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，聲波的波速將發(fā)生變化，即當(dāng)聲波向下游傳播時波速增加，聲波向上游傳播時波速降低。在明渠中，一定高程的流體平均流速是通過測量兩個換能器之間傳播的歷時差來確定的。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，兩個換能器構(gòu)成一個測量聲路。

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，超聲波從T1到T2的傳播時間t12為：

    t12=L/（C+VCosθ）；（1）

    當(dāng)換能器T1發(fā)射，T2接收時，超聲波從T2到T1的傳播時間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間不小于120s，每一個工況點(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)同時安裝二次儀表、數(shù)據(jù)采集等其它設(shè)備，水深、流速、瞬時流量、累積流量實(shí)時直接監(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4聲道工作，最小測流工況時為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)時監(jiān)測和實(shí)時傳送，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)。