超聲波流量計(jì)自動(dòng)測(cè)回率定裝置研究及應(yīng)用

賈新勝，賈文雯，張曉丹

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；3.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

現(xiàn)代大型調(diào)水工程中，泵站流量計(jì)量一般選用四聲道或八聲道高精度時(shí)差式多聲道超聲波流量計(jì)進(jìn)行泵站流量的測(cè)量，按照廠家模型試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行安裝、調(diào)試和計(jì)量。但工程實(shí)際施工中，測(cè)流流道斷面尺寸、糙率、流態(tài)、安裝位置等測(cè)流條件與廠家模型試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)有一定偏差，超聲波流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)流量運(yùn)行計(jì)量條件相應(yīng)發(fā)生了變化，導(dǎo)致泵站流量計(jì)計(jì)量與實(shí)際流量存在偏差。由于大型調(diào)水工程中泵站進(jìn)水流道多采用漸變肘形彎管、平面蝸殼等異形流道，因此常規(guī)試驗(yàn)室超聲波流量計(jì)檢定、率定方法在現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)難度較大、費(fèi)用較高、重復(fù)投資較大。人工走航式ADCP進(jìn)行流量計(jì)比測(cè)測(cè)驗(yàn)、檢定和率定，存在ADCP岸邊距不固定、速度不均勻、測(cè)深不穩(wěn)定、測(cè)向紊亂、航跡曲折、多次測(cè)回流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差超限（＞5%）等問(wèn)題，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低，流量測(cè)驗(yàn)成果不穩(wěn)定、測(cè)驗(yàn)精度低、成果重復(fù)性差等無(wú)法解決的根本性問(wèn)題依然存在。運(yùn)行人員結(jié)合存在的問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，研究了一套定軌、定點(diǎn)、定速、定向、定時(shí)、定跡的超聲波流量計(jì)自動(dòng)測(cè)回率定裝置，提高了流量測(cè)驗(yàn)成果的穩(wěn)定性和精度，滿足了泵站超聲波流量計(jì)定期校準(zhǔn)和率定的需求，解決了泵站調(diào)度運(yùn)行中亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 實(shí)施方案

1.1 自動(dòng)測(cè)回固定纜道裝置概述

該纜道由兩岸支架及基礎(chǔ)，主索，循環(huán)索，升降索，手電兩用絞車(chē)，行車(chē)架及導(dǎo)向滑輪和控制箱等部分組成。纜道驅(qū)動(dòng)控制裝置安裝在河岸一側(cè)，驅(qū)動(dòng)裝置由電動(dòng)絞盤(pán)、電動(dòng)循環(huán)輪及控制器組成。該裝置可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作、無(wú)線遙控操作和PLC直流變頻調(diào)速自動(dòng)控制，可適應(yīng)走航式ADCP測(cè)船流量測(cè)驗(yàn)定位、航向、入水深度等基本操作。

安裝于主索上的行車(chē)架由閉口循環(huán)索控制進(jìn)退，行車(chē)上懸掛ADCP的定向纜繩，能夠通過(guò)絞盤(pán)控制前進(jìn)和后退；測(cè)船深度調(diào)節(jié)索進(jìn)行測(cè)船高度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)測(cè)船入水深度的控制；當(dāng)氣溫變化或循環(huán)所松動(dòng)變化等出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)整系數(shù)進(jìn)行繩索的調(diào)整松緊索；電動(dòng)絞盤(pán)具有制動(dòng)裝置和鎖緊裝置，能控制行車(chē)架在任何工作位置上定點(diǎn)、定位，滿足控制系統(tǒng)各種技術(shù)性和時(shí)限性功能要求。

1.2 設(shè)置多?？刂品绞?/h3>

自動(dòng)測(cè)回固定纜道率定裝置支持如下3種測(cè)流測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

1）手動(dòng)測(cè)流。絞車(chē)配備手搖變速齒輪結(jié)構(gòu)與絞車(chē)齒輪嚙合，人工通過(guò)手搖裝置控制絞車(chē)使ADCP測(cè)船完成前進(jìn)、后退和升降功能，測(cè)船與系統(tǒng)無(wú)線通訊，完成測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

2）遙控測(cè)流。系統(tǒng)安裝遙控手柄，通過(guò)遙控器在泵站控制室完成電動(dòng)絞盤(pán)的控制，實(shí)現(xiàn)ADCP測(cè)船來(lái)回前進(jìn)、后退、升降等功能，完成測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

3）全自動(dòng)測(cè)流。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)測(cè)回管理平臺(tái)，根據(jù)設(shè)定的邊距、水深、時(shí)間等參數(shù)，系統(tǒng)控制測(cè)船自動(dòng)進(jìn)行定點(diǎn)、定水深、定向、定時(shí)等流量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集與匯總。

1.3 泵站自動(dòng)測(cè)回率定測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)

自動(dòng)纜道數(shù)控系統(tǒng)由直流變頻無(wú)級(jí)變速和PLC控制器等部分組成，通過(guò)PLC可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)流ADCP的出車(chē)、回車(chē)、下降、提升、定點(diǎn)、定速的無(wú)級(jí)變速和時(shí)間控制。通過(guò)控制面板設(shè)定水位、測(cè)邊距和測(cè)船高度參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的移動(dòng)纜繩升降調(diào)整系數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算測(cè)流斷面尺寸、測(cè)流中心點(diǎn)，自動(dòng)設(shè)定測(cè)流起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，安裝好ADCP測(cè)船后，點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)流就可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)往返進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)和檢定。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

泵站自動(dòng)測(cè)回流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合PLC變頻調(diào)速控制和走航式ADCP測(cè)流的特點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)發(fā)的六定功能，節(jié)省了大量測(cè)驗(yàn)人工，提高了測(cè)驗(yàn)精度，可按照規(guī)范對(duì)大型調(diào)水工程超聲波流量計(jì)進(jìn)行高精度檢定和率定。

1）定水位測(cè)驗(yàn)。由于運(yùn)行中調(diào)水水位需要根據(jù)運(yùn)行要求進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)可根據(jù)輸入的實(shí)際測(cè)量斷面水位，自動(dòng)計(jì)算測(cè)流航跡長(zhǎng)度、纜道中心點(diǎn)，自動(dòng)設(shè)定測(cè)回長(zhǎng)度、水深等數(shù)據(jù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)船的高度調(diào)整，解決原系統(tǒng)不能進(jìn)行水位記錄、控制參數(shù)、定位等數(shù)據(jù)自動(dòng)采集計(jì)量的問(wèn)題。

2）定邊距測(cè)驗(yàn)。系統(tǒng)可根據(jù)輸入的水位、岸邊距數(shù)值，自動(dòng)根據(jù)纜道升降調(diào)整系數(shù)，從計(jì)算的纜道中心外推，自動(dòng)定位作為斷面流量測(cè)驗(yàn)的開(kāi)始點(diǎn)位和測(cè)流的結(jié)束點(diǎn)位，流量測(cè)驗(yàn)就在計(jì)算的長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行測(cè)回采集，解決原系統(tǒng)岸邊距不能計(jì)算定位，無(wú)法設(shè)定測(cè)回開(kāi)始、結(jié)束點(diǎn)位的問(wèn)題。

3）定水深測(cè)驗(yàn)。一方面通過(guò)該裝置可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)測(cè)船的入水深度控制，另一方面，根據(jù)大中型泵站不同機(jī)組組合運(yùn)行流速不固定的實(shí)際情況，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了根據(jù)實(shí)際流速流量測(cè)驗(yàn)的不同需求，配套不同測(cè)流鉛魚(yú)配重，可實(shí)現(xiàn)測(cè)船不同入水深度的流量測(cè)驗(yàn)，解決了原測(cè)船入水深度不可控和流速較高時(shí)測(cè)深斷面不穩(wěn)定的問(wèn)題。

4）定航速測(cè)驗(yàn)。由于大中型泵站不同機(jī)組組合運(yùn)行流速不固定的問(wèn)題，系統(tǒng)可根據(jù)不同的速度需求進(jìn)行設(shè)置控制，分為高、中、低三級(jí)，低速狀態(tài)覆蓋2臺(tái)以內(nèi)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的流速，中速覆蓋4臺(tái)機(jī)組以內(nèi)運(yùn)行時(shí)的流速，高速覆蓋特殊測(cè)流需求情況下的流速，實(shí)現(xiàn)纜道小車(chē)的流量測(cè)驗(yàn)速度的調(diào)節(jié)，解決原系統(tǒng)不能進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)速度數(shù)字設(shè)定控制的問(wèn)題。

5）定航向測(cè)驗(yàn)。根據(jù)設(shè)定的固定纜道的方向，結(jié)合水流的方向，系統(tǒng)可根據(jù)纜道小車(chē)位置調(diào)節(jié)吊繩，滿足測(cè)船方向始終與所測(cè)斷面平行，保障了測(cè)流超聲波方向角的穩(wěn)定，提高了流量測(cè)驗(yàn)的精度需求。

6）定測(cè)回測(cè)驗(yàn)。系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)定位測(cè)回始、終兩點(diǎn)位置，可以自動(dòng)完成來(lái)、往一個(gè)完整測(cè)回的流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集工作。同時(shí)，為提高流量測(cè)驗(yàn)精度，也可以根據(jù)需要設(shè)定測(cè)回?cái)?shù)量，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行多測(cè)回流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算并匯總形成成果。解決了原系統(tǒng)一次僅能進(jìn)行半個(gè)測(cè)回的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效、高精度流量測(cè)驗(yàn)工作。

3 實(shí)施效果

1）開(kāi)發(fā)的綜合自動(dòng)測(cè)回流量測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)與ADCP瑞江軟件結(jié)合使用，經(jīng)多測(cè)回ADCP流量測(cè)驗(yàn)實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)多組流量數(shù)據(jù)，相對(duì)誤差均不超過(guò)2%，與泵站正常超聲波流量計(jì)同時(shí)段流量比測(cè)相對(duì)誤差不超過(guò)3%。經(jīng)數(shù)次合理性分析后，比測(cè)精度完全符合和超過(guò)規(guī)范相對(duì)誤差不超過(guò)5%的規(guī)定，滿足超聲波流量計(jì)流量校正、測(cè)驗(yàn)檢定和率定的相關(guān)要求，可作為偏差較大流道超聲波流量計(jì)的比測(cè)檢定。

2）通過(guò)該系統(tǒng)投入運(yùn)用，系統(tǒng)解決了大型調(diào)水工程超聲波流量計(jì)定期檢驗(yàn)、校準(zhǔn)和率定問(wèn)題（六定措施）、大型調(diào)水工程泵站超聲波流量計(jì)測(cè)流偏差較大問(wèn)題，以及大型調(diào)水工程跨流域調(diào)水總流量計(jì)量糾紛測(cè)驗(yàn)和檢驗(yàn)問(wèn)題。提升了工程調(diào)度運(yùn)行數(shù)字化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理水平。

3）該系統(tǒng)的實(shí)施應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大中型調(diào)水泵站超聲波流量計(jì)在線測(cè)驗(yàn)、檢定、率定的目標(biāo)，大大降低了調(diào)水工程中流量測(cè)驗(yàn)人為因素的干擾和影響，開(kāi)創(chuàng)了超聲波流量計(jì)流量測(cè)驗(yàn)和率定的自動(dòng)化方案，為調(diào)水工程數(shù)字調(diào)度和精細(xì)化管理提供了技術(shù)支撐。

4）解決了工程原采用的人工率定方案造成的精度低、效率低、消耗大量人工參與費(fèi)用高、成果穩(wěn)定性差等問(wèn)題（南水北調(diào)中線類(lèi)似工程節(jié)制閘率定費(fèi)用80萬(wàn)元，試驗(yàn)室單次率定報(bào)價(jià)約30萬(wàn)元）。而創(chuàng)新的該系統(tǒng)全部投資不到20萬(wàn)元，在線測(cè)驗(yàn)精度、效率、穩(wěn)定性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工測(cè)驗(yàn)和率定的水平，經(jīng)濟(jì)、效率和效益顯著。本系安裝后可長(zhǎng)期適用開(kāi)展超聲波流量計(jì)流量測(cè)驗(yàn)和率定工作，不需反復(fù)投資。

4 結(jié)語(yǔ)

自主開(kāi)發(fā)的大型調(diào)水工程超聲波流量計(jì)自動(dòng)測(cè)回率定裝置，結(jié)合固定纜道系統(tǒng)、PLC數(shù)控變頻調(diào)速控制和走航式ADCP測(cè)流的特點(diǎn)優(yōu)化組合，通過(guò)開(kāi)發(fā)的六定功能解決了影響ADCP流量測(cè)驗(yàn)、檢驗(yàn)精度的岸邊距、入水深度、測(cè)船航跡、超聲波測(cè)向、測(cè)船航時(shí)和測(cè)船不穩(wěn)、抖動(dòng)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了大型調(diào)水工程超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)驗(yàn)、檢定、率定的目標(biāo)。測(cè)流中節(jié)省了大量測(cè)驗(yàn)人工，降低了測(cè)驗(yàn)成本，提升了測(cè)驗(yàn)精度，提高了檢定、率定效率，解決了大型調(diào)水工程跨流域調(diào)水總流量計(jì)量糾紛測(cè)驗(yàn)和檢驗(yàn)問(wèn)題，為大型調(diào)水工程調(diào)度運(yùn)行數(shù)字化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理提供了堅(jiān)實(shí)技術(shù)支撐。