【关键词】明渠流量测量 ,超声波,脉动流,水位井

【论文摘要】着重介绍超声波用于明渠流量的基本原理，结合武钢江边水站明渠流量测量现场实际，讲述了流量测量系统的安装标定等问题，可供从事流量测量设计及现场维护检修人员参考。

1.前言

国家对武钢引用长江水按江心水站和江边水站水泵的能力收取资源费，因此对其水量进行计量，不但能使水费收取趋向合理，而且能为武钢的生产提供准确数据。根据技术中心及能源总厂的要求，武钢计控公司与有关单位科技人员共同努力，研制开发出多声路超声波流量装置，用于武钢江边水站明渠，测量水流量，系统经半年试运行，效果良好，达到预期目标。

2.测量基本理论

2.1 流速基本计算公式
由明渠基本理论，对于明渠恒定均匀流，已知沿水深方向有下列对数形式的点流速u的计算公式
 
式中，u——点流速
u*——摩阴流速
C——常数
H——断面水深
h——点流速处深度
△——渠壁绝对粗糙度
2.2 超声换能器工作原理
超声换能器测量工作原理，采用时差法进行测量。也就是通过测量超声波在“顺流”和“逆流”的传播时间差，求得该超声换能器所在流层的流速，再根据流速基本公式（1）和断面数据求得流量。如图1所示，在渠道内斜向设置一对超声换能器P1P2，设两换能器之间的距离为L，由其形成的声路路径和水流流向的夹角为θ。

 
当P1发射超声波，P2接收时，超声波的传播时间（正向传播时间）
 
式中，c——静水中的超声波流速　
u——流层流速

同理，当P2发射超声波P1接收时，超声波的传播时间（逆向传播时间） ： 

正向和逆向传播的时间差为：

因静水中的超声波速度与温度有关，根据（2）、（3）两式将c用t1和t2替代得

由（5）式可见，只要能测出超声波正向和逆向的传播时间t1和t2，就能计算换能器所在的流层的流速u，进而与已测得的其它流层的流速一起，计算流量。

2.3 测量方法
根据上述测量基本理论，结合现场实际，决定对每条渠道采用四组超声换能器进行流速的测量，一台超声水位计测量水位。流速换能器、水位井及水位计换能器在水渠中的安装位置见图2。在测量出水位和各流层的流速后，可由下式计算出断面平均流速。
 
 
式中，ui——某流层流速
Ki——加权系数

由平均速度计算流量
： 


式中，b——渠道断面宽
h——断面水深
 
图中1、2、3、4、5、6、7、8示意水渠中换能器安装位置。数字9为水位井及水位计超声换能器安装位置。1～5；2～6；3～7；4～8号换能器分别组成4个互为发射接收的层流速测量组，分别测量不同层面的流速。图中H示意水位方向，S示意水流方向。
2.4 本测量方式的特点
（1）可较大范围地测量流量，当渠道通过流量较小，水位较低时，可以测量，当渠道通流量较大，水位较高时，也可以测量。
（2）可适应流态畸变，当流量发生变化，或者受到扰动时，断面流速分布曲线将发生变形，即流态畸变，4组换能器可接收较多的信息。
（3）测量量程宽，精度高，一条渠道采用4组换能器，可保证渠道中不同水位，不同流速时测量精度不变。

3.现场安装与调试

江边水站有两条水渠，在两条渠道上有调度控制闸、堤前闸、堤后闸。该渠建于地下，穿过大堤流入内河，在长江水位低于内河水位时，江边水站9台机组中的2～4台将江水抽入两条水渠中，排入内河，在长江水位高于内河水位时，江水经调度控制闸控制，通过这两天条渠直接将江水排入内河，渠中水量可以通过机组或调度控制闸控制，两条水渠全长187.9m，渠道断面2m×4m×3.5m，堤前闸至堤后闸间的直线渠道85m。根据两条水渠的具体情况，超声波流量计换能器安装在堤前闸和堤后闸之间靠近堤后闸直渠道内。流量计操作室建在大堤内堤后闸井旁。这样的选择满足了设备安装的技术要求，同时也保证了设备的安全运行与维护。明渠流量现场安装示意见图3。
 



3.1 现场安装造成测量误差的因素
（1）测量断面上几何参数测量不准。
①声路长L测量不准；
②声路角φ测量不准；
③渠道截面积S测量不准。
(2)流态分布畸变引起的测量误差。
(3)脉动流引起水位的测量误差
3.2 安装中对误差控制所采取的措施
(1)采用科学的安装方法和准确的测量工具，保证换能器的准确定位。
①应用经纬仪在渠道内进行换能器定位，使声路角φ的测量误差控制在0.01°以内。
②在渠道内用专用测量工具实测量路长，使声路长的测量准确度达到毫米级。
③在测量多个断面上测量渠宽，求平均值，以保证截面积计算正确。
(2)选择最加测量点
在换能器上下游选取足够长的执行段，以保证测量区流态稳定，理论上通常上游取10个渠宽，下游取1个渠宽。在实际安装中，换能器上游执行段约大于15个渠宽，下游约大于2个渠宽。优于理论取值。
3.3 解决流速脉动问题
(1)建立水位井测量水位的高度，有效控制水流表面波引起的高度测量误差。
(2)超声波流量计没有机械惯性，可以快速采样，用多次采样平均计算出的流量可以消除流速脉动造成的问题。

4　流量系统的现场标定

依照武汉钢铁(集团)公司技术操作规程(B标准)、Q/WGB503220301――96A技术标准，对江边明渠流量测量系统进行了现场在线标定，其方法是：江边水站开一台水泵，将0.5级标准超声波流量计安装在水泵进水管上与明渠流量计同步测量流量，取相同时区的流量平均值进行对比，结果证明系统测量误差达到设计要求，满足了武钢生产和生活用水调度的要求。

5　结 语

超声波用于大断面明渠流量测量，现有理论充分，但真正用好测准并不容易，通过这次实践，主要体会如下：
（1）要根据测量对象及现场实际情况有针对性地制定测量方案，才有可能达到测量目的，满足测量要求。
（2）选准测量位置，要充分保障测量点上下执行段的长度，以保证测量点流态稳定。
（3）精确校准测量系统各通道的传输延迟时间，正确设定测量系统内部参数。
（4）精确测量执行渠道断面的几何参数，换能器的安全位置，牢固安装水下设备