超聲波明渠流量計(jì)在喀什噶爾流域三縣引水明渠中的應(yīng)用，近年來，利用超聲波流量計(jì)測量明渠渠道的過水流量，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量水的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，在許多地方得到越來越多的應(yīng)用。新疆喀什噶爾河流域管理處引進(jìn)新技術(shù)，在庫山河三縣引水明渠，安裝了一套蘇州華陸公司生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)，使測配水科學(xué)管理有了新的突破。本文就超聲波流量計(jì)在庫山河三縣引水渠中試運(yùn)行其間，通過超聲波法與流速儀法實(shí)際測流數(shù)據(jù)比較對超聲波流量計(jì)應(yīng)用談幾點(diǎn)粗淺的意見。

    二、超聲波法測流

    1.超聲波流量測量系統(tǒng)的測量原理

    超聲波流量計(jì)是一種以超聲波為媒介進(jìn)行流量測量的流量系統(tǒng)。用超聲波來測量流體的流量實(shí)質(zhì)上是測量流體的流速。當(dāng)流體流速向量與聲波方向平行時(shí)，聲波的波速將發(fā)生變化，即當(dāng)聲波向下游傳播時(shí)波速增加，聲波向上游傳播時(shí)波速降低。在明渠中，一定高程的流體平均流速是通過測量兩個(gè)換能器之間傳播的歷時(shí)差來確定的。測量原理示意圖如圖1所示。T1是安裝于渠道上游側(cè)的換能器，T2是安裝于下游側(cè)的換能器，兩個(gè)換能器構(gòu)成一個(gè)測量聲路。

圖1 測量原理示意圖

    假設(shè)超聲波在靜水中的傳播速度為C，水流速度為V，兩個(gè)換能器T1、T2間的距離為L，兩換能器T1、T2所構(gòu)成的聲傳播路徑與管軸線的夾角為θ。

    當(dāng)換能器T1發(fā)射，T2接收時(shí)，超聲波從T1到T2的傳播時(shí)間t12為：

    t12=L/（C+VCosθ）；（1）

    當(dāng)換能器T1發(fā)射，T2接收時(shí)，超聲波從T2到T1的傳播時(shí)間t21為：

    t21=L/（C-V×Cosθ）；（2）

    由（1），（2）可得管道中該聲路處的線平均流速：

    V=L/（2×Cosθ）×（1/t21–1/t12）；（3）

    對所得的流速進(jìn)行面積積分，即可獲得流量。

    Q=S×V（4）

    2.流量計(jì)算

    庫山河三縣引水渠渠道水面寬、水深大，其流速縱橫變化較大，一般采用多聲道超聲波流量計(jì)進(jìn)行分層測流。如圖2所示。在測量流速同時(shí)還需要測量水位量，然后用測的流速對有效斷面進(jìn)行積分，即可得到通過測量斷面的流量。

圖2 明渠中多聲路布置

    流量計(jì)算公式：

    Q=QT+QM+QB   （5）

    其中：Q=渠道斷面總流量；

    QT=渠道頂層流量；

    QM=渠道中間各層流量；

    QB=渠道底層流量。

    如圖2所示，QT、QM和QB又分別由下面各式計(jì)算求得：

    其中：

    V4=最頂層工作聲路測的流速（四聲路而言）；

    Vi，Vi+1=第i，i+1聲路的流速；

    V1=最底層工作聲路測的流速（四聲路而言）；

    H=當(dāng)前水位；

    kt=渠道表層流速系數(shù)；

    kb=渠底流速系數(shù)；

    h4=最頂層工作聲路高程（四聲路而言）；

    hi=第i聲路高程；

    h1=最底層工作聲路高程；

    h0=渠底高程；

    W4=最頂層工作聲路處的渠寬（四聲路而言）；

    WT=渠道水流表層處的渠寬；

    W1=最底層工作聲路處的渠寬；

    Wb=渠底寬度。

    三、流速儀法測流

    流速儀法測流是國內(nèi)外使用最廣泛的方法，也是最基本的測流方法。該方法也是評定和衡量各種測流新方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。流速儀法測流基于速度面積法，測流時(shí)必須在斷面上布設(shè)測速垂線和測速點(diǎn)，以測量斷面面積和流速，測速方法一般采用積點(diǎn)法。

    1.選擇斷面，確定測線及測點(diǎn)

    測流斷面應(yīng)選擇在渠段平直、水流均勻、無漩渦或回流的地方，前后平直段應(yīng)滿足測試規(guī)范的要求（大于20倍水面寬度），斷面與水流方向垂直。測速垂線及測點(diǎn)數(shù)目應(yīng)能充分反應(yīng)橫斷面流速分布。

    2.平均流速計(jì)算

    測流的過水?dāng)嗝嫫骄�流速及流量�?jì)算參考水利部《灌溉管理手冊》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。為提高測流精度，測線平均流速Vm均采用六點(diǎn)法計(jì)算：

    式中：v0.0、v0.2、v0.4、v0.6、v0.8、v1.0、分別代表垂線流速分布曲線水面、相對水深為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m及河底的測點(diǎn)流速。

    渠邊部分平均流速

    V1＝ZVmi或Vn=ZVmn    （8）

    式中：vmi、vmn分別為自渠邊起第一條、最末一條測線平均流速；a為渠邊流速系數(shù)，通常斜坡渠邊取0.70，陡坡渠邊取0.80。

    3.流量計(jì)算

    斷面流量Q為各部分流量的代數(shù)和

    四、測流比較

    1．測流地點(diǎn)的確定

    三縣引水明渠的流量計(jì)安裝斷面，是一個(gè)梯形無壓混凝土斷面。具體尺寸：渠底寬：8.9m；頂寬19m；邊坡為1∶1.5；最大水深：約1.5m；最小水深：0.12m；常水位：0.4~0.6m；混凝土板襯砌，設(shè)計(jì)流量Q＝30m3/s，在距渠底約0.50m處有約0.4m寬的平臺，且在平臺上方的渠邊坡與平臺下方的邊坡不同。該渠段符合明渠超聲波流量計(jì)的安裝要求及流速儀的布置。

    2.測流比較方法

    測流比較采用流速儀法與超聲波法同步測流的方法。為保證測流結(jié)果的可靠性http://www.dianciliuliangji01.com/，測試流量的范圍從渠道最小流量到最大流量，進(jìn)行多個(gè)工況的測流比較。

    三縣引水明渠監(jiān)測站水面較寬，約在10~12m，本次實(shí)測采用3部旋漿式流速儀，6人3組同時(shí)測量。斷面設(shè)8條測速垂線，從渠道中間向兩側(cè)每隔1.1~1.4m設(shè)一條，在每條測速垂線上設(shè)2~6個(gè)測速點(diǎn)。為提高測量精度，每一部流速儀每一測次的測量時(shí)間不小于120s，每一個(gè)工況點(diǎn)測取3~4組讀數(shù)，最后取其算術(shù)平均值作為測試結(jié)果。

    超聲波流量計(jì)選用一臺明渠超聲波超聲波流量計(jì)，它由8只超聲波流速傳感器構(gòu)成4個(gè)聲道和兩套聲波水位計(jì)組成，精度±1.0%。超聲波明渠流量計(jì)實(shí)際安裝占用渠段長7m，監(jiān)測站內(nèi)同時(shí)安裝二次儀表、數(shù)據(jù)采集等其它設(shè)備，水深、流速、瞬時(shí)流量、累積流量實(shí)時(shí)直接監(jiān)測測出。正式測流前對超聲波流量計(jì)進(jìn)行了調(diào)試，主要是在渠道有水的情況（所有的換能器必須全部淹沒于水中）下，進(jìn)行流量計(jì)自檢，然后檢查各聲道的工作情況。檢查在靜水和動水的情況下分別進(jìn)行，而且靜水檢查非常重要，因?yàn)榇藭r(shí)流量計(jì)測出的水流流速應(yīng)為零，可以間接地檢查流量計(jì)的準(zhǔn)確性。一切正常后，流量計(jì)便可進(jìn)入正常的測量狀態(tài)，在最大測流工況時(shí)4聲道工作，最小測流工況時(shí)為2聲道工作。

    明渠超聲波流量計(jì)測流結(jié)果采用與流速儀法對應(yīng)測流時(shí)段的累計(jì)水量值進(jìn)行計(jì)算。

    3.測流結(jié)果

    流量測試結(jié)果表明，兩種測流方法絕大多數(shù)工況的流量相對偏差小于-2%。且超聲波法測量值均小于流速儀法測量值。

    五、結(jié)語

    通過兩種方法的實(shí)測表明：超聲波測流技術(shù)測量精度高，不擾亂流場、無可動部件、無壓力損失、性能穩(wěn)定可靠、測量范圍寬，操作安全，不影響渠道水流狀態(tài)，可直接與微機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和實(shí)時(shí)傳送，為灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和現(xiàn)代化管理打下了基礎(chǔ)。