[導讀] 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量、控制現(xiàn)場實際，講述了超聲波流量計的原理、測量方法、及流量計安裝標定等問題，可供從事流量測量設(shè)計及現(xiàn)場維護檢修人員參考。
1 測量基本理論
1.1 流速基本計算公式
由明渠基本理論，對于明渠恒定均勻流，已知沿水深方向有下列對數(shù)形式的點流速u的計算公式
式中，u———點流速
u∗———摩陰流速
C———常數(shù)
H———斷面水深
h———點流速處深度
△———渠壁絕對粗糙度。
1.2 超聲換能器工作原理
超聲換能器測量工作原理，采用時差法進行測量。也就是通過測量超聲波在“順流”和“逆流”的傳播時間差，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)置一對超聲換能器P1P2，設(shè)兩換能器之間的距離為L，由其形成的聲路路徑和水流流向的夾角為θ。
當P1發(fā)射超聲波，P2接收時，超聲波的傳播時間（正向傳播時間）。
圖1 測理原理示意圖
式中，c———靜水中的超聲波流速
u———流層流速
同理，當P2發(fā)射超聲波P1接收時，超聲波的傳播時間（逆向傳播時間）
正向和逆向傳播的時間差為
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，只要能測出超聲波正向和逆向的傳播時間t1和t2，就能計算換能器所在的流層的流速u，進而與已測得的其它流層的流速一起，計算流量。
1.3 測量方法
根據(jù)上述測量基本理論，結(jié)合現(xiàn)場實際，決定對每條渠道采用四組超聲換能器進行流速的測量，一臺超聲水位計測量水位。流速換能器、水位井及水位計換能器在水渠中的安裝位置見圖2。在測量出水位和各流層的流速后，可由下式計算出斷面平均流速。
圖2 換能器現(xiàn)場安裝示意圖
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為水位井及水位計超聲換能器安裝位置。1～5；2～6；3～7；4～8號換能器分別組成4個互為發(fā)射接收的層流速測量組，分別測量不同層面的流速。圖中H示意水位方向，S示意水流方向。
2 現(xiàn)場安裝及存在問題
2.1 機械安裝
流量計應(yīng)固定在換能器至主機或遠程流量變送器的電纜不超過300英尺或100米的地方。
另外，流量計需要交流電源插座，還要求與壓力傳感器和現(xiàn)場處理控制系統(tǒng)連接的插座。流量計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，先準備好一張臺子或架子。
2.2 現(xiàn)場安裝造成測量誤差的因素
（1）測量斷面上幾何參數(shù)測量不準。
①聲路長L測量不準；
②聲路角φ測量不準；
③渠道截面積S測量不準。
（2）流態(tài)分布畸變引起的測量誤差。
（3）脈動流引起水位的測量誤差。
2.3 安裝中對誤差控制所采取的措施
（1）采用科學的安裝方法和準確的測量工具，保證換能器的準確定位。
①應(yīng)用經(jīng)緯儀在渠道內(nèi)進行換能器定位，使聲路角φ的測量誤差控制在0.01°以內(nèi)。
②在渠道內(nèi)用專用測量工具實測量路長，使聲路長的測量準確度達到毫米級。
③在測量多個斷面上測量渠寬，求平均值，以保證截面積計算正確。
（2）選擇最加測量點。
在換能器上下游選取足夠長的執(zhí)行段，以保證測量區(qū)流態(tài)穩(wěn)定，理論上通常上游取10個渠寬，下游取1個渠寬。在實際安裝中，換能器上游執(zhí)行段約大于15個渠寬，下游約大于2個渠寬。優(yōu)于理論取值。
2.4 解決流速脈動問題
（1）建立水位井測量水位的高度，有效控制水流表面波引起的高度測量誤差。
（2）超聲波流量計沒有機械慣性，可以快速采樣，用多次采樣平均計算出的流量可以消除流速脈動造成的問題。
3 超聲波流量計調(diào)試
設(shè)備調(diào)試由以下幾個步驟組成，首先對已經(jīng)安裝的8個斷面的流量計逐一進行了設(shè)備的連接和通電，然后我們逐一將每個斷面的參數(shù)進行了設(shè)置，在我們的系統(tǒng)診斷下我們發(fā)現(xiàn)了有３個斷面有電纜斷裂的情況，有2個斷面的水位計工作不正常。針對這部分不正常的斷進行了斷面的檢修恢復計劃。
調(diào)試過的8處流量計量系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果說明如下：
調(diào)試后聲路工作狀況如圖3所示。
圖3
4 結(jié)語
（1）要根據(jù)測量對象及現(xiàn)場實際情況有針對性地制定測量方案，才有可能達到測量目的，滿足測量要求。
（2）選準測量位置，要充分保障測量點上下執(zhí)行段的長度，以保證測量點流態(tài)穩(wěn)定，比如在趙山渡進水口安裝的超聲波流量計由于水流不穩(wěn)定，造成測量結(jié)果波動較大。
（3）精確校準測量系統(tǒng)各通道的傳輸延遲時間，正確設(shè)定測量系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)。
（4）精確測量執(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。