1 引言

 

    超聲波測(cè)流是一門新興的測(cè)量技術(shù)。近年來，隨著大型灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快，利用超聲波流量計(jì)測(cè)量明渠渠道的過水流量，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量水的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在許多地方得到越來越多的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的大型明渠渠道測(cè)流方法通常采用流速儀法，因此對(duì)超聲波法測(cè)流與流速儀法測(cè)流進(jìn)行比較研究非常必要。

 

    2 超聲波法測(cè)流

 

    2.1 超聲波流量計(jì)的時(shí)差法測(cè)流原理

 

    用超聲波來測(cè)量流體的流量實(shí)質(zhì)上是測(cè)量流體的流速。當(dāng)流體流速向量與聲波方向平行時(shí)，聲波的波速將發(fā)生變化，即當(dāng)聲波向下游傳播時(shí)波速增加，聲波向上游傳播時(shí)波速降低。在明渠中，一定高程的流體平均流速是通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)換能器之間傳播的歷時(shí)差來確定的。

 

    超聲波流量計(jì)的時(shí)差法測(cè)流布置如圖1所示，在渠道兩側(cè)水下某深度處，相對(duì)地斜向裝置一對(duì)電聲可逆的換能器，其間距為L(zhǎng)，該層水流平均速度為v，水流方向與AB的夾角為θ，水流在AB方向的分速度v1，v1=vcoθs，超聲波在靜水中傳播速度為C。

    如果上游換能器A作為發(fā)射器向渠道對(duì)側(cè)發(fā)射超聲波（即順流），經(jīng)T1時(shí)間后，被作為接收器的下游換能器B所接收，此時(shí)超聲波的速度是C+v1，超聲波在水流中的傳播歷時(shí)為

 

    （1）

 

     反之，若以B作為發(fā)射器，A作為接收器（即逆流），在相同的水流速度影響下，超聲波的速度應(yīng)是C-v1，其傳播歷時(shí)T2為

 

   （2）

 

 

 

圖1 時(shí)差法測(cè)流原理

 

    靜水中超聲波波速C受水溫、壓力和水中雜質(zhì)含量的影響，故將式（1）、（2）整理得某一水層平均流速：

 

    （3）

 

    式中：為常數(shù)，只要測(cè)出順流和逆流傳播時(shí)間T1、T2就能求出v，式（3）就是時(shí)差法測(cè)流速的基本原理。根據(jù)測(cè)得的水層平均流速，即可計(jì)算出全斷面的流量。

 

    2.2 流量計(jì)算

 

    大型明渠渠道水面寬、水深大，其流速縱橫變化較大，一般采用多聲道超聲波流量計(jì)進(jìn)行分層測(cè)流。如圖2所示，沿渠兩側(cè)安放多對(duì)換能器（由聲道數(shù)決定），測(cè)得若干聲道上的平均流速vi，計(jì)算各部分流量，使之累加即可求得整個(gè)斷面的流量。

 

    聲道斷面流量  （4）

 

    渠底層流量   （5）

 

    水面頂層流量  （6）

 

 

 

圖2 分層測(cè)流

 

    式中：Ai—第i好聲道與第i+1好聲道之間的斷面面積；vi為從第i好聲道計(jì)算出的流速；vi+1為從第i+1好聲道計(jì)算出的流速；Ab為渠底和最下一個(gè)好聲道之間的斷面面積；At為最上一個(gè)好聲道與水面之間的斷面面積；v1、vn分別為最下、最上一個(gè)好聲道的流速；vs為表面流速估計(jì)值，通過外推法利用最上一個(gè)好聲道和下一個(gè)好聲道計(jì)算；F為渠底摩擦系數(shù)；Wt為渠頂加權(quán)系數(shù)。

 

整個(gè)斷面的流量Q為： （7）

 

    為保證測(cè)量精度，在明渠上采用超聲波流量計(jì)測(cè)流時(shí)，一要使測(cè)流斷面前后有足夠的平直段，二要有足夠的聲道數(shù)量。對(duì)于渠道水流流態(tài)不均勻的，可考慮采用交叉聲路布置。對(duì)于渠道水位變化較大的可考慮增加聲道數(shù)量。

 

    3 流速儀法測(cè)流

 

    流速儀法測(cè)流是國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的方法，也是最基本的測(cè)流方法。同時(shí)，到目前為止，因無更先進(jìn)的儀器設(shè)備，該方法也是評(píng)定和衡量各種測(cè)流新方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。流速儀法測(cè)流基于速度面積法，測(cè)流時(shí)必須在斷面上布設(shè)測(cè)速垂線和測(cè)速點(diǎn)，以測(cè)量斷面面積和流速，測(cè)速方法一般采用積點(diǎn)法。

 

    3.1 選擇斷面，確定測(cè)線及測(cè)點(diǎn)

 

    測(cè)流斷面的選擇十分重要。測(cè)流斷面應(yīng)選擇在渠段平直、水流均勻、無漩渦或回流的地方，前后平直段應(yīng)滿足測(cè)試規(guī)范的要求（大于20倍水面寬度），斷面與水流方向垂直。測(cè)速垂線及測(cè)點(diǎn)數(shù)目應(yīng)能充分反應(yīng)橫斷面流速分布。

 

    目前，我國(guó)對(duì)測(cè)速垂線數(shù)目的規(guī)定主要根據(jù)渠寬和水深而定，干、支渠水面寬5～15m時(shí)，可設(shè)5～9條測(cè)速垂線。垂線上測(cè)速點(diǎn)的數(shù)目主要考慮測(cè)流精度要求，水深為1～3m時(shí)，流速分布不均勻，可采用三點(diǎn)法、五點(diǎn)法或六點(diǎn)法施測(cè)。

 

    3.2 平均流速計(jì)算

 

    測(cè)流的過水?dāng)嗝嫫骄魉偌傲髁坑?jì)算參考水利部《灌溉管理手冊(cè)》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。為提高測(cè)流精度，測(cè)線平均流速Vm均采用六點(diǎn)法計(jì)算：

 

  （8）

 

    式中：v0.0、v0.2、v0.4、v0.6、v0.8、v1.0、分別代表垂線流速分布曲線水面、相對(duì)水深為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m及河底的測(cè)點(diǎn)流速。

 

    渠邊部分平均流速   （9）

 

    式中：vm1、vmn分別為自渠邊起第一條、最末一條測(cè)線平均流速；a為渠邊流速系數(shù)，通常斜坡渠邊取0.70，陡坡渠邊取0.80。

 

    3.3 流量計(jì)算

 

    斷面流量Q為各部分流量的代數(shù)和

 

   （10）

 

    4 測(cè)流比較

 

    4.1 測(cè)流地點(diǎn)的確定

 

    測(cè)流地點(diǎn)選在昌樂縣高崖水庫(kù)灌區(qū)。在總干渠高崖與唐吾分界處徐家廟監(jiān)測(cè)站，渠道約有5km長(zhǎng)恰好沿公路西側(cè)筆直布置，混凝土板襯砌，渠底寬7m，邊坡為1∶1.5，流量Q=3.0～14m3/s，水深h=1.0～2.0m。該渠段符合明渠超聲波流量計(jì)的安裝要求及流速儀的布置。

 

    4.2 測(cè)流比較方法

 

    測(cè)流比較采用流速儀法與超聲波法同步測(cè)流的方法。為保證測(cè)流結(jié)果的可靠性，測(cè)試流量的范圍從渠道最小流量到最大流量，進(jìn)行多個(gè)工況的測(cè)流比較。

 

    徐家廟監(jiān)測(cè)站水面較寬，約在10～12m，本次實(shí)測(cè)采用3部旋漿式流速儀，6人3組同時(shí)測(cè)量。斷面設(shè)8條測(cè)速垂線，從渠道中間向兩側(cè)每隔1.1～1.4m設(shè)一條，在每條測(cè)速垂線上設(shè)2～6個(gè)測(cè)速點(diǎn)。為提高測(cè)量精度，每一部流速儀每一測(cè)次的測(cè)量時(shí)間不小于120s，每一個(gè)工況點(diǎn)測(cè)取3～4組讀數(shù)，最后取其算術(shù)平均值作為測(cè)試結(jié)果。

 

    超聲波流量計(jì)選用一臺(tái)韓國(guó)進(jìn)口明渠超聲波5聲道流量計(jì)，它由10只超聲波流速傳感器構(gòu)成5個(gè)聲道和一套聲波水位計(jì)組成，精度±1.0%。明渠超聲波流量計(jì)實(shí)際安裝占用渠段長(zhǎng)7m，監(jiān)測(cè)站內(nèi)同時(shí)安裝二次儀表、數(shù)據(jù)采集等其它設(shè)備，水深、流速、瞬時(shí)流量、累積流量實(shí)時(shí)直接監(jiān)測(cè)測(cè)出。正式測(cè)流前對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行了調(diào)試，主要是在渠道有水的情況（所有的換能器必須全部淹沒于水中）下，進(jìn)行流量計(jì)自檢，然后檢查各聲道的工作情況。檢查在靜水和動(dòng)水的情況下分別進(jìn)行，而且靜水檢查非常重要，因?yàn)榇藭r(shí)流量計(jì)測(cè)出的水流流速應(yīng)為零，可以間接地檢查流量計(jì)的準(zhǔn)確性。一切正常后，流量計(jì)便可進(jìn)入正常的測(cè)量狀態(tài)，在最大測(cè)流工況時(shí)5聲道工作，最小測(cè)流工況時(shí)為3聲道工作。明渠超聲波流量計(jì)測(cè)流結(jié)果采用與流速儀法對(duì)應(yīng)測(cè)流時(shí)段的累計(jì)水量值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

 

   （11）

 

    式中：Q/為明渠超聲波流量計(jì)測(cè)得流量值，m3/s；△G為與流速儀法測(cè)流時(shí)段對(duì)應(yīng)的超聲波流量計(jì)累計(jì)水量差值，m3；△T為與流速儀法測(cè)流時(shí)段對(duì)應(yīng)歷時(shí)，s。

 

    4.3 測(cè)流結(jié)果

 

    流量測(cè)試結(jié)果表明，兩種測(cè)流方法絕大多數(shù)工況的流量相對(duì)偏差小于-2%。且超聲波法測(cè)量值均小于流速儀法測(cè)量值。其中部分測(cè)試結(jié)果見表1。

 

 

 

    5 結(jié)語

 

    通過兩種方法的實(shí)測(cè)可以看出：超聲波測(cè)流技術(shù)測(cè)量精度高，方法簡(jiǎn)單，操作安全，不影響渠道水流狀態(tài)，可直接與微機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)傳送，為灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和現(xiàn)代化管理打下了基礎(chǔ)。因此隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和遙測(cè)設(shè)備的不斷完善，灌區(qū)量水將最終實(shí)現(xiàn)用水管理的信息化、自動(dòng)化和智能化，超聲波測(cè)流技術(shù)一定會(huì)作為準(zhǔn)確測(cè)量明渠流量的一種方法加以推廣應(yīng)用。

 

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