时差法超声波流量计在矩形渠道测流中的应用研究

尚国秀，肖 让，田建良，张永玲，赵志武

(1.河西学院土木工程学院(水资源保护利用研究所)，甘肃 张掖 734000；2.张掖金志信息技术有限公司，甘肃 张掖 734000)

时差法超声波流量计是一种基于超声波时差法的明渠测流设备，随着电子技术、数字与声波技术的发展，超声波流量计技术也经过了近半个世纪的探索与发展，已在水利、农业、水电等部门及领域得到广泛应用，日趋成为测流工作的首选。时差法超声波流量计以其较高的测量精度，被引入农业灌溉渠道及天然河道的流量测量中[1- 4]。

河西学院土木工程学院与张掖金志信息技术有限公司合作，通过设计超声波测流硬件、编写功能代码、设计单片机系统、嵌入式系统和远程通信与存储模块的硬件与软件，共同开发完成的一款渠道精准测流产品。将以张掖市山丹县红岩坝渠为例，以实验室高精度多功能变坡水槽作为参照，对时差法超声波流量计在明渠中应用的精度和误差做相关研究分析，以期为渠道精准测流提供一定参考依据[5- 8]。

1 时差法超声波流量计测流原理

时差法测量流体流量的原理如图1所示。利用超声波在流体中传播时因水流方向不同而传播速度不同的特点，通过测量顺水流方向传播时间t1与逆水流方向传播时间t2的时间差Δt，来计算流体的速度与流量[1]。

设超声波在流体中的传播速度为C，流体流速为V，将一组换能器S1、S2安装在渠道两侧边缘处，换能器间的连线与垂直水流方向呈θ夹角，简称换能器安装角。渠道宽为D，如图1所示。

图1 超声波流量计原理图

从S1到S2顺水流发射时的声波传播时间t1为：

(1)

从S2到S1逆水流方向发射时的声波传播时间t2为：

(2)

式中，τ—信号在换能器与电路中的时间延迟。

(3)

因为在常见液体中声速要大于1000m/s，而液体流速小于10m/s，即C2≫V2。所以式(3)可以简化为：

(4)

(5)

根据测流经验，水流在同一断面不同水深处由于摩擦阻力作用，得到的流速亦不同。故采用分层流速后求均值的算法，确保测流的精准度。将水流分为3层，每层流速定义为V1、V2、V3，如图2所示。

图2 超声波流量计测流示意图

(6)

将压力传感器或雷达水位计水位值定义为H，则瞬时流量Q为：

(7)

式中，K—流速分布修正系数。

2 试验设计

2.1 试验设备

(1)时差法超声波流量计。

(2)高精度多功能双变坡玻璃水槽，简称变坡水槽，水槽主体、流量控制系统和尾门控制系统等部分组成。水槽规模：9m×0.6m×0.8m(长×宽×高)，最大流量150L/s，槽内最大水深0.7m。

2.2 试验过程

试验1：将时差法超声波流量计布设于变坡水槽两侧紧贴水槽玻璃内壁处，将水槽的超声波探头置于一组换能器连线中点所在的平面内。在流量控制系统中设定流量，整个过程中水槽尾门全开，①通过变坡水槽超声波流量控制系统测得水位与流量关系，计算得到流速。②通过超声波流量计测量槽内水流水位、流速，并计算得到流量。如图3所示。

图3 超声波流量计测变坡水槽内流量示意图

试验2：将超声波流量计布设于宽0.8m、深0.65m的红岩坝支渠两侧，测量渠道内水位、流速，通过测量截面尺寸计算得到流量。如图4所示。

图4 超声波流量计渠道测流

2.3 换能器安装角度θ的选择

换能器安装角度θ会对检测精度产生影响，可用以下公式表示：

(8)

相对误差传递系数为：

(9)

θ的相对误差传递系数是关于θ的函数，在0°～90°范围内随θ的增大而单调递增，对于超声波流量计，换能器安装角度大多在30°～60°之间。λ30°=0.3，λ60°=1.8。 因此换能器安装角度越小，其相对测量误差就越小，反之越大。然而，在实际设计中，换能器安装角会影响信号传输距离，因此本试验中取换能器安装角θ为55°。

3 结果与分析

3.1 超声波流量计测变坡水槽流量、流速

变坡水槽自动流量系统的水位—流量关系如图5所示。变坡水槽自动流量系统的水位—流速关系如图6所示。

图5 变坡水槽自动流量系统的水位—流量关系图

图6 变坡水槽自动流量系统的水位—流速关系图

从图5—6可知，变坡水槽自动流量系统中设定的槽内引进流量分别是120L/s和140L/s，随着流量的增大，流速逐渐减小，随着流量稳定在140L/s，流速亦趋于稳定。

图7反映了水槽自动流量控制系统和超声波流量计所测得同时段的水位—流量关系变化过程。10min内水流流量经历瞬间增大、逐步增长、趋于稳定3个阶段。超声波流量计与水槽自动流量控制系统两者所得水位—流量折线关系整体趋势基本一致，而在同一水位下所得流量值略有变幅，最大变幅为4.2%；同时，由于水槽自动流量控制系统探头所测点处于测段长度及宽度中部，故所得流量值总体略大于超声波流量计。

图7 自动流量系统、超声波流量计水位—流量关系对比图

3.2 超声波流量计测渠道流量、流速

图8—9为超声波流量计所测得24h内某矩形渠道水位与相应的流量、流速关系折线图。

图8 超声波流量计测渠道水位—流量关系图

图9 超声波流量计测渠道水位—流速关系图

由图8—9可知，图中点的分布较分散，无法得到连续的折线图，这是因为渠道内水深较浅(<18.5cm)，最大流量为296L/s，最大流速1.158m/s。

当变坡水槽自动流量控制系统输入流量为140L/s、且输出流量控制在140±1L/s时，积分法计算1h内超声波流量计总流量Q1和变坡水槽自动流量系统总流量Q2，其差值的绝对值|Q1-Q2|≤0.15m3/h。

4 结论

(1)超声波流量计与变坡水槽测流结果吻合度较高，平均相对偏差为3%。

(2)超声波流量计单位小时总流量Q1与变坡水槽自动流量控制系统单位小时总流量Q2差值绝对值|Q1-Q2|≤0.15m3/h。