淺談超聲波明渠測流儀在扁擔溝揚水灌區的應用

摘要：農渠測流技術是計量農業用水的一項基本技術，長期以來，在農田灌溉中一直采用傳統的機械流速儀配合渠道斷面測量渠道水量，計算十分不便。近年來，寧夏吳忠市扁擔溝揚水灌區采用超聲波測流儀，在標準斷面上，可以同時測得水位、水流等數據進行無線或有線的實時傳輸，方便技術人員對數據的采集和計算，現就超聲波明渠測流儀的應用進行闡述。

關鍵詞：超聲波測流儀 應用

1 多普勒超聲波測流儀主要功能

多普勒超聲波在水利測量中應用越來越廣，扁擔溝揚水灌區在渠道水量測量中選擇了HOH-L-01多普勒超聲波明渠測流儀。該設備可同時測量渠道平均流速、水深、水溫，對窄渠道測流精度高。可實現遠程無線、有線和人工直接取集三種數據采集方式。其技術指標為：流速量程：21mm/s到5000mm/s。準確度：測量流速的±1%。分辨率：1mm/s。溫度量程：0℃到60℃。分辨率：0.2℃。水位量程：0到5m。分辨率：1mm。準確度：測量水位的±0.5%。電源：12V DC/220AC。輸出接口：標準RS232、RS485。數據儲存容量：每10分鐘采集一條記錄，可以存儲超過半年的數據。運行溫度：0℃到60℃水溫。

1.1 水溫測量：其中水溫測量使用溫度探頭，溫度探頭不與水接觸，緊貼儀器外包裝材料頂部，需要置于水底一定時間后才能反映實際水溫。測水溫的目的是校正超聲波在水中的速度，并修正壓力傳感器所測得的水位值。

1.2 水深測量（過水斷面面積）：水深測量使用壓力傳感器，置于儀器底部，其探頭感應部位與水直接接觸；水深測得后，通過渠道段斷面形狀可求得過水斷面面積。

1.3 平均流速測量：流速的測量是通過超聲波探頭（換能器）發射與接受超生波信號并做相應的計算處理而獲得的：換能器1發射頻率為f1的超聲波信號，以一定角度由水下向水面發射，在碰到水中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發生偏移，并以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒將就，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。設流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v。水中會有大量的雜質顆粒與氣泡，每一個反射粒子對應一個多譜勒頻移fd，通過換算可求得其流速，這些大量粒子的平均流速也即流體的平均流速。通過測得的平均流速及水位及斷面尺寸，可求得斷面流量。

2 設備安裝條件及安裝流程

2.1 安裝條件 設備適用于渠道或河流的流量計量，適合各種水質：城市污水、工業廢水、灌溉用水、飲用水、海水。

2.2 安裝流程

2.2.1 探頭的安裝 探頭應安裝于具有固定斷面的渠道順直段下游，順直段長度最好是渠道水力半徑的5-10倍（順直段越長測量精度越高），且這一距離范圍內不得有過流阻擋物（如水閘、堰等），以保證探頭前端水流流態的均勻穩定。探頭應盡量安裝于靠近渠底，當渠底有雜質沉積及水草生長或滾動的卵石時，可抬高安裝位置以避開渠底沉積物與水草覆蓋探頭或卵石沖撞探頭；探頭距渠底的具體高度最好為100mm-250mm，具體視渠道的最低測流水位而定。當渠道水深較高且具有一定的最低水位時，為了安裝方便只要將探頭安裝于最低水位以下0.5倍處即可。探頭在渠道橫斷面處的安裝位置一般如下（渠寬在20m以下）：對矩形斷面安裝于渠寬的0.15-0.2倍處；對梯形斷面則安裝于坡腳處，如圖一，對于寬度較大的渠道，需安裝2臺或2臺以上的探頭，具體位置要視渠道寬度及橫斷面上的流態分布而定。

2.2.2 安裝方法： 探頭安裝應完全平行于渠底（注意不是水平），如圖二，同時保證與水流方向平行一致，探頭前端（沒有通信電纜的一端）逆水流方向并與水流方向夾角為180度，并且不得有阻擋物干擾水流流態，通信電纜線最好從探頭的下游沿渠底及渠道邊坡引出水面或從安裝支架的鋼管內引出水面。

對于可完全斷水的渠道，可將固定探頭的支架（固定支架可在當地定做，與探頭連接部分最好用不銹鋼板及螺栓）直接固定于渠底；對于不能完全斷水且上游關閘后仍有較高水位不便水下作業的渠道，可將支架固定于渠臂上。固定于渠臂上的支架有兩種方式：簡易支架與組合支架。簡易支架主要為一根彎曲的鋼管或度鋅管，底部焊接一水平鋼板以固定探頭，豎立管通過鋼片橫翼固定于渠臂上；組合支架由底座與可拆卸部分組成，探頭安裝于可拆卸部分上，底座一次性固定安裝于測流斷面處（通過上游臨時關閘降低水位后，用膨脹螺栓固定于混凝土邊坡上），可拆卸部分通過水面上的螺栓與底座相連接固定，這樣便于今后對探頭的檢修與更換。

2.2.3 通信電纜的安裝 通信電纜應沿著渠底及渠壁由探頭下游方向引出水面，最好套PVC管進行保護并沿程固定；當用臂式支架固定探頭時，通信電纜線可沿支架的空心鋼管引出水面。

探頭所自帶的一段通信電纜線內有通氣導管，因此注意不得將其彎折。當通信電纜線引出水面后，可接普通的電纜線，此時應使通氣導管開口方向朝下，并用透氣膠布進行保護，防止水及異物進入通氣管。

通信電纜線固定安裝好后，需與終端機通過“轉接線”相連接，“轉接線”的四芯電線分別為：黃色是電源正，蘭色為電源負，紅色是數據線A，黑色是數據線B（對應通信電纜線中的電線為：紅黑線合并為電源正，屏蔽網線為電源負，其余兩根為R485數據線的A與B）。

2.2.4 終端機的安裝 終端機應固定豎立于管理房或微型工作間內，注意防水防潮。終端機與探頭所帶通信電纜通過“轉接線”連接；終端機與通訊儀或電腦連接時，需要使用“輸出輸入數據線”。“輸出輸入數據線”有R232與R485兩種模式，當使用沒有串口的筆記本電腦去現場取數時，需自配R232轉USB的轉接頭。

3 監控軟件

監控軟件有兩種：現場監控軟件與無線監控軟件，現場監控軟件安裝于筆記本上，通過筆記本與流量計終端機的標準R232或R485輸出輸入接口直連來進行測量歷史數據的讀取及終端機工作參數的設定；無線監控軟件安裝于上位管理機上，通過無線通訊設備來進行實時測量數據的讀取及終端機工作參數的設定。

4 日常維護

①探頭維護 探頭前端的兩個圓形超聲波收發裝置應避免硬物撞擊或劃傷，在不用時應使用軟套保護，當其上面附著異物時應用清水沖洗或軟布輕察；底部的壓力傳感器位于網狀透水孔內，其壓力膜非常嬌氣，不得用硬物去接觸，在儀器脫離水面不用時也應加以保護，在透水孔周圍附著異物時應小心除去。②電池維護 電池在無電源供電時應至少1個半月充放電一次。③終端機維護 終端機應置于干燥處，在現場條件較潮濕時應注意防潮，可用塑料薄膜封裝。

5 注意事項

①通信電纜線由于里面含有通氣管，所以不能彎折過度，防止其折斷。②通信電纜線里面的通氣管與探頭里面的電路板相通，不能進水，安裝時應使通氣管末端開口朝下，防止潮氣結水后沿管壁流入探頭電路處。③通信電纜線由探頭引出水面時應盡量外套PVC管保護并沿途固定或沿支架的管內走線，使其避免直接受水力沖擊而產生拉力，特別是水草較多的渠道當電纜線上掛草時會產生很大的拉力并有可能將電纜線拉斷。④探頭前面的圓形超生波收發裝置不能受到沖擊及劃傷。⑤探頭安裝好后要將其前面的超聲波收發裝置保護罩去掉，并將底部網狀圓孔處的保護貼膜揭掉。⑥終端機與探頭的接線必須正確連接，否則會導致儀器損壞。⑦儀器探頭應避免在太陽下長時間暴曬，以免溫度太高而引起故障（探頭的溫度不得超過70℃）。

6 存在的問題及建議

在實際操作中，該設備無線通訊GPRS和GSM要借助電信公用信道，會產生附加運行費用，給運行管理單位帶來新的成本。建議在今后的項目實施中采用光纖有線骨干網絡，一步到位，降低單位的運行管理成本，提高系統運行的穩定性和通訊通道的暢通。

參考文獻：

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作者簡介：秦巖飛（1972-），男，寧夏吳忠人，工程師，現從事灌區工程管理工作。