超聲波法與流速儀法在明渠測(cè)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(cè)流中的比較研究楊紅玲馬樹(shù)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(kù)一干渠淄川區(qū)管理處，山東淄博255150)摘要:本文簡(jiǎn)述了超聲波流量計(jì)的時(shí)差法測(cè)流原理，介紹了流速儀法測(cè)流流量計(jì)算的方法。通過(guò)超聲波法與流速儀法實(shí)際測(cè)流比較，得出超聲波流量計(jì)測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)傳送

2、，可以作為準(zhǔn)確測(cè)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(hào):S932、9'14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：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(cè)流是一門(mén)新興的測(cè)量技術(shù)。近年來(lái)，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(cè)量明渠渠道的過(guò)水流量，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量水的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在許多地方得到越來(lái)越多的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的大型明渠渠道測(cè)流方法通常采用流速儀法，因此對(duì)超聲波法測(cè)流與

6、流速儀法測(cè)流進(jìn)行比較研究非常必要。2 超聲波法測(cè)流21超聲波流量計(jì)的時(shí)差法測(cè)流原理用超聲波來(lái)測(cè)量流體的流量實(shí)質(zhì)上是測(cè)量流體的流速。當(dāng)流體流速向量與聲波方向平行時(shí)，聲波的波速將發(fā)生變化，即當(dāng)聲波向下游傳播時(shí)波速增加，聲波向上游傳播時(shí)波速降低。在明渠中，一定高程的流體平均流速是通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)換能器之間傳播的歷時(shí)差來(lái)確定的。超聲波流量計(jì)的時(shí)差法測(cè)流布置如圖1所示，在渠道兩側(cè)水下某深度處，相對(duì)地斜向裝置一對(duì)電聲可逆的換能器，其間距為L(zhǎng),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(jiǎn)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(duì)側(cè)發(fā)射超聲波（即順流），經(jīng)4時(shí)間后，被作為接收器的下游換能器B所接收，此時(shí)超聲波的速度是C+%，超聲波在水流中的傳播歷時(shí)為圖1時(shí)差法測(cè)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(shí)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(cè)出順流和逆流傳播時(shí)間L、，2就能求出。，式（3）就是時(shí)差法測(cè)流速的基本原理。根據(jù)測(cè)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(cè)流。如圖2所示，沿渠兩側(cè)安放多對(duì)換能器（由聲道數(shù)決定），測(cè)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(gè)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(yáng)）（6）圖2分層測(cè)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(cè)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(gè)好聲道之間的斷面面積;A,為最上一個(gè)好聲道與水面之間的斷面面積；Vj、Vn分別為最下、最上一個(gè)好聲道的流速;為表面流速估計(jì)值,通過(guò)外推法利用最上一個(gè)好聲道和下一個(gè)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(gè)斷面的流量。為：Q=+Q(7)為保證測(cè)量精度,在明渠上采用超聲波流量計(jì)測(cè)流時(shí)，一要使測(cè)流斷面前后有足夠的平直段,二要有足夠的聲道數(shù)量。對(duì)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(duì)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(cè)流流速儀法測(cè)流是國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的方法，也是最基本的測(cè)流方法。同時(shí)，到目前為止，因無(wú)更先進(jìn)的儀器設(shè)備，該方法也是評(píng)定和衡量各種測(cè)流新方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。流速儀法測(cè)流基于速度面積法,測(cè)流時(shí)必須在斷面上布設(shè)測(cè)速垂線和測(cè)速點(diǎn)，以測(cè)量斷面面積和流速,測(cè)速方法一般采用積點(diǎn)法。3.1 選擇斷面，確定測(cè)線及測(cè)點(diǎn)測(cè)流斷面的選擇十分重要。測(cè)流斷面應(yīng)選擇在渠段平直、水流均勻、無(wú)漩渦或回流的地方，前后平直段應(yīng)滿足測(cè)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(cè)速垂線及測(cè)點(diǎn)數(shù)目應(yīng)能充分反應(yīng)橫斷面流速分布。目前，我國(guó)對(duì)測(cè)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(shí)，可設(shè)59條測(cè)速垂線。垂線上測(cè)速點(diǎn)的數(shù)目主要考慮測(cè)流精度要求,水深為13m時(shí)，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(cè)。.3.2 平均流速計(jì)算測(cè)流的過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉偌傲髁坑?jì)算參考水利部灌溉管理手冊(cè)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。為提高測(cè)流精度,測(cè)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(duì)水深為。2心、0.4m、0.6m、0.8及河底的測(cè)點(diǎn)流速。渠邊部分平均流速V=ZVW.或Vn(9)式中:。誠(chéng)分別為自渠邊起第一條、最末一條測(cè)

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(cè)流比較4.1 測(cè)流地點(diǎn)的確定測(cè)流地點(diǎn)選在昌樂(lè)縣高崖水庫(kù)灌區(qū)。在總干渠高崖與唐吾分界處徐家廟監(jiān)測(cè)站，渠道約有5km長(zhǎng)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(cè)流比較方法測(cè)流比較采用流速儀法與超聲波法同步測(cè)流的方法。為保證測(cè)流結(jié)果的可靠性，測(cè)試流量的范圍從渠道最小流量到最大流量,進(jìn)行多個(gè)工況的

13、測(cè)流比較。徐家廟監(jiān)測(cè)站水面較寬，約在W12m,本次實(shí)測(cè)采用3部旋漿式流速儀,6人3組同時(shí)測(cè)量。斷面設(shè)8條測(cè)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(cè)速垂線上設(shè)26個(gè)測(cè)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(cè)量精度,每一部流速儀每一測(cè)次的測(cè)量時(shí)間不小于120S,每一個(gè)工況點(diǎn)測(cè)取34組讀數(shù)，最后取其算術(shù)平均值作為測(cè)試結(jié)果。超聲波流量計(jì)選用一臺(tái)韓國(guó)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(gè)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(zhǎng)7m,監(jiān)測(cè)站內(nèi)同時(shí)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(shí)流量、累積流量實(shí)時(shí)直接監(jiān)測(cè)測(cè)出。正式測(cè)流前對(duì)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(méi)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(dòng)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(shí)流量計(jì)測(cè)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(cè)量狀態(tài)，在最大測(cè)流工況時(shí)5聲道工作，最小測(cè)流工況時(shí)為3聲道工作。明渠超聲波流量計(jì)測(cè)流結(jié)果采用與流速儀法對(duì)應(yīng)測(cè)流時(shí)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(cè)得流量值，/n3/5；AG為與流速儀

15、法測(cè)流時(shí)段對(duì)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(cè)流時(shí)段對(duì)應(yīng)歷時(shí),S。4.3 測(cè)流結(jié)果流量測(cè)試結(jié)果表明，兩種測(cè)流方法絕大多數(shù)工況的流量相對(duì)偏差小于-2%0且超聲波法測(cè)量值均小于流速儀法測(cè)量值。其中部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。表1超聲波測(cè)流數(shù)據(jù)與流速儀測(cè)流數(shù)據(jù)對(duì)比(單位:m7s)Table1Thecontrastofmeasuredvaluebetweenultrasonicandvelocityinstrument(unit：m3/s)時(shí)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(cè)量偏差-0.06-0.06-0.04-0.07-0.07-0.045結(jié)語(yǔ)通過(guò)兩種方法的實(shí)測(cè)可以看出：超聲波測(cè)流技術(shù)測(cè)量精度高，方法簡(jiǎn)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(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)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(cè)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(dòng)化和智能化，超聲波測(cè)流技術(shù)一定會(huì)作為準(zhǔn)確測(cè)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(cè)驗(yàn)學(xué)