超聲波法與流速儀法在明渠測流中的比較研究.docx

1、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,39(2)；301-304JournalofShandongAgriculturalUniversity(NaturalScience)超聲波法與流速儀法在明渠測流中的比較研究楊紅玲馬樹升張加義2,樊銘京張峰'(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018；2.淄博太河水庫一干渠淄川區(qū)管理處，山東淄博255150)摘要:本文簡述了超聲波流量計(jì)的時差法測流原理，介紹了流速儀法測流流量計(jì)算的方法。通過超聲波法與流速儀法實(shí)際測流比較，得出超聲波流量計(jì)測量精度高，適用性強(qiáng),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

2、，可以作為準(zhǔn)確測量明渠流量的一種方法加以推廣。關(guān)鍵詞:明渠;超聲波;流速儀;刪流中圖分類號:S932、9'14文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號：1000-2324(2008)02-0301-04COMPARATIVESTUDYONULTRASONICANDVELOCITYINSTRUMENTINTHEFLOWMEASUREMENTOFOPENCHANNELYANGHong-ling1,MAShu-sheng1,ZHANGJia-yi2,FANMing-jing1,ZHANGFeng1(1.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,ShandongA

3、griculturalUniversity,Taian271018,China；2.TheFirstMainCanalAdministrativeBureauofTaiheReservoirinZichuanDistrict,Zibo255150,China)Abstract:Thispaperintroducedtheflowmeasuringprincipleoftime一differencemethodofultrasonicflowmeterandtheflowcalculatingmethodinflowmeasurementwithvelocityinstrument.Throug

4、hthepracticalflowmeasuringComparisonbetweenultrasonicandvelocityinstrument,thattheultrasonicflowmeterpossesseshigherprecision,andStrongerapplicabilitythanthevelocityinstrumentcanbeconcluded.Moreover,ultrasonicflowmeTerdoesnotaffecttheflowstateinopenchannelandrealizesthereal一timemonitoringandthereal-

5、timedeliveringofhydrologicaldata.So,itcanbepromotedproperlyintheflowmeasurementofopenchannelasanaccuratemethod.Keywords:Openchannel;ultrasonic;velocityinstrument；flowmeasurement.1引言超聲波測流是一門新興的測量技術(shù)。近年來，隨著大型灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快，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。而傳統(tǒng)的大型明渠渠道測流方法通常采用流速儀法，因此對超聲波法測流與

6、流速儀法測流進(jìn)行比較研究非常必要。2 超聲波法測流21超聲波流量計(jì)的時差法測流原理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。超聲波流量計(jì)的時差法測流布置如圖1所示，在渠道兩側(cè)水下某深度處，相對地斜向裝置一對電聲可逆的換能器，其間距為L,該層水流平均速度為，水流方向與AB的夾角為們水流在AB方向的分速度為收稿日期：2007-5-18作者簡介:楊紅玲(1965-)，女，在讀碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉等方面

7、研究.,通訊作者：Authorforcorrespondence.E-mail：mss山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第39卷VCOS。,超聲波在靜水中傳播速度為C。LL如果上游換能器4作為發(fā)射器向渠道對側(cè)發(fā)射超聲波（即順流），經(jīng)4時間后，被作為接收器的下游換能器B所接收，此時超聲波的速度是C+%，超聲波在水流中的傳播歷時為圖1時差法測流原理Fig.1Flowmeasuringprincipleoftime一differencemethod反之，若以B作為發(fā)射器,4作為接收器（即逆流），在相同的水流速度影響下，超聲波的速度應(yīng)是C-其傳播歷時烏為靜水中超聲波波速C受水溫、壓力和水中雜質(zhì)含量的影響，

8、故將式（1）、（2）整理得某一水層平均流式中:嘉為常數(shù)，只要測出順流和逆流傳播時間L、，2就能求出。，式（3）就是時差法測流速的基本原理。根據(jù)測得的水層平均流速，即可計(jì)算出全斷面的流量。，.2.2流量計(jì)算大型明渠渠道水面寬、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，沿渠兩側(cè)安放多對換能器（由聲道數(shù)決定），測得若干聲道上的平均流速V,計(jì)算各部分流量，使之累加即可求得整個斷面的流量。聲道斷面流量Q二誓1（幻+心）/2（4）i=1渠底層流量Q=4g（l+F）/2（5）水面頂層流量Q,+以$）/（1+陽）（6）圖2分層測流Fig.2Stratifiedflowme

9、asurement式中:&第i好聲道與第，+1好聲道之間的斷面面積以為從第i好聲道計(jì)算出的流速叭i為從第i第2期楊紅玲等:超聲波法與流速儀法在明渠測流中的比較研究303+1好聲道計(jì)算出的流速;1為渠底和最下一個好聲道之間的斷面面積;A,為最上一個好聲道與水面之間的斷面面積；Vj、Vn分別為最下、最上一個好聲道的流速;為表面流速估計(jì)值,通過外推法利用最上一個好聲道和下一個好聲道計(jì)算如為渠底摩擦系數(shù);Wt為渠頂加權(quán)系數(shù)。整個斷面的流量。為：Q=+Q(7)為保證測量精度,在明渠上采用超聲波流量計(jì)測流時，一要使測流斷面前后有足夠的平直段,二要有足夠的聲道數(shù)量。對于渠道水流流態(tài)不均勻的，可考慮采

10、用交叉聲路布置。對于渠道水位變化較大的可考慮增加聲道數(shù)量。3 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。同時，到目前為止，因無更先進(jìn)的儀器設(shè)備，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。3.1 選擇斷面，確定測線及測點(diǎn)測流斷面的選擇十分重要。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。目前，我國對測速垂線數(shù)目的規(guī)定主要

11、根據(jù)渠寬和水深而定，干、支渠水面寬5-15m時，可設(shè)59條測速垂線。垂線上測速點(diǎn)的數(shù)目主要考慮測流精度要求,水深為13m時，流速分布不均勻，可采用三點(diǎn)法、五點(diǎn)法或六點(diǎn)法施測。.3.2 平均流速計(jì)算測流的過水?dāng)嗝嫫骄魉偌傲髁坑?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4均采用六點(diǎn)法計(jì)算：=10+2%2+2%.4+2%飛+2%.8+*0)(8)式中:。0.0、.2、刀0.4*0.6、。0.8、。10、分別代表垂線流速分布曲線水面、相對水深為。2心、0.4m、0.6m、0.8及河底的測點(diǎn)流速。渠邊部分平均流速V=ZVW.或Vn(9)式中:。誠分別為自渠邊起第一條、最末一條測

12、線平均流速;。為渠邊流速系數(shù)，通常斜坡渠邊取。70,陡坡渠邊取0.80。3.3 流量計(jì)算斷面流量Q為各部分流量的代數(shù)和nQM2+如+/+q=2，(1°)I=14 測流比較4.1 測流地點(diǎn)的確定測流地點(diǎn)選在昌樂縣高崖水庫灌區(qū)。在總干渠高崖與唐吾分界處徐家廟監(jiān)測站，渠道約有5km長恰好沿公路西側(cè)筆直布置，混凝土板襯砌,渠底寬7m,邊坡為1：1.5,流量。=3.0-14次介,水深/i=1.02.0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。4.2 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，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

13、測流比較。徐家廟監(jiān)測站水面較寬，約在W12m,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)26個測速點(diǎn)。為提維普浴3+1httn7/wvvwrnvinrnm304304山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第39卷高測量精度,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34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)選用一臺韓國進(jìn)曰明渠超聲波5聲道流量計(jì)，它由10只超聲波流速傳感器構(gòu)成5個聲道和一套聲波水位計(jì)組成,精度土1.0%。明渠超聲波流量計(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

14、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5聲道工作，最小測流工況時為3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,計(jì)算公式為：(11)a=昭wAT式中:。/為明渠超聲波流量計(jì)測得流量值，/n3/5；AG為與流速儀

15、法測流時段對應(yīng)的超聲波流量計(jì)累計(jì)水量差值,血3；T為與流速儀法測流時段對應(yīng)歷時,S。4.3 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%0且超聲波法測量值均小于流速儀法測量值。其中部分測試結(jié)果見表1。表1超聲波測流數(shù)據(jù)與流速儀測流數(shù)據(jù)對比(單位:m7s)Table1Thecontrastofmeasuredvaluebetweenultrasonicandvelocityinstrument(unit：m3/s)時間2006-10-22006-10-22006-10-22006-10-22006-10-22006-10-2Time8：00-10；0010：00-1

16、2；0012：00-14：0014：00-16：0016：00-18：0018：00-20.00超聲波Ultrasonic3.423.393.443.443.423.56流速儀Velocityinstrument3.483.453.483.513.493.60測量偏差-0.06-0.06-0.04-0.07-0.07-0.045結(jié)語通過兩種方法的實(shí)測可以看出：超聲波測流技術(shù)測量精度高，方法簡單，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)。因此隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和遙測設(shè)備的不斷完善，灌區(qū)量水將最終實(shí)現(xiàn)用水管理的信息化、自動化和智能化，超聲波測流技術(shù)一定會作為準(zhǔn)確測量明渠流量的一種方法加以推廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn)13451345趙志貢，岳利軍,趙彥增，等.水文測驗(yàn)學(xué)