超聲波明渠流量計 在陸渾灌區(qū)供水中的應用

劉志勛

【摘要】隨著工農(nóng)業(yè)和城鄉(xiāng)的快速發(fā)展，水已經(jīng)成為制約經(jīng)濟發(fā)展和影響人民生活的重要商品，為了節(jié)約用水，渠道的流量計量就顯得尤為重要。超聲波明渠流量計是一種先進的明渠測流儀器，它通過儀表同時測量渠道的平均流速和液位來測量流量，比以前的堰槽方式計量流量精度高，數(shù)據(jù)處理方便，應在水利工程中廣泛應用。

【關鍵詞】明渠；流量計；原理；特點；安裝

陸渾水庫位于黃河支流伊河中游的河南嵩縣境內(nèi)，工程于1959年12月開始興建，1965年8月底建成，控制流域面積3492km2，總庫容13.2億m3。水庫按千年設計，萬年校核，是一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游、城市供水等多種功能綜合利用的大型水利樞紐工程。

水庫已建的供水工程有洛陽市供水引陸入洛供水工程、伊川二電、伊川三電供水工程。引陸入洛工程直接從發(fā)電洞引水，通過管道輸向洛南水廠，年供水約1000萬立方米。原設計的測流設備如同渠道測流，耗費人工大，數(shù)據(jù)也不準確，故工程建成后，未建計量裝置，用水量都是從用水戶獲取，特別是電廠工程，無法估算滲漏及蒸發(fā)損失，不能精確知道供水量，給供水管理工作帶來極大不便。

近年來隨著測量技術發(fā)展及數(shù)據(jù)自動化處理水平的提高，開發(fā)出了各種類型測流設備。如：電磁測流計、超聲波流量計等使數(shù)據(jù)生成、傳輸一體化，給工程管理提供了方便。我單位也分別在2014、2015年對引陸入洛工程、二電、三電供水工程安裝超聲波明渠流量計，運行兩年來，測流方便，數(shù)據(jù)精確，使工程測流工作上升到自動化水平，工程管理邁上新臺階。

流量計是由流量顯示儀、流速計、液位計組成的流速面積法測流量的明渠測量流量系統(tǒng)。適用于水庫、河流、水利工程、城市供水、污水處理、農(nóng)田灌溉、水政水資源等矩形、梯形明渠及涵洞的流量測量。

超聲波明渠流量與相應的巴歇爾槽配用，利用超聲波在空氣中的傳播規(guī)律來測量液位、流速，并不斷把液位信息傳輸給主機，主機通過運算系統(tǒng)，自動測出瞬時流量和累計流量并存儲

自然流動的自由水面狀態(tài)下測量流體的流量，謂之明渠流量檢測。由于明渠流量較大或較小，流體中往往會有一定的腐蝕性或夾帶一些雜質(zhì)，使用一般的管道流量計檢測流量是很困難的。城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、明渠流量檢測尤其是超聲波非接觸式明渠流量儀為首選的流量檢測儀器。

渠道式流量計量原理與其他管道式流量計量方法比具有一定的復雜性。它具有不同尺寸不同材質(zhì)的渠底、渠壁和自由液面，不但斷面形狀各異，而且水平和垂直流速分布不同，流態(tài)復雜。平均流速的測量可采用多普勒法和時差法來測量。液位的測量方法可采用超聲液位計。

自然流動的自由水面狀態(tài)下測量流體的流量，謂之明渠流量檢測。由于明渠流量較大或較小，流體中往往會有一定的腐蝕性或夾帶一些雜質(zhì)，使用一般的管道流量計檢測流量是很困難的。城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、明渠流量檢測尤其是超聲波非接觸式明渠流量儀為首選的流量檢測儀器。

時差法測流工作原理是利用一對超聲波換能器相向交替收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法。順流換能器和逆流換能器分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離X，則流體的流速V=C2△t/2X。

超聲液位計發(fā)射超聲脈沖，通過傳播媒質(zhì)傳播到被測液面，經(jīng)反射后再通過傳聲媒質(zhì)返回到接收換能器，測出超聲脈沖從發(fā)射到接收在傳聲媒質(zhì)中傳播的時間。再根據(jù)傳聲媒質(zhì)中的聲速，就可以算得從換能器到液面的距離。從而確定液位。因此我們可以計算出探頭到反射面的距離D = C*t/2（除以2 是因為聲波從發(fā)射到接收實際是一個來回，D 是距離，C 是聲速，t 是時間）。再通過減法運算就可得出液位值。

超聲波明渠流量計以流速-水位運算法為基礎，并采用了先進的伺服水位跟蹤測速系統(tǒng)和微處理器，從而確保測速和運算的準確性的一種新型智能化流量系統(tǒng)，根據(jù)渠道的寬度和測量精度的要求，采用一線一點法或多線一點法明渠測流的數(shù)學模型。 智能明渠流量系統(tǒng)顯示儀中微處理器根據(jù)水位計測出的實際水位值，輸出控制信號去驅(qū)動伺服跟蹤執(zhí)行機構帶動電磁流速儀自動跟蹤，在垂線平均流速點0.4倍水深處檢測流速，并根據(jù)實測的水位值、流速值和已置入的渠道幾何尺寸、邊坡系數(shù)、渠道精度、水力坡道、流速垂直平面修正系數(shù)，按照預定的數(shù)學模式計算出渠道的流量。

超聲波明渠流量計測量范圍大（0.05-10m/s），流量測量不受支流面回水的影響；測量不受水中漂浮物、泥沙、氣泡和水位大幅度變化的影響，流速傳感器結構簡單、體積小、安裝方便對水流不產(chǎn)生阻力。標準渠道不需要改造即可直接安裝，安裝施工費用低；儀表顯示功能：可同時顯示水位、斷面平均流速、斷面瞬時流量、累計流量等測量數(shù)據(jù)；儀表輸出接口：脈沖（頻率）、RS485/RS232、（電流）；儀表報警內(nèi)容：水位超限、流量超限、流速超限等報警項；具有數(shù)據(jù)永久保存功能，可在長期斷電的情況下保存設置參數(shù)和流量值；儀表具有：有線、無線數(shù)據(jù)遠傳功能（GPRS無線通訊）；通訊協(xié)議支持標準Modbus（RTU）協(xié)議；儀表內(nèi)置防雷功能。

超超聲波流量計安裝方便，不需土建工程，但在安裝時應注意以下問題：1.實測流速是建立在渠道流態(tài)比較均勻的前提下的，即要求渠道的直線段長度要滿足要求。現(xiàn)場直線段不足時，要通過在測量段交叉設置聲道來補償斜線流對流速測量準確度的影響。2.測量段前后若有堰、閘等設施使垂直流態(tài)紊亂時，應采用多聲道測量方式來達到準確測量平均流速。3.流量測量影響最大的是渠道斷面積的誤差，所以要保持渠寬一致、渠壁平整、渠底無淤積，使渠道斷面積誤差要控制嚴格。

在社會高度發(fā)展的今天，水在國民經(jīng)濟發(fā)展中占著重要地位，而我國水資源量相對短缺，節(jié)約用水、合理用水勢在必行。因此要求明渠流量測量要求精度高。超聲波明渠流量計是一種先進的明渠測流儀器，它比傳統(tǒng)的堰槽測流方法精度高，所測渠道斷面不受限制，可以寬達上百米，應在水利和供水工程中廣泛推廣運用。

（本文作者系河南省陸渾水庫管理局 河南 洛陽 471003）