的應用做簡單介紹。
1.流量計的原理和安裝
1.1工作原理
超聲波流量計的測流基本原理是基于聲波在流動介質中的傳播速度與介質速度成線性關系,當被測水流的流速在超聲波聲路(傳播)方向的分量不為零時,則超聲波信號沿該聲路正、逆兩個方向上的傳播時間不同,其差值與該聲程線上的平均流速成正比。
其計算公式如下:
?=[(T1-T2)/T1T2]*L/2cosθ (1)
式中: ?為流體速度,m/s;L為聲波在傳播路徑(聲路)上的長度,m;T1為聲波信號沿聲路逆向傳播的時間,s;T2為聲波信號
沿聲路正向傳播的時間,s;θ為聲波傳播方向與流體速度方向的夾角,(°)。
基于此原理,可以在測流斷面兩側同時安裝若干對換能器,測得若干聲路上的流速,每條聲路所測流速與對應的面積相乘,即可求得若干流量值,使之相加即可得整個過流斷面的流量值。其具體運算模式如下。
1.1.1底“面”的流量計算
QBot=ABot(1+F)/2 (2)
式中:ABot為在渠底(第1層)和zui下一個好聲路之間的斷面面積VA為從zui下一個好聲路計算出來的流速;F為渠底摩擦系數
1.1.2中間“面”的流量計算
QInt=AInt(Vi+Vi+1)/2 (3)
式中:AInt為在第i個好聲路與第i+1個好聲路之間的斷面面積;Vi為從第:個好聲路計算出的流速;Vi+1從第i+1個好聲路計算出的流速。
1.1.3頂“面”的流量計算
QTop=ATop(VNWTVs)/(1+WT) (4)
式中:Am為zui上一個好聲路與水面之間的斷面面積;VN為從zui上一個好聲路計算出來的流速;Vs為表面流速估計值,通過外推法利用zui上一個好聲路和下一個好聲路計算;WT為渠頂加權系數。
1.1.4斷面總流量計算
Q=S(QBot+>ΣQint+QTop) (5)
式中:S為流量標定系數,與測量所選用流量單位有關。
1.2儀器安裝調試
超聲波流量計的安裝調試主要包括換能器的定位、安裝和主機的安裝、信號電纜連接以及系統的調試等。
1.2.1換能器的安裝
換能器的安裝,首要的一點是定位,即在渠道兩邊找出安裝換能器的準確位置,通常采用激光經緯儀定位,換能器與渠道中心線的夾角(聲路角)一般選擇45°比較好。其次,安裝好換能器后,要準確測出換能器的實際安裝參數,即聲路長、聲路角、聲路高程以及水位計的安裝高程等。
1.2.2主機的安裝
主機的安裝主要是信號電纜(射頻電纜)和電源線的正確連接。信號電纜在鋪設時,電纜的兩頭一定要作好識別標記,以便在電纜與換能器和主機連接時不致于相互連接錯誤。電源線的連接主要是正確地選擇電源電壓,電源電壓不穩定時,應考慮采用穩壓電源。
1.2.3系統調試
第一步,輸入安裝參數,一般流量計均有良好的人機界面可以在“參數輸入”菜單下輸入實測的安裝參數。第二步,在渠道有水的情況(所有的換能器必須全部淹沒于水中)下,進行流量計自檢,然后檢查各聲路的工作情況,檢查應在靜水和動水的情況下分別進行,而且靜水檢查非常重要,因為此時流量計測出的水流流速應為零,可以間接的檢查流量計的準確性。
第三步,檢查流量計輸出的工作情況,如打印機、模擬量、開關量的輸出情況等。若一切正常,流量計便可進入正常的測量狀態。
1.3安裝注意事項
1.3.1測流斷面的選擇
使用超聲波流量計在大型渠道上進行測流,測流斷面的選擇十分重要。首先,測流斷面必須具有規則的幾何形狀,從流量計的工作原理可以知道,流量的計算是基于速度面積法,測流斷面的準確測量,直接關系到流量計的測量精度。其次,測流斷面前后的平直段需滿足有關測試規范和儀器使用說明書的要求,即在多聲路布置情況下,測流斷面上游應有大于10倍水面寬度的平直段,測流斷面下游有大于2倍水面寬度的平直段。
1.3.2聲路設置
在明渠上采用超聲波流量計測流,必須要有足夠的聲道數量,才能保證測量的精度。對于渠道水位變化較大的,為保證有足夠數量的工作聲路被淹沒,可考慮增加聲道數量;對于渠道兩側水流流態不均勻的,為減小橫流影響,應考慮采用交叉聲路布置。zui低聲路距離明渠底部及zui高聲路距離水面的zui近安裝距離應該是聲路布置時首先考慮的問題,因為當聲路距離反射體足夠近時,電子設備辨別不出到達檢波器的是直達信號還是反射信號,這將會影響測量精度,因此流量計給出了底部聲路和頂部聲路距底部和頂部所需zui小間距H的計算方法,其公式如下:
H=≈√LVs/2f (6)
式中:H為所需zui小間距;L為換能器間的聲路長,可測量得到;Vs為流體中的聲速,查表可得;f為聲脈中的載波頻率,與換能器型號有關。
確定底部聲路和頂部聲路的安裝位置后,使其他聲路均勻分布在底部和頂部中間即可。
2.流量計的測量誤差分析
根據BS/ISO748:1997《流速面積法》、ISOTR 5168:1998《誤差估算》、ISO6416(1992)《流量的聲學法測量》及ISO/TAG4《測量誤差導論》等相關標準的論述,應用超聲波法在大型渠道進行流量測量,其測量的不確定度主要來自以下誤差影響:
①渠道參數的測量及渠道結構的平整性;②水位測量;③淹沒聲路水流速度測定的不確定;④信號時間的不確定;⑤流速積分中的假設關系。
據此給出其測量誤差主要分量為:①水位測量誤差δ:主要指水位計誤差,與儀器精度有關。②斷面尺寸測量誤差δ2:指測量過流斷面寬度、深度、聲路高程、聲路長度等的誤差,可以通過多次測量計算得出。③時間信號測量誤差δ3:指流量計測量時差存在的誤差,引入流量誤差不超過±0.25%。④底
部積分誤差δ4:指測定底部聲路速度時的外推關系,引入流量測量誤差不超過±0.6%。⑤頂部積分誤差δ5:指測定頂部聲路速度時的外推關系,引入流量測量誤差不超過±0.8%。觀測誤差δ6:一般不超過±0.5%。
流量測量的總誤差δ取各分量誤差和方根合成,其計算公式如下。
δ=√δ1²+δ2²+δ3²+δ4²+δ5²+δ6² (7)
3.流量計測量結果的比測
在實際運用中,筆者曾在山西省萬家寨引黃工程和廣東省東深供水工程分別進行了明渠超聲波法與管道超聲波法之間和明渠超聲波法與流速儀法之間的流量比測。其中,管道超聲波流量計精度為±0.5%,流速儀法測試精度±2.0%。比測試驗表明,如果過流斷面為規則幾何斷面且上、下游平直段滿足流量計的換能器布置要求,或通過交叉布置消除橫流影響,并采用多聲路工作(四聲路以上),明渠超聲波法的測量誤差可以控制在±2%以下。
其比測結果分別如表1和表2所示。
4.結語
當前在大型渠道上測量過水流量使用較多的是量水堰法和流速儀法,通過實際測試結果顯示,在過水斷面規則平整的大型渠道上,應用超聲波法測流也可以得到比較準確的測量結果,并且具有安裝、調試簡便,通過與計算機實時聯接實現測試數據自動采集、記錄,可以進行實時檢測,也可以進行長期在線監測,有利于科學準確進行水量調度、分配、利用。因此超聲波法測流可以作為一種成熟的流量測量方法而進行推廣應用。