超聲波明渠流量計(jì)應(yīng)用于江邊水站的流體流量
發(fā)布時(shí)間：2014.02.26 新聞來源：超聲波流量計(jì)_超聲波明渠流量計(jì)_多普勒流速儀-南京卓瑪機(jī)電有限公司 瀏覽次數(shù)：
1. 前言
******對(duì)武鋼引用長江水按江心水站和江邊水站水泵的能力收取資源費(fèi)，因此對(duì)其水量進(jìn)行計(jì)量，不但能使水費(fèi)收取趨向合理，而且能為武鋼的生產(chǎn)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)中心及能源總廠的要求，武鋼計(jì)控公司與有關(guān)單位科技人員共同努力，研制開發(fā)出多聲路超聲波流量裝置，用于武鋼江邊水站明渠，測(cè)量水流量，系統(tǒng)經(jīng)半年試運(yùn)行，效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
2.測(cè)量基本理論
2.1 流速基本計(jì)算公式
由明渠基本理論，對(duì)于明渠恒定均勻流，已知沿水深方向有下列對(duì)數(shù)形式的點(diǎn)流速u的計(jì)算公式
式中，u——點(diǎn)流速
u*——摩陰流速
C——常數(shù)
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(cè)量工作原理，采用時(shí)差法進(jìn)行測(cè)量。也就是通過測(cè)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(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(duì)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(dāng)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(dāng)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(jù)（2）、（3）兩式將c用t1和t2替代得
由（5）式可見，只要能測(cè)出超聲波正向和逆向的傳播時(shí)間t1和t2，就能計(jì)算換能器所在的流層的流速u，進(jìn)而與已測(cè)得的其它流層的流速一起，計(jì)算流量。
2.3 測(cè)量方法
根據(jù)上述測(cè)量基本理論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，決定對(duì)每條渠道采用四組超聲換能器進(jìn)行流速的測(cè)量，一臺(tái)超聲水位計(jì)測(cè)量水位。流速換能器、水位井及水位計(jì)換能器在水渠中的安裝位置見圖2。在測(cè)量出水位和各流層的流速后，可由下式計(jì)算出斷面平均流速。
式中，ui——某流層流速
Ki——加權(quán)系數(shù)
由平均速度計(jì)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(jì)超聲換能器安裝位置。1～5；2～6；3～7；4～8號(hào)換能器分別組成4個(gè)互為發(fā)射接收的層流速測(cè)量組，分別測(cè)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(cè)量方式的特點(diǎn)
（1）可較大范圍地測(cè)量流量，當(dāng)渠道通過流量較小，水位較低時(shí)，可以測(cè)量，當(dāng)渠道通流量較大，水位較高時(shí)，也可以測(cè)量。
（2）可適應(yīng)流態(tài)畸變，當(dāng)流量發(fā)生變化，或者受到擾動(dòng)時(shí)，斷面流速分布曲線將發(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(cè)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(cè)量精度不變。
3.現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試
江邊水站有兩條水渠，在兩條渠道上有調(diào)度控制閘、堤前閘、堤后閘。該渠建于地下，穿過大堤流入內(nèi)河，在長江水位低于內(nèi)河水位時(shí)，江邊水站9臺(tái)機(jī)組中的2～4臺(tái)將江水抽入兩條水渠中，排入內(nèi)河，在長江水位高于內(nèi)河水位時(shí)，江水經(jīng)調(diào)度控制閘控制，通過這兩天條渠直接將江水排入內(nèi)河，渠中水量可以通過機(jī)組或調(diào)度控制閘控制，兩條水渠全長187.9m，渠道斷面2m×4m×3.5m，堤前閘至堤后閘間的直線渠道85m。根據(jù)兩條水渠的具體情況，超聲波流量計(jì)換能器安裝在堤前閘和堤后閘之間靠近堤后閘直渠道內(nèi)。流量計(jì)操作室建在大堤內(nèi)堤后閘井旁。這樣的選擇滿足了設(shè)備安裝的技術(shù)要求，同時(shí)也保證了設(shè)備的安全運(yùn)行與維護(hù)。明渠流量現(xiàn)場(chǎng)安裝示意見圖3。
3.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝造成測(cè)量誤差的因素
（1）測(cè)量斷面上幾何參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)。
①聲路長L測(cè)量不準(zhǔn)；
②聲路角φ測(cè)量不準(zhǔn)；
③渠道截面積S測(cè)量不準(zhǔn)。
(2)流態(tài)分布畸變引起的測(cè)量誤差。
(3)脈動(dòng)流引起水位的測(cè)量誤差
3.2 安裝中對(duì)誤差控制所采取的措施
(1)采用科學(xué)的安裝方法和準(zhǔn)確的測(cè)量工具，保證換能器的準(zhǔn)確定位。
①應(yīng)用經(jīng)緯儀在渠道內(nèi)進(jìn)行換能器定位，使聲路角φ的測(cè)量誤差控制在0.01°以內(nèi)。
②在渠道內(nèi)用專用測(cè)量工具實(shí)測(cè)量路長，使聲路長的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到毫米級(jí)。
③在測(cè)量多個(gè)斷面上測(cè)量渠寬，求平均值，以保證截面積計(jì)算正確。
(2)選擇***加測(cè)量點(diǎn)
在換能器上下游選取足夠長的執(zhí)行段，以保證測(cè)量區(qū)流態(tài)穩(wěn)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(zhí)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)問題
(1)建立水位井測(cè)量水位的高度，有效控制水流表面波引起的高度測(cè)量誤差。
(2)超聲波流量計(jì)沒有機(jī)械慣性，可以快速采樣，用多次采樣平均計(jì)算出的流量可以消除流速脈動(dòng)造成的問題。
4 流量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定
依照武漢鋼鐵(集團(tuán))公司技術(shù)操作規(guī)程(B標(biāo)準(zhǔn))、Q/WGB503220301――96A技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)江邊明渠流量測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)在線標(biāo)定，其方法是：江邊水站開一臺(tái)水泵，將0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)安裝在水泵進(jìn)水管上與明渠流量計(jì)同步測(cè)量流量，取相同時(shí)區(qū)的流量平均值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果證明系統(tǒng)測(cè)量誤差達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足了武鋼生產(chǎn)和生活用水調(diào)度的要求。
5 結(jié) 語
超聲波用于大斷面明渠流量測(cè)量，現(xiàn)有理論充分，但真正用好測(cè)準(zhǔn)并不容易，通過這次實(shí)踐，主要體會(huì)如下：
（1）要根據(jù)測(cè)量對(duì)象及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有針對(duì)性地制定測(cè)量方案，才有可能達(dá)到測(cè)量目的，滿足測(cè)量要求。
（2）選準(zhǔn)測(cè)量位置，要充分保障測(cè)量點(diǎn)上下執(zhí)行段的長度，以保證測(cè)量點(diǎn)流態(tài)穩(wěn)定。
（3）準(zhǔn)確校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)各通道的傳輸延遲時(shí)間，正確設(shè)定測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)。
（4）準(zhǔn)確測(cè)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。
******對(duì)武鋼引用長江水按江心水站和江邊水站水泵的能力收取資源費(fèi)，因此對(duì)其水量進(jìn)行計(jì)量，不但能使水費(fèi)收取趨向合理，而且能為武鋼的生產(chǎn)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)中心及能源總廠的要求，武鋼計(jì)控公司與有關(guān)單位科技人員共同努力，研制開發(fā)出多聲路超聲波流量裝置，用于武鋼江邊水站明渠，測(cè)量水流量，系統(tǒng)經(jīng)半年試運(yùn)行，效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
2.測(cè)量基本理論
2.1 流速基本計(jì)算公式
由明渠基本理論，對(duì)于明渠恒定均勻流，已知沿水深方向有下列對(duì)數(shù)形式的點(diǎn)流速u的計(jì)算公式
式中，u——點(diǎn)流速
u*——摩陰流速
C——常數(shù)
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(cè)量工作原理，采用時(shí)差法進(jìn)行測(cè)量。也就是通過測(cè)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(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(duì)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(dāng)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(dāng)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(jù)（2）、（3）兩式將c用t1和t2替代得
由（5）式可見，只要能測(cè)出超聲波正向和逆向的傳播時(shí)間t1和t2，就能計(jì)算換能器所在的流層的流速u，進(jìn)而與已測(cè)得的其它流層的流速一起，計(jì)算流量。
2.3 測(cè)量方法
根據(jù)上述測(cè)量基本理論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，決定對(duì)每條渠道采用四組超聲換能器進(jìn)行流速的測(cè)量，一臺(tái)超聲水位計(jì)測(cè)量水位。流速換能器、水位井及水位計(jì)換能器在水渠中的安裝位置見圖2。在測(cè)量出水位和各流層的流速后，可由下式計(jì)算出斷面平均流速。
式中，ui——某流層流速
Ki——加權(quán)系數(shù)
由平均速度計(jì)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(jì)超聲換能器安裝位置。1～5；2～6；3～7；4～8號(hào)換能器分別組成4個(gè)互為發(fā)射接收的層流速測(cè)量組，分別測(cè)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(cè)量方式的特點(diǎn)
（1）可較大范圍地測(cè)量流量，當(dāng)渠道通過流量較小，水位較低時(shí)，可以測(cè)量，當(dāng)渠道通流量較大，水位較高時(shí)，也可以測(cè)量。
（2）可適應(yīng)流態(tài)畸變，當(dāng)流量發(fā)生變化，或者受到擾動(dòng)時(shí)，斷面流速分布曲線將發(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(cè)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(cè)量精度不變。
3.現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試
江邊水站有兩條水渠，在兩條渠道上有調(diào)度控制閘、堤前閘、堤后閘。該渠建于地下，穿過大堤流入內(nèi)河，在長江水位低于內(nèi)河水位時(shí)，江邊水站9臺(tái)機(jī)組中的2～4臺(tái)將江水抽入兩條水渠中，排入內(nèi)河，在長江水位高于內(nèi)河水位時(shí)，江水經(jīng)調(diào)度控制閘控制，通過這兩天條渠直接將江水排入內(nèi)河，渠中水量可以通過機(jī)組或調(diào)度控制閘控制，兩條水渠全長187.9m，渠道斷面2m×4m×3.5m，堤前閘至堤后閘間的直線渠道85m。根據(jù)兩條水渠的具體情況，超聲波流量計(jì)換能器安裝在堤前閘和堤后閘之間靠近堤后閘直渠道內(nèi)。流量計(jì)操作室建在大堤內(nèi)堤后閘井旁。這樣的選擇滿足了設(shè)備安裝的技術(shù)要求，同時(shí)也保證了設(shè)備的安全運(yùn)行與維護(hù)。明渠流量現(xiàn)場(chǎng)安裝示意見圖3。
3.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝造成測(cè)量誤差的因素
（1）測(cè)量斷面上幾何參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)。
①聲路長L測(cè)量不準(zhǔn)；
②聲路角φ測(cè)量不準(zhǔn)；
③渠道截面積S測(cè)量不準(zhǔn)。
(2)流態(tài)分布畸變引起的測(cè)量誤差。
(3)脈動(dòng)流引起水位的測(cè)量誤差
3.2 安裝中對(duì)誤差控制所采取的措施
(1)采用科學(xué)的安裝方法和準(zhǔn)確的測(cè)量工具，保證換能器的準(zhǔn)確定位。
①應(yīng)用經(jīng)緯儀在渠道內(nèi)進(jìn)行換能器定位，使聲路角φ的測(cè)量誤差控制在0.01°以內(nèi)。
②在渠道內(nèi)用專用測(cè)量工具實(shí)測(cè)量路長，使聲路長的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到毫米級(jí)。
③在測(cè)量多個(gè)斷面上測(cè)量渠寬，求平均值，以保證截面積計(jì)算正確。
(2)選擇***加測(cè)量點(diǎn)
在換能器上下游選取足夠長的執(zhí)行段，以保證測(cè)量區(qū)流態(tài)穩(wěn)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(zhí)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)問題
(1)建立水位井測(cè)量水位的高度，有效控制水流表面波引起的高度測(cè)量誤差。
(2)超聲波流量計(jì)沒有機(jī)械慣性，可以快速采樣，用多次采樣平均計(jì)算出的流量可以消除流速脈動(dòng)造成的問題。
4 流量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定
依照武漢鋼鐵(集團(tuán))公司技術(shù)操作規(guī)程(B標(biāo)準(zhǔn))、Q/WGB503220301――96A技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)江邊明渠流量測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)在線標(biāo)定，其方法是：江邊水站開一臺(tái)水泵，將0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)安裝在水泵進(jìn)水管上與明渠流量計(jì)同步測(cè)量流量，取相同時(shí)區(qū)的流量平均值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果證明系統(tǒng)測(cè)量誤差達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足了武鋼生產(chǎn)和生活用水調(diào)度的要求。
5 結(jié) 語
超聲波用于大斷面明渠流量測(cè)量，現(xiàn)有理論充分，但真正用好測(cè)準(zhǔn)并不容易，通過這次實(shí)踐，主要體會(huì)如下：
（1）要根據(jù)測(cè)量對(duì)象及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有針對(duì)性地制定測(cè)量方案，才有可能達(dá)到測(cè)量目的，滿足測(cè)量要求。
（2）選準(zhǔn)測(cè)量位置，要充分保障測(cè)量點(diǎn)上下執(zhí)行段的長度，以保證測(cè)量點(diǎn)流態(tài)穩(wěn)定。
（3）準(zhǔn)確校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)各通道的傳輸延遲時(shí)間，正確設(shè)定測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)。
（4）準(zhǔn)確測(cè)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。
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