基于時差法的明渠流量測量系統研究

胡躍華

(河北省水文勘測研究中心，石家莊 050031)

0 引 言

隨著經濟社會的發展，現有水文站網布局和功能已不能滿足監測管理需求。但計算機技術的發展，實現了自動化監測方式，提高了水文監測效率。目前，超聲波時差法流量計被廣泛用于管道流量測量。。

近年來，許多專家學者對水流流量監測進行了研究。王杰等[1]基于數值仿真模擬，建立流量分析模型，結合監測數據，對該模型進行完善，并將其應用于實際工程中，結果表明該模型能顯著提高流量監測的準確性。尚國秀等[2]基于室內試驗，采用時差法，測定超聲波流量計的水位及流速，以驗證該方法的可行性與準確性，結果表明其準確性良好，誤差在3%以內。杜曉澤等[3]開展室內試驗，對影響流量系數的相關參數進行敏感性分析，研究不同參數對流量系數的影響程度，得出不同參數對流量系數的影響規律。徐文焯等[4]基于時差法，對氣體的穩恒流場進行有限元模擬，并將其結果與實際監測數據對比，以驗證理論分析的準確性，結果表明兩者之間的差異較小，其差值小于5%。李志軍等[5]基于小波降噪算法，設計了一種超聲波流量計，并將其應用于實際工程中，結果表明該裝置操作簡便，且精度較高。

本文以華北平原為研究對象，建立時差法流量監測系統，對其流量進行自動化監測，分別測量在單聲道和多聲道下明渠流量的變化情況，并考慮不同流速下該監測系統的精度變化規律。

1 工程概況

本研究以華北平原為研究對象，該地區水文站為引調水分水口控制站，向衡水湖補充生態用水，測驗斷面呈梯形，坡底比降為0.01%，最大流速為0.8 m/s，是典型的平原渠道站。

經過多年的站網建設，該地區的水文站網初步建成，基本能滿足防洪抗旱管理需要。但隨著經濟社會的發展，現有水文站網布局和功能已不能滿足監測管理需求。隨著水文現代化水平的不斷提高，自動化的測報方式大大提高了水文監測效率，同時減少了監測斷面建設的復雜性，許多人跡罕至的地方亦可以無人值守不間斷施測。本研究基于時差法，設計一種超聲波明渠流量測量系統，對明渠的流量進行自動化監測。

2 試驗裝置與方法

試驗裝置主要由水泵、渦輪流量計、單片機系統和超聲探頭組成。通過水泵對水池的流速進行控制，當水流通過渦輪流量計時，對水流的相關參數進行測定，得出其流量；再通過超聲探頭對水流流量進行測定，通過單片機系統進行分析，得出該水流的流量；通過與渦輪流量計的流量數據進行對比，即可得出該測試裝置的準確性。水流流速(v)的計算公式如下：

t=aMe+b+Δc

(1)

式中：t為渡越時間；Me為采樣順序值；a、b分別為相關系數；Δc為溫度補償系數。

(2)

式中：C為水下聲速；θ為超聲波發射方向與河岸的夾角；L為河道寬度。

為消除測量過程中產生的誤差，重復進行10次測量，得出溫度為27.5℃下平均采樣順序值和對應的渡越時間，見表1。

表1 平均采樣順序值和對應的渡越時間

由表1可知，平均采樣順序值與渡越時間呈正相關關系，隨平均采樣順序值的增大，渡越時間逐漸增大，且二者之間存在一定的線性相關關系。根據表1中的相關數據計算相關系數，將式(1)簡化為：

t=0.739Me-134.51

(3)

斷面流量Qs的計算公式如下：

(4)

式中：S1、S2為截面面積；v1為聲道流速；vt為頂層流速；ke為底層流速系數，取0.8。

3 結果分析

3.1 單聲道、多聲道的流量監測

本研究分別測量在單聲道和多聲道下明渠流量的變化情況，并考慮不同流速下該監測系統的精度變化規律。根據式(4)計算得出單聲道、多聲道的流量監測數據見表2、表3。

表2 單聲道流量監測數據

表3 多聲道流量監測數據

由表2、表3可知，隨聲道流量檔數增大，測量流量逐漸增大，且其增長趨勢接近線性增長。在單聲道流量監測中，除1檔外，其余參考流量均小于單聲道監測流量，且1檔的單聲道監測流量結果與參考流量差距最大，其值為0.132m3/h；3檔的單聲道監測流量結果與參考流量的差距最小，其值為0.037m3/h。多聲道監測的測量流量的變化趨勢與單聲道具有一致性，但其參考流量均大于多聲道流量監測值。其中，4檔多聲道的流量監測結果與參考流量的差距最小，其值為0.007m3/h；2檔多聲道流量監測值與參考流量的差距最大，其值為0.041m3/h。對比單聲道流量監測結果可知，多聲道流量監測結果均大于單聲道流量監測結果，且多聲道流量監測誤差較小。在實際工程中，多聲道流量監測的準確性較高，具有良好的可行性。

3.2 單、多聲道監測絕對誤差

為研究該監測系統的精度，引入流量絕對誤差進行分析。該參數定義為監測流量與參考流量之差，分析不同流量及單、多聲道對監測系統準確性的影響。1檔流速下流量絕對誤差見圖1。

圖1 1檔流速下流量絕對誤差

由圖1可知，在1檔流速下，單、多聲道的流量絕對誤差無明顯的變化趨勢，其波動較大，與測量次數之間無相關關系。其中，單聲道測量的絕對誤差波動范圍較大，其誤差主要集中于-0.6 ～0.6 m3/h，當測量次數為27次時，單聲道測量的流量絕對誤差的絕對值最大，其值為0.59 m3/h。多聲道測量的絕對誤差波動范圍較小，其誤差主要集中于-0.2 ～0.2 m3/h，當測量次數為30次時，多聲道測量的流量絕對誤差的絕對值最小，其值為0.01 m3/h；當測量次數為21次時，多聲道測量的流量絕對誤差的絕對值最大，其值為0.2 m3/h。相對于單聲道測而言，多聲道測量的誤差較小，且測量結果的誤差波動較為穩定，表明在1檔流速下，多聲道監測的準確性較高。

2檔流速下，單、多聲道的測量次數-流量絕對誤差曲線見圖2。由圖2可知，流量絕對誤差與測量次數無明顯的相關關系，流量絕對誤差的變化呈波動趨勢。單聲道測量的絕對誤差波動范圍較大，其誤差主要集中于-0.5 ～0.8 m3/h，當測量次數為12次時，單聲道測量的流量絕對誤差的絕對值最大，其值為0.71 m3/h。多聲道測量的絕對誤差波動范圍較小，其誤差主要集中于-0.2 ～0.2 m3/h，當測量次數為1次時，多聲道測量的流量絕對誤差的絕對值最小，其值為0.01 m3/h。對比1檔流速可知，單聲道測量的流量絕對誤差波動范圍有增大趨勢，而多聲道測量的流量絕對誤差波動范圍與1檔流速差距較小。相對于單聲道測量而言，多聲道測量的誤差較小，且測量結果的誤差波動較為穩定，表明在2檔流速下，多聲道監測的準確性較高。

圖2 2檔流速下流量絕對誤差

3檔流速下，單、多聲道的測量次數-流量絕對誤差曲線見圖3。由圖3可知，單聲道測量的絕對誤差波動范圍較大，其誤差主要集中于-1.5～1.25 m3/h，當測量次數為23次時，單聲道測量的流量絕對誤差的絕對值最大，其值為1.48 m3/h。多聲道測量的絕對誤差波動范圍較小，其誤差主要集中于-0.2～0.2 m3/h，當測量次數為29次時，多聲道測量的流量絕對誤差的絕對值最小，其值為0.02 m3/h。在3檔流速下，單聲道的流量絕對誤差波動值逐漸增大，而多聲道流量絕對誤差與其它流速下的差距較小，說明不同流速對單聲道測量準確性的影響較大，對多聲道測量準確性的影響較小。相對于單聲道測量而言，多聲道測量的誤差較小，且測量結果的誤差波動較為穩定，表明在3檔流速下，多聲道監測的準確性較高。

圖3 3檔流速下流量絕對誤差

4檔流速下，單、多聲道的測量次數-流量絕對誤差曲線見圖4。由圖4可知，單聲道測量的絕對誤差波動范圍較大，其誤差主要集中于-1～0.7 m3/h，當測量次數為22次時，單聲道測量的流量絕對誤差的絕對值最大，其值為0.91 m3/h。多聲道測量的絕對誤差波動范圍較小，其誤差主要集中于-0.2～0.3 m3/h，當測量次數為2次時，多聲道測量的流量絕對誤差的絕對值最小，其值為0.01 m3/h。相對于3檔流速下的流量絕對誤差而言，4檔流速下的單聲道測量的流量絕對誤差有減小趨勢，多聲道測量的流量絕對誤差變化量較小，且多聲道測量的誤差較小，表明在4檔流速下，多聲道監測的準確性較高。

圖4 4檔流速下流量絕對誤差

3.3 單、多聲道監測相對誤差

由上述分析可知，在不同流速下，多聲道測量的誤差較小，監測的準確性較高。為進一步反映單、多聲道測量的準確性情況，引入流量相對誤差進行分析，單聲道測量的測量次數-流量相對誤差見圖5。由圖5可知，單聲道測量的流量相對誤差波動范圍在-0.4～0.3之間。其中，1檔流速和3檔流速下的流量相對誤差波動較大，其平均流量相對誤差分別為-0.051、0.048，當測量次數為26次時，單聲道測量的流量相對誤差的絕對值最大，其值為0.36；2檔流速和4檔流速下的流量相對誤差波動較小，其平均流量相對誤差分別為-0.046、0.038。4檔流速下，單聲道測量的流量相對誤差最小，表明在該流速下，流量測量的結果較為準確。

圖5 流量相對誤差隨單聲道測量次數曲線

圖6為流量相對誤差隨多聲道測量次數曲線。

圖6 多聲道測量次數-流量相對誤差圖

由圖6可知，多聲道測量的流量相對誤差波動范圍在-0.06～0.08之間。其中，1檔流速和2檔流速下的流量相對誤差波動較大，其平均流量相對誤差分別為0.032、-0.025；3檔流速和4檔流速下的流量相對誤差波動較小，其平均流量相對誤差分別為0.019、0.015。4檔流速下，多聲道測量的流量相對誤差最小，表明在該流速下，流量測量的結果較為準確。對比單聲道測量誤差可知，多聲道測量誤差較小，且在4檔流速下有最小相對誤差。在實際工程中，可采用4檔流速下的多聲道進行流量測量。

4 結 論

本文以華北平原為研究對象，建立時差法流量監測系統，對其流量進行自動化監測，分別測量在單聲道和多聲道下明渠流量的變化情況，并考慮不同流速下該監測系統的精度變化規律。結論如下：

1)多聲道監測的測量流量變化趨勢與單聲道具有一致性，但是其參考流量均大于多聲道流量監測值，且多聲道流量監測的誤差較小。

2)單、多聲道的流量絕對誤差無明顯的變化趨勢，其波動較大，與測量次數之間無相關關系。其中，單聲道測量的絕對誤差波動范圍較大，多聲道測量的絕對誤差波動范圍較小。

3)對比單聲道測量誤差可知，多聲道測量誤差較小，且在4檔流速下有最小相對誤差。在實際工程中，可采用4檔流速下的多聲道進行流量測量。