淺談超聲波明渠測(cè)流儀在扁擔(dān)溝揚(yáng)水灌區(qū)的應(yīng)用

摘要：農(nóng)渠測(cè)流技術(shù)是計(jì)量農(nóng)業(yè)用水的一項(xiàng)基本技術(shù)，長(zhǎng)期以來，在農(nóng)田灌溉中一直采用傳統(tǒng)的機(jī)械流速儀配合渠道斷面測(cè)量渠道水量，計(jì)算十分不便。近年來，寧夏吳忠市扁擔(dān)溝揚(yáng)水灌區(qū)采用超聲波測(cè)流儀，在標(biāo)準(zhǔn)斷面上，可以同時(shí)測(cè)得水位、水流等數(shù)據(jù)進(jìn)行無線或有線的實(shí)時(shí)傳輸，方便技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，現(xiàn)就超聲波明渠測(cè)流儀的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)流儀 應(yīng)用

1 多普勒超聲波測(cè)流儀主要功能

多普勒超聲波在水利測(cè)量中應(yīng)用越來越廣，扁擔(dān)溝揚(yáng)水灌區(qū)在渠道水量測(cè)量中選擇了HOH-L-01多普勒超聲波明渠測(cè)流儀。該設(shè)備可同時(shí)測(cè)量渠道平均流速、水深、水溫，對(duì)窄渠道測(cè)流精度高?？蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線、有線和人工直接取集三種數(shù)據(jù)采集方式。其技術(shù)指標(biāo)為：流速量程：21mm/s到5000mm/s。準(zhǔn)確度：測(cè)量流速的±1%。分辨率：1mm/s。溫度量程：0℃到60℃。分辨率：0.2℃。水位量程：0到5m。分辨率：1mm。準(zhǔn)確度：測(cè)量水位的±0.5%。電源：12V DC/220AC。輸出接口：標(biāo)準(zhǔn)RS232、RS485。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存容量：每10分鐘采集一條記錄，可以存儲(chǔ)超過半年的數(shù)據(jù)。運(yùn)行溫度：0℃到60℃水溫。

1.1 水溫測(cè)量：其中水溫測(cè)量使用溫度探頭，溫度探頭不與水接觸，緊貼儀器外包裝材料頂部，需要置于水底一定時(shí)間后才能反映實(shí)際水溫。測(cè)水溫的目的是校正超聲波在水中的速度，并修正壓力傳感器所測(cè)得的水位值。

1.2 水深測(cè)量（過水?dāng)嗝婷娣e）：水深測(cè)量使用壓力傳感器，置于儀器底部，其探頭感應(yīng)部位與水直接接觸；水深測(cè)得后，通過渠道段斷面形狀可求得過水?dāng)嗝婷娣e。

1.3 平均流速測(cè)量：流速的測(cè)量是通過超聲波探頭（換能器）發(fā)射與接受超生波信號(hào)并做相應(yīng)的計(jì)算處理而獲得的：換能器1發(fā)射頻率為f1的超聲波信號(hào)，以一定角度由水下向水面發(fā)射，在碰到水中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發(fā)生偏移，并以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒將就，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。設(shè)流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v。水中會(huì)有大量的雜質(zhì)顆粒與氣泡，每一個(gè)反射粒子對(duì)應(yīng)一個(gè)多譜勒頻移fd，通過換算可求得其流速，這些大量粒子的平均流速也即流體的平均流速。通過測(cè)得的平均流速及水位及斷面尺寸，可求得斷面流量。

2 設(shè)備安裝條件及安裝流程

2.1 安裝條件 設(shè)備適用于渠道或河流的流量計(jì)量，適合各種水質(zhì)：城市污水、工業(yè)廢水、灌溉用水、飲用水、海水。

2.2 安裝流程

2.2.1 探頭的安裝 探頭應(yīng)安裝于具有固定斷面的渠道順直段下游，順直段長(zhǎng)度最好是渠道水力半徑的5-10倍（順直段越長(zhǎng)測(cè)量精度越高），且這一距離范圍內(nèi)不得有過流阻擋物（如水閘、堰等），以保證探頭前端水流流態(tài)的均勻穩(wěn)定。探頭應(yīng)盡量安裝于靠近渠底，當(dāng)渠底有雜質(zhì)沉積及水草生長(zhǎng)或滾動(dòng)的卵石時(shí)，可抬高安裝位置以避開渠底沉積物與水草覆蓋探頭或卵石沖撞探頭；探頭距渠底的具體高度最好為100mm-250mm，具體視渠道的最低測(cè)流水位而定。當(dāng)渠道水深較高且具有一定的最低水位時(shí)，為了安裝方便只要將探頭安裝于最低水位以下0.5倍處即可。探頭在渠道橫斷面處的安裝位置一般如下（渠寬在20m以下）：對(duì)矩形斷面安裝于渠寬的0.15-0.2倍處；對(duì)梯形斷面則安裝于坡腳處，如圖一，對(duì)于寬度較大的渠道，需安裝2臺(tái)或2臺(tái)以上的探頭，具體位置要視渠道寬度及橫斷面上的流態(tài)分布而定。

2.2.2 安裝方法： 探頭安裝應(yīng)完全平行于渠底（注意不是水平），如圖二，同時(shí)保證與水流方向平行一致，探頭前端（沒有通信電纜的一端）逆水流方向并與水流方向夾角為180度，并且不得有阻擋物干擾水流流態(tài)，通信電纜線最好從探頭的下游沿渠底及渠道邊坡引出水面或從安裝支架的鋼管內(nèi)引出水面。

對(duì)于可完全斷水的渠道，可將固定探頭的支架（固定支架可在當(dāng)?shù)囟ㄗ觯c探頭連接部分最好用不銹鋼板及螺栓）直接固定于渠底；對(duì)于不能完全斷水且上游關(guān)閘后仍有較高水位不便水下作業(yè)的渠道，可將支架固定于渠臂上。固定于渠臂上的支架有兩種方式：簡(jiǎn)易支架與組合支架。簡(jiǎn)易支架主要為一根彎曲的鋼管或度鋅管，底部焊接一水平鋼板以固定探頭，豎立管通過鋼片橫翼固定于渠臂上；組合支架由底座與可拆卸部分組成，探頭安裝于可拆卸部分上，底座一次性固定安裝于測(cè)流斷面處（通過上游臨時(shí)關(guān)閘降低水位后，用膨脹螺栓固定于混凝土邊坡上），可拆卸部分通過水面上的螺栓與底座相連接固定，這樣便于今后對(duì)探頭的檢修與更換。

2.2.3 通信電纜的安裝 通信電纜應(yīng)沿著渠底及渠壁由探頭下游方向引出水面，最好套PVC管進(jìn)行保護(hù)并沿程固定；當(dāng)用臂式支架固定探頭時(shí)，通信電纜線可沿支架的空心鋼管引出水面。

探頭所自帶的一段通信電纜線內(nèi)有通氣導(dǎo)管，因此注意不得將其彎折。當(dāng)通信電纜線引出水面后，可接普通的電纜線，此時(shí)應(yīng)使通氣導(dǎo)管開口方向朝下，并用透氣膠布進(jìn)行保護(hù)，防止水及異物進(jìn)入通氣管。

通信電纜線固定安裝好后，需與終端機(jī)通過“轉(zhuǎn)接線”相連接，“轉(zhuǎn)接線”的四芯電線分別為：黃色是電源正，蘭色為電源負(fù)，紅色是數(shù)據(jù)線A，黑色是數(shù)據(jù)線B（對(duì)應(yīng)通信電纜線中的電線為：紅黑線合并為電源正，屏蔽網(wǎng)線為電源負(fù)，其余兩根為R485數(shù)據(jù)線的A與B）。

2.2.4 終端機(jī)的安裝 終端機(jī)應(yīng)固定豎立于管理房或微型工作間內(nèi)，注意防水防潮。終端機(jī)與探頭所帶通信電纜通過“轉(zhuǎn)接線”連接；終端機(jī)與通訊儀或電腦連接時(shí)，需要使用“輸出輸入數(shù)據(jù)線”。“輸出輸入數(shù)據(jù)線”有R232與R485兩種模式，當(dāng)使用沒有串口的筆記本電腦去現(xiàn)場(chǎng)取數(shù)時(shí)，需自配R232轉(zhuǎn)USB的轉(zhuǎn)接頭。

3 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件有兩種：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件與無線監(jiān)控軟件，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件安裝于筆記本上，通過筆記本與流量計(jì)終端機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)R232或R485輸出輸入接口直連來進(jìn)行測(cè)量歷史數(shù)據(jù)的讀取及終端機(jī)工作參數(shù)的設(shè)定；無線監(jiān)控軟件安裝于上位管理機(jī)上，通過無線通訊設(shè)備來進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取及終端機(jī)工作參數(shù)的設(shè)定。

4 日常維護(hù)

①探頭維護(hù) 探頭前端的兩個(gè)圓形超聲波收發(fā)裝置應(yīng)避免硬物撞擊或劃傷，在不用時(shí)應(yīng)使用軟套保護(hù)，當(dāng)其上面附著異物時(shí)應(yīng)用清水沖洗或軟布輕察；底部的壓力傳感器位于網(wǎng)狀透水孔內(nèi)，其壓力膜非常嬌氣，不得用硬物去接觸，在儀器脫離水面不用時(shí)也應(yīng)加以保護(hù)，在透水孔周圍附著異物時(shí)應(yīng)小心除去。②電池維護(hù) 電池在無電源供電時(shí)應(yīng)至少1個(gè)半月充放電一次。③終端機(jī)維護(hù) 終端機(jī)應(yīng)置于干燥處，在現(xiàn)場(chǎng)條件較潮濕時(shí)應(yīng)注意防潮，可用塑料薄膜封裝。

5 注意事項(xiàng)

①通信電纜線由于里面含有通氣管，所以不能彎折過度，防止其折斷。②通信電纜線里面的通氣管與探頭里面的電路板相通，不能進(jìn)水，安裝時(shí)應(yīng)使通氣管末端開口朝下，防止潮氣結(jié)水后沿管壁流入探頭電路處。③通信電纜線由探頭引出水面時(shí)應(yīng)盡量外套PVC管保護(hù)并沿途固定或沿支架的管內(nèi)走線，使其避免直接受水力沖擊而產(chǎn)生拉力，特別是水草較多的渠道當(dāng)電纜線上掛草時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的拉力并有可能將電纜線拉斷。④探頭前面的圓形超生波收發(fā)裝置不能受到?jīng)_擊及劃傷。⑤探頭安裝好后要將其前面的超聲波收發(fā)裝置保護(hù)罩去掉，并將底部網(wǎng)狀圓孔處的保護(hù)貼膜揭掉。⑥終端機(jī)與探頭的接線必須正確連接，否則會(huì)導(dǎo)致儀器損壞。⑦儀器探頭應(yīng)避免在太陽(yáng)下長(zhǎng)時(shí)間暴曬，以免溫度太高而引起故障（探頭的溫度不得超過70℃）。

6 存在的問題及建議

在實(shí)際操作中，該設(shè)備無線通訊GPRS和GSM要借助電信公用信道，會(huì)產(chǎn)生附加運(yùn)行費(fèi)用，給運(yùn)行管理單位帶來新的成本。建議在今后的項(xiàng)目實(shí)施中采用光纖有線骨干網(wǎng)絡(luò)，一步到位，降低單位的運(yùn)行管理成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和通訊通道的暢通。

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作者簡(jiǎn)介：秦巖飛（1972-），男，寧夏吳忠人，工程師，現(xiàn)從事灌區(qū)工程管理工作。