超聲波明渠流量計應用于江邊水站的流體流量
發(fā)布時(shí)間：2014.02.26 新聞來(lái)源：超聲波流量計_超聲波明渠流量計_多普勒流速儀-南京卓瑪機電有限公司 瀏覽次數：
1. 前言
******對武鋼引用長(cháng)江水按江心水站和江邊水站水泵的能力收取資源費，因此對其水量進(jìn)行計量，不但能使水費收取趨向合理，而且能為武鋼的生產(chǎn)提供準確數據。根據技術(shù)中心及能源總廠(chǎng)的要求，武鋼計控公司與有關(guān)單位科技人員共同努力，研制開(kāi)發(fā)出多聲路超聲波流量裝置，用于武鋼江邊水站明渠，測量水流量，系統經(jīng)半年試運行，效果良好，達到預期目標。
2.測量基本理論
2.1 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形式的點(diǎn)流速u(mài)的計算公式
式中，u——點(diǎn)流速
u*——摩陰流速
C——常數
H——斷面水深
h——點(diǎn)流速處深度
△——渠壁******粗糙度
2.2 超聲換能器工作原理
超聲換能器測量工作原理，采用時(shí)差法進(jìn)行測量。也就是通過(guò)測量超聲波在“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，再根據流速基本公式（1）和斷面數據求得流量。如圖1所示，在渠道內斜向設置一對超聲換能器P1P2，設兩換能器之間的距離為L(cháng)，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(shí)，超聲波的傳播時(shí)間（正向傳播時(shí)間）
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(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（2）、（3）兩式將c用t1和t2替代得
由（5）式可見(jiàn)，只要能測出超聲波正向和逆向的傳播時(shí)間t1和t2，就能計算換能器所在的流層的流速u(mài)，進(jìn)而與已測得的其它流層的流速一起，計算流量。
2.3 測量方法
根據上述測量基本理論，結合現場(chǎng)實(shí)際，決定對每條渠道采用四組超聲換能器進(jìn)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(jiàn)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。
式中，ui——某流層流速
Ki——加權系數
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(gè)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。
2.4 本測量方式的特點(diǎn)
（1）可較大范圍地測量流量，當渠道通過(guò)流量較小，水位較低時(shí)，可以測量，當渠道通流量較大，水位較高時(shí)，也可以測量。
（2）可適應流態(tài)畸變，當流量發(fā)生變化，或者受到擾動(dòng)時(shí)，斷面流速分布曲線(xiàn)將發(fā)生變形，即流態(tài)畸變，4組換能器可接收較多的信息。
（3）測量量程寬，精度高，一條渠道采用4組換能器，可保證渠道中不同水位，不同流速時(shí)測量精度不變。
3.現場(chǎng)安裝與調試
江邊水站有兩條水渠，在兩條渠道上有調度控制閘、堤前閘、堤后閘。該渠建于地下，穿過(guò)大堤流入內河，在長(cháng)江水位低于內河水位時(shí)，江邊水站9臺機組中的2～4臺將江水抽入兩條水渠中，排入內河，在長(cháng)江水位高于內河水位時(shí)，江水經(jīng)調度控制閘控制，通過(guò)這兩天條渠直接將江水排入內河，渠中水量可以通過(guò)機組或調度控制閘控制，兩條水渠全長(cháng)187.9m，渠道斷面2m×4m×3.5m，堤前閘至堤后閘間的直線(xiàn)渠道85m。根據兩條水渠的具體情況，超聲波流量計換能器安裝在堤前閘和堤后閘之間靠近堤后閘直渠道內。流量計操作室建在大堤內堤后閘井旁。這樣的選擇滿(mǎn)足了設備安裝的技術(shù)要求，同時(shí)也保證了設備的安全運行與維護。明渠流量現場(chǎng)安裝示意見(jiàn)圖3。
3.1 現場(chǎng)安裝造成測量誤差的因素
（1）測量斷面上幾何參數測量不準。
①聲路長(cháng)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(dòng)流引起水位的測量誤差
3.2 安裝中對誤差控制所采取的措施
(1)采用科學(xué)的安裝方法和準確的測量工具，保證換能器的準確定位。
①應用經(jīng)緯儀在渠道內進(jìn)行換能器定位，使聲路角φ的測量誤差控制在0.01°以?xún)取?
②在渠道內用專(zhuān)用測量工具實(shí)測量路長(cháng)，使聲路長(cháng)的測量準確度達到毫米級。
③在測量多個(gè)斷面上測量渠寬，求平均值，以保證截面積計算正確。
(2)選擇***加測量點(diǎn)
在換能器上下游選取足夠長(cháng)的執行段，以保證測量區流態(tài)穩定，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。
3.3 解決流速脈動(dòng)問(wèn)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(méi)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(dòng)造成的問(wèn)題。
4 流量系統的現場(chǎng)標定
依照武漢鋼鐵(集團)公司技術(shù)操作規程(B標準)、Q/WGB503220301――96A技術(shù)標準，對江邊明渠流量測量系統進(jìn)行了現場(chǎng)在線(xiàn)標定，其方法是：江邊水站開(kāi)一臺水泵，將0.5級標準超聲波流量計安裝在水泵進(jìn)水管上與明渠流量計同步測量流量，取相同時(shí)區的流量平均值進(jìn)行對比，結果證明系統測量誤差達到設計要求，滿(mǎn)足了武鋼生產(chǎn)和生活用水調度的要求。
5 結 語(yǔ)
超聲波用于大斷面明渠流量測量，現有理論充分，但真正用好測準并不容易，通過(guò)這次實(shí)踐，主要體會(huì )如下：
（1）要根據測量對象及現場(chǎng)實(shí)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(mǎn)足測量要求。
（2）選準測量位置，要充分保障測量點(diǎn)上下執行段的長(cháng)度，以保證測量點(diǎn)流態(tài)穩定。
（3）準確校準測量系統各通道的傳輸延遲時(shí)間，正確設定測量系統內部參數。
（4）準確測量執行渠道斷面的幾何參數，換能器的安全位置，牢固安裝水下設備。
******對武鋼引用長(cháng)江水按江心水站和江邊水站水泵的能力收取資源費，因此對其水量進(jìn)行計量，不但能使水費收取趨向合理，而且能為武鋼的生產(chǎn)提供準確數據。根據技術(shù)中心及能源總廠(chǎng)的要求，武鋼計控公司與有關(guān)單位科技人員共同努力，研制開(kāi)發(fā)出多聲路超聲波流量裝置，用于武鋼江邊水站明渠，測量水流量，系統經(jīng)半年試運行，效果良好，達到預期目標。
2.測量基本理論
2.1 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形式的點(diǎn)流速u(mài)的計算公式
式中，u——點(diǎn)流速
u*——摩陰流速
C——常數
H——斷面水深
h——點(diǎn)流速處深度
△——渠壁******粗糙度
2.2 超聲換能器工作原理
超聲換能器測量工作原理，采用時(shí)差法進(jìn)行測量。也就是通過(guò)測量超聲波在“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，再根據流速基本公式（1）和斷面數據求得流量。如圖1所示，在渠道內斜向設置一對超聲換能器P1P2，設兩換能器之間的距離為L(cháng)，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(shí)，超聲波的傳播時(shí)間（正向傳播時(shí)間）
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(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（2）、（3）兩式將c用t1和t2替代得
由（5）式可見(jiàn)，只要能測出超聲波正向和逆向的傳播時(shí)間t1和t2，就能計算換能器所在的流層的流速u(mài)，進(jìn)而與已測得的其它流層的流速一起，計算流量。
2.3 測量方法
根據上述測量基本理論，結合現場(chǎng)實(shí)際，決定對每條渠道采用四組超聲換能器進(jìn)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(jiàn)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。
式中，ui——某流層流速
Ki——加權系數
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(gè)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。
2.4 本測量方式的特點(diǎn)
（1）可較大范圍地測量流量，當渠道通過(guò)流量較小，水位較低時(shí)，可以測量，當渠道通流量較大，水位較高時(shí)，也可以測量。
（2）可適應流態(tài)畸變，當流量發(fā)生變化，或者受到擾動(dòng)時(shí)，斷面流速分布曲線(xiàn)將發(fā)生變形，即流態(tài)畸變，4組換能器可接收較多的信息。
（3）測量量程寬，精度高，一條渠道采用4組換能器，可保證渠道中不同水位，不同流速時(shí)測量精度不變。
3.現場(chǎng)安裝與調試
江邊水站有兩條水渠，在兩條渠道上有調度控制閘、堤前閘、堤后閘。該渠建于地下，穿過(guò)大堤流入內河，在長(cháng)江水位低于內河水位時(shí)，江邊水站9臺機組中的2～4臺將江水抽入兩條水渠中，排入內河，在長(cháng)江水位高于內河水位時(shí)，江水經(jīng)調度控制閘控制，通過(guò)這兩天條渠直接將江水排入內河，渠中水量可以通過(guò)機組或調度控制閘控制，兩條水渠全長(cháng)187.9m，渠道斷面2m×4m×3.5m，堤前閘至堤后閘間的直線(xiàn)渠道85m。根據兩條水渠的具體情況，超聲波流量計換能器安裝在堤前閘和堤后閘之間靠近堤后閘直渠道內。流量計操作室建在大堤內堤后閘井旁。這樣的選擇滿(mǎn)足了設備安裝的技術(shù)要求，同時(shí)也保證了設備的安全運行與維護。明渠流量現場(chǎng)安裝示意見(jiàn)圖3。
3.1 現場(chǎng)安裝造成測量誤差的因素
（1）測量斷面上幾何參數測量不準。
①聲路長(cháng)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(dòng)流引起水位的測量誤差
3.2 安裝中對誤差控制所采取的措施
(1)采用科學(xué)的安裝方法和準確的測量工具，保證換能器的準確定位。
①應用經(jīng)緯儀在渠道內進(jìn)行換能器定位，使聲路角φ的測量誤差控制在0.01°以?xún)取?
②在渠道內用專(zhuān)用測量工具實(shí)測量路長(cháng)，使聲路長(cháng)的測量準確度達到毫米級。
③在測量多個(gè)斷面上測量渠寬，求平均值，以保證截面積計算正確。
(2)選擇***加測量點(diǎn)
在換能器上下游選取足夠長(cháng)的執行段，以保證測量區流態(tài)穩定，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。
3.3 解決流速脈動(dòng)問(wèn)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(méi)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(dòng)造成的問(wèn)題。
4 流量系統的現場(chǎng)標定
依照武漢鋼鐵(集團)公司技術(shù)操作規程(B標準)、Q/WGB503220301――96A技術(shù)標準，對江邊明渠流量測量系統進(jìn)行了現場(chǎng)在線(xiàn)標定，其方法是：江邊水站開(kāi)一臺水泵，將0.5級標準超聲波流量計安裝在水泵進(jìn)水管上與明渠流量計同步測量流量，取相同時(shí)區的流量平均值進(jìn)行對比，結果證明系統測量誤差達到設計要求，滿(mǎn)足了武鋼生產(chǎn)和生活用水調度的要求。
5 結 語(yǔ)
超聲波用于大斷面明渠流量測量，現有理論充分，但真正用好測準并不容易，通過(guò)這次實(shí)踐，主要體會(huì )如下：
（1）要根據測量對象及現場(chǎng)實(shí)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(mǎn)足測量要求。
（2）選準測量位置，要充分保障測量點(diǎn)上下執行段的長(cháng)度，以保證測量點(diǎn)流態(tài)穩定。
（3）準確校準測量系統各通道的傳輸延遲時(shí)間，正確設定測量系統內部參數。
（4）準確測量執行渠道斷面的幾何參數，換能器的安全位置，牢固安裝水下設備。
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