[導(dǎo)讀] 著重介紹超聲波用于明渠流量的基本原理，結(jié)合趙山渡引水工程沿途流量測(cè)量、控制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，講述了超聲波流量計(jì)的原理、測(cè)量方法、及流量計(jì)安裝標(biāo)定等問(wèn)題，可供從事流量測(cè)量設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)檢修人員參考。
1 測(cè)量基本理論
1.1 流速基本計(jì)算公式
由明渠基本理論，對(duì)于明渠恒定均勻流，已知沿水深方向有下列對(duì)數(shù)形式的點(diǎn)流速u的計(jì)算公式
式中，u———點(diǎn)流速
u∗———摩陰流速
C———常數(shù)
H———斷面水深
h———點(diǎn)流速處深度
△———渠壁絕對(duì)粗糙度。
1.2 超聲換能器工作原理
超聲換能器測(cè)量工作原理，采用時(shí)差法進(jìn)行測(cè)量。也就是通過(guò)測(cè)量超聲波在“順流”和“逆流”的傳播時(shí)間差，求得該超聲換能器所在流層的流速，再根據(jù)流速基本公式（1）和斷面數(shù)據(jù)求得流量。如圖1所示，在渠道內(nèi)斜向設(shè)置一對(duì)超聲換能器P1P2，設(shè)兩換能器之間的距離為L(zhǎng)，由其形成的聲路路徑和水流流向的夾角為θ。
當(dāng)P1發(fā)射超聲波，P2接收時(shí)，超聲波的傳播時(shí)間（正向傳播時(shí)間）。
圖1 測(cè)理原理示意圖
式中，c———靜水中的超聲波流速
u———流層流速
同理，當(dāng)P2發(fā)射超聲波P1接收時(shí)，超聲波的傳播時(shí)間（逆向傳播時(shí)間）
正向和逆向傳播的時(shí)間差為
因靜水中的超聲波速度與溫度有關(guān)，根據(jù)（2）、（3）兩式將c用t1和t2替代得
由（5）式可見(jiàn)，只要能測(cè)出超聲波正向和逆向的傳播時(shí)間t1和t2，就能計(jì)算換能器所在的流層的流速u，進(jìn)而與已測(cè)得的其它流層的流速一起，計(jì)算流量。
1.3 測(cè)量方法
根據(jù)上述測(cè)量基本理論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，決定對(duì)每條渠道采用四組超聲換能器進(jìn)行流速的測(cè)量，一臺(tái)超聲水位計(jì)測(cè)量水位。流速換能器、水位井及水位計(jì)換能器在水渠中的安裝位置見(jiàn)圖2。在測(cè)量出水位和各流層的流速后，可由下式計(jì)算出斷面平均流速。
圖2 換能器現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖
式中，ui———某流層流速
Ki———加權(quán)系數(shù)
由平均速度計(jì)算流量
式中，b———渠道斷面寬
h———斷面水深。
圖中1、2、3、4、5、6、7、8示意水渠中換能器安裝位置。數(shù)字9為水位井及水位計(jì)超聲換能器安裝位置。1～5；2～6；3～7；4～8號(hào)換能器分別組成4個(gè)互為發(fā)射接收的層流速測(cè)量組，分別測(cè)量不同層面的流速。圖中H示意水位方向，S示意水流方向。
2 現(xiàn)場(chǎng)安裝及存在問(wèn)題
2.1 機(jī)械安裝
流量計(jì)應(yīng)固定在換能器至主機(jī)或遠(yuǎn)程流量變送器的電纜不超過(guò)300英尺或100米的地方。
另外，流量計(jì)需要交流電源插座，還要求與壓力傳感器和現(xiàn)場(chǎng)處理控制系統(tǒng)連接的插座。流量計(jì)須垂直固定在墻上或一塊能夠承受100磅的板子上，用3/8英寸（10mm）的方頭螺釘或方額螺栓固定。
如果需連接PC機(jī)，先準(zhǔn)備好一張臺(tái)子或架子。
2.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝造成測(cè)量誤差的因素
（1）測(cè)量斷面上幾何參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)。
①聲路長(zhǎng)L測(cè)量不準(zhǔn)；
②聲路角φ測(cè)量不準(zhǔn)；
③渠道截面積S測(cè)量不準(zhǔn)。
（2）流態(tài)分布畸變引起的測(cè)量誤差。
（3）脈動(dòng)流引起水位的測(cè)量誤差。
2.3 安裝中對(duì)誤差控制所采取的措施
（1）采用科學(xué)的安裝方法和準(zhǔn)確的測(cè)量工具，保證換能器的準(zhǔn)確定位。
①應(yīng)用經(jīng)緯儀在渠道內(nèi)進(jìn)行換能器定位，使聲路角φ的測(cè)量誤差控制在0.01°以內(nèi)。
②在渠道內(nèi)用專用測(cè)量工具實(shí)測(cè)量路長(zhǎng)，使聲路長(zhǎng)的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到毫米級(jí)。
③在測(cè)量多個(gè)斷面上測(cè)量渠寬，求平均值，以保證截面積計(jì)算正確。
（2）選擇最加測(cè)量點(diǎn)。
在換能器上下游選取足夠長(zhǎng)的執(zhí)行段，以保證測(cè)量區(qū)流態(tài)穩(wěn)定，理論上通常上游取10個(gè)渠寬，下游取1個(gè)渠寬。在實(shí)際安裝中，換能器上游執(zhí)行段約大于15個(gè)渠寬，下游約大于2個(gè)渠寬。優(yōu)于理論取值。
2.4 解決流速脈動(dòng)問(wèn)題
（1）建立水位井測(cè)量水位的高度，有效控制水流表面波引起的高度測(cè)量誤差。
（2）超聲波流量計(jì)沒(méi)有機(jī)械慣性，可以快速采樣，用多次采樣平均計(jì)算出的流量可以消除流速脈動(dòng)造成的問(wèn)題。
3 超聲波流量計(jì)調(diào)試
設(shè)備調(diào)試由以下幾個(gè)步驟組成，首先對(duì)已經(jīng)安裝的8個(gè)斷面的流量計(jì)逐一進(jìn)行了設(shè)備的連接和通電，然后我們逐一將每個(gè)斷面的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，在我們的系統(tǒng)診斷下我們發(fā)現(xiàn)了有３個(gè)斷面有電纜斷裂的情況，有2個(gè)斷面的水位計(jì)工作不正常。針對(duì)這部分不正常的斷進(jìn)行了斷面的檢修恢復(fù)計(jì)劃。
調(diào)試過(guò)的8處流量計(jì)量系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果說(shuō)明如下：
調(diào)試后聲路工作狀況如圖3所示。
圖3
4 結(jié)語(yǔ)
（1）要根據(jù)測(cè)量對(duì)象及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有針對(duì)性地制定測(cè)量方案，才有可能達(dá)到測(cè)量目的，滿足測(cè)量要求。
（2）選準(zhǔn)測(cè)量位置，要充分保障測(cè)量點(diǎn)上下執(zhí)行段的長(zhǎng)度，以保證測(cè)量點(diǎn)流態(tài)穩(wěn)定，比如在趙山渡進(jìn)水口安裝的超聲波流量計(jì)由于水流不穩(wěn)定，造成測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大。
（3）精確校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)各通道的傳輸延遲時(shí)間，正確設(shè)定測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)。
（4）精確測(cè)量執(zhí)行渠道斷面的幾何參數(shù)，換能器的安全位置，牢固安裝水下設(shè)備。