時差法超聲波流量計在矩形渠道測流中的應用研究

尚國秀，肖 讓，田建良，張永玲，趙志武

(1.河西學院土木工程學院(水資源保護利用研究所)，甘肅 張掖 734000；2.張掖金志信息技術有限公司，甘肅 張掖 734000)

時差法超聲波流量計是一種基于超聲波時差法的明渠測流設備，隨著電子技術、數(shù)字與聲波技術的發(fā)展，超聲波流量計技術也經過了近半個世紀的探索與發(fā)展，已在水利、農業(yè)、水電等部門及領域得到廣泛應用，日趨成為測流工作的首選。時差法超聲波流量計以其較高的測量精度，被引入農業(yè)灌溉渠道及天然河道的流量測量中[1- 4]。

河西學院土木工程學院與張掖金志信息技術有限公司合作，通過設計超聲波測流硬件、編寫功能代碼、設計單片機系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和遠程通信與存儲模塊的硬件與軟件，共同開發(fā)完成的一款渠道精準測流產品。將以張掖市山丹縣紅巖壩渠為例，以實驗室高精度多功能變坡水槽作為參照，對時差法超聲波流量計在明渠中應用的精度和誤差做相關研究分析，以期為渠道精準測流提供一定參考依據[5- 8]。

1 時差法超聲波流量計測流原理

時差法測量流體流量的原理如圖1所示。利用超聲波在流體中傳播時因水流方向不同而傳播速度不同的特點，通過測量順水流方向傳播時間t1與逆水流方向傳播時間t2的時間差Δt，來計算流體的速度與流量[1]。

設超聲波在流體中的傳播速度為C，流體流速為V，將一組換能器S1、S2安裝在渠道兩側邊緣處，換能器間的連線與垂直水流方向呈θ夾角，簡稱換能器安裝角。渠道寬為D，如圖1所示。

圖1 超聲波流量計原理圖

從S1到S2順水流發(fā)射時的聲波傳播時間t1為：

(1)

從S2到S1逆水流方向發(fā)射時的聲波傳播時間t2為：

(2)

式中，τ—信號在換能器與電路中的時間延遲。

(3)

因為在常見液體中聲速要大于1000m/s，而液體流速小于10m/s，即C2?V2。所以式(3)可以簡化為：

(4)

(5)

根據測流經驗，水流在同一斷面不同水深處由于摩擦阻力作用，得到的流速亦不同。故采用分層流速后求均值的算法，確保測流的精準度。將水流分為3層，每層流速定義為V1、V2、V3，如圖2所示。

圖2 超聲波流量計測流示意圖

(6)

將壓力傳感器或雷達水位計水位值定義為H，則瞬時流量Q為：

(7)

式中，K—流速分布修正系數(shù)。

2 試驗設計

2.1 試驗設備

(1)時差法超聲波流量計。

(2)高精度多功能雙變坡玻璃水槽，簡稱變坡水槽，水槽主體、流量控制系統(tǒng)和尾門控制系統(tǒng)等部分組成。水槽規(guī)模：9m×0.6m×0.8m(長×寬×高)，最大流量150L/s，槽內最大水深0.7m。

2.2 試驗過程

試驗1：將時差法超聲波流量計布設于變坡水槽兩側緊貼水槽玻璃內壁處，將水槽的超聲波探頭置于一組換能器連線中點所在的平面內。在流量控制系統(tǒng)中設定流量，整個過程中水槽尾門全開，①通過變坡水槽超聲波流量控制系統(tǒng)測得水位與流量關系，計算得到流速。②通過超聲波流量計測量槽內水流水位、流速，并計算得到流量。如圖3所示。

圖3 超聲波流量計測變坡水槽內流量示意圖

試驗2：將超聲波流量計布設于寬0.8m、深0.65m的紅巖壩支渠兩側，測量渠道內水位、流速，通過測量截面尺寸計算得到流量。如圖4所示。

圖4 超聲波流量計渠道測流

2.3 換能器安裝角度θ的選擇

換能器安裝角度θ會對檢測精度產生影響，可用以下公式表示：

(8)

相對誤差傳遞系數(shù)為：

(9)

θ的相對誤差傳遞系數(shù)是關于θ的函數(shù)，在0°～90°范圍內隨θ的增大而單調遞增，對于超聲波流量計，換能器安裝角度大多在30°～60°之間。λ30°=0.3，λ60°=1.8。 因此換能器安裝角度越小，其相對測量誤差就越小，反之越大。然而，在實際設計中，換能器安裝角會影響信號傳輸距離，因此本試驗中取換能器安裝角θ為55°。

3 結果與分析

3.1 超聲波流量計測變坡水槽流量、流速

變坡水槽自動流量系統(tǒng)的水位—流量關系如圖5所示。變坡水槽自動流量系統(tǒng)的水位—流速關系如圖6所示。

圖5 變坡水槽自動流量系統(tǒng)的水位—流量關系圖

圖6 變坡水槽自動流量系統(tǒng)的水位—流速關系圖

從圖5—6可知，變坡水槽自動流量系統(tǒng)中設定的槽內引進流量分別是120L/s和140L/s，隨著流量的增大，流速逐漸減小，隨著流量穩(wěn)定在140L/s，流速亦趨于穩(wěn)定。

圖7反映了水槽自動流量控制系統(tǒng)和超聲波流量計所測得同時段的水位—流量關系變化過程。10min內水流流量經歷瞬間增大、逐步增長、趨于穩(wěn)定3個階段。超聲波流量計與水槽自動流量控制系統(tǒng)兩者所得水位—流量折線關系整體趨勢基本一致，而在同一水位下所得流量值略有變幅，最大變幅為4.2%；同時，由于水槽自動流量控制系統(tǒng)探頭所測點處于測段長度及寬度中部，故所得流量值總體略大于超聲波流量計。

圖7 自動流量系統(tǒng)、超聲波流量計水位—流量關系對比圖

3.2 超聲波流量計測渠道流量、流速

圖8—9為超聲波流量計所測得24h內某矩形渠道水位與相應的流量、流速關系折線圖。

圖8 超聲波流量計測渠道水位—流量關系圖

圖9 超聲波流量計測渠道水位—流速關系圖

由圖8—9可知，圖中點的分布較分散，無法得到連續(xù)的折線圖，這是因為渠道內水深較淺(<18.5cm)，最大流量為296L/s，最大流速1.158m/s。

當變坡水槽自動流量控制系統(tǒng)輸入流量為140L/s、且輸出流量控制在140±1L/s時，積分法計算1h內超聲波流量計總流量Q1和變坡水槽自動流量系統(tǒng)總流量Q2，其差值的絕對值|Q1-Q2|≤0.15m3/h。

4 結論

(1)超聲波流量計與變坡水槽測流結果吻合度較高，平均相對偏差為3%。

(2)超聲波流量計單位小時總流量Q1與變坡水槽自動流量控制系統(tǒng)單位小時總流量Q2差值絕對值|Q1-Q2|≤0.15m3/h。