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超声波流量计在大型渠道测流中的应用

发布:2022/9/27 15:48:32人气:457
我国属于水资源相对匮乏且水量分配相当不平衡的国家,因此水利工程对于国民经济的作用是十分重要的,发展水利是国家的基本国策之一,又因为水是不可再生的资源,所以科学用水是现阶段水利水管单位的一项重要任务。大中型水利工程实现用水计量准确化是合理用水、科学管水的重要手段之一,因此准确测量过水断面流量也是一项十分重要的技术课题。流量测量方法按照测量部位可分为管道测量和渠道测量,其中渠道测流的主要方法有流速仪法、量水堰法、示踪法、容积法和超声波法等。传统的大型渠道测流方法是流速仪法,但是随着电子技术和材料技术的飞速发展,使用超声波法测量明渠流量已被大量应用于泵站自动化监控和现场检测中。本文就超声波流量计在大型渠道测流中的应用做简单介绍。
 
1.流量计的原理和安装
1.1工作原理
超声波流量计的测流基本原理是基于声波在流动介质中的传播速度与介质速度成线性关系,当被测水流的流速在超声波声路(传播)方向的分量不为零时,则超声波信号沿该声路正、逆两个方向上的传播时间不同,其差值与该声程线上的平均流速成正比。
其计算公式如下:
ʋ=[(T1-T2)/T1T2]*L/2cosθ         (1)
式中: ʋ为流体速度,m/s;L为声波在传播路径(声路)上的长度,m;T1为声波信号沿声路逆向传播的时间,s;T2为声波信号
沿声路正向传播的时间,s;θ为声波传播方向与流体速度方向的夹角,(°)。
基于此原理,可以在测流断面两侧同时安装若干对换能器,测得若干声路上的流速,每条声路所测流速与对应的面积相乘,即可求得若干流量值,使之相加即可得整个过流断面的流量值。其具体运算模式如下。
1.1.1底“面”的流量计算
QBot=ABot(1+F)/2         (2)
式中:ABot为在渠底(第1层)和zui下一个好声路之间的断面面积VA为从zui下一个好声路计算出来的流速;F为渠底摩擦系数
1.1.2中间“面”的流量计算
QInt=AInt(Vi+Vi+1)/2        (3)
式中:AInt为在第i个好声路与第i+1个好声路之间的断面面积;Vi为从第:个好声路计算出的流速;Vi+1从第i+1个好声路计算出的流速。
1.1.3顶“面”的流量计算
QTop=ATop(VNWTVs)/(1+WT)        (4)
式中:Am为zui上一个好声路与水面之间的断面面积;VN为从zui上一个好声路计算出来的流速;Vs为表面流速估计值,通过外推法利用zui上一个好声路和下一个好声路计算;WT为渠顶加权系数。
1.1.4断面总流量计算
Q=S(QBot+>ΣQint+QTop)         (5)
式中:S为流量标定系数,与测量所选用流量单位有关。
1.2仪器安装调试
超声波流量计的安装调试主要包括换能器的定位、安装和主机的安装、信号电缆连接以及系统的调试等。
1.2.1换能器的安装
换能器的安装,首要的一点是定位,即在渠道两边找出安装换能器的准确位置,通常采用激光经纬仪定位,换能器与渠道中心线的夹角(声路角)一般选择45°比较好。其次,安装好换能器后,要准确测出换能器的实际安装参数,即声路长、声路角、声路高程以及水位计的安装高程等。
1.2.2主机的安装
主机的安装主要是信号电缆(射频电缆)和电源线的正确连接。信号电缆在铺设时,电缆的两头一定要作好识别标记,以便在电缆与换能器和主机连接时不致于相互连接错误。电源线的连接主要是正确地选择电源电压,电源电压不稳定时,应考虑采用稳压电源。
1.2.3系统调试
第一步,输入安装参数,一般流量计均有良好的人机界面可以在“参数输入”菜单下输入实测的安装参数。第二步,在渠道有水的情况(所有的换能器必须全部淹没于水中)下,进行流量计自检,然后检查各声路的工作情况,检查应在静水和动水的情况下分别进行,而且静水检查非常重要,因为此时流量计测出的水流流速应为零,可以间接的检查流量计的准确性。
第三步,检查流量计输出的工作情况,如打印机、模拟量、开关量的输出情况等。若一切正常,流量计便可进入正常的测量状态。
1.3安装注意事项
1.3.1测流断面的选择
使用超声波流量计在大型渠道上进行测流,测流断面的选择十分重要。首先,测流断面必须具有规则的几何形状,从流量计的工作原理可以知道,流量的计算是基于速度面积法,测流断面的准确测量,直接关系到流量计的测量精度。其次,测流断面前后的平直段需满足有关测试规范和仪器使用说明书的要求,即在多声路布置情况下,测流断面上游应有大于10倍水面宽度的平直段,测流断面下游有大于2倍水面宽度的平直段。
1.3.2声路设置
在明渠上采用超声波流量计测流,必须要有足够的声道数量,才能保证测量的精度。对于渠道水位变化较大的,为保证有足够数量的工作声路被淹没,可考虑增加声道数量;对于渠道两侧水流流态不均匀的,为减小横流影响,应考虑采用交叉声路布置。zui低声路距离明渠底部及zui高声路距离水面的zui近安装距离应该是声路布置时首先考虑的问题,因为当声路距离反射体足够近时,电子设备辨别不出到达检波器的是直达信号还是反射信号,这将会影响测量精度,因此流量计给出了底部声路和顶部声路距底部和顶部所需zui小间距H的计算方法,其公式如下:
H=≈√LVs/2f        (6)
式中:H为所需zui小间距;L为换能器间的声路长,可测量得到;Vs为流体中的声速,查表可得;f为声脉中的载波频率,与换能器型号有关。
确定底部声路和顶部声路的安装位置后,使其他声路均匀分布在底部和顶部中间即可。
 
2.流量计的测量误差分析
根据BS/ISO748:1997《流速面积法》、ISOTR 5168:1998《误差估算》、ISO6416(1992)《流量的声学法测量》及ISO/TAG4《测量误差导论》等相关标准的论述,应用超声波法在大型渠道进行流量测量,其测量的不确定度主要来自以下误差影响:
①渠道参数的测量及渠道结构的平整性;②水位测量;③淹没声路水流速度测定的不确定;④信号时间的不确定;⑤流速积分中的假设关系。
据此给出其测量误差主要分量为:①水位测量误差δ:主要指水位计误差,与仪器精度有关。②断面尺寸测量误差δ2:指测量过流断面宽度、深度、声路高程、声路长度等的误差,可以通过多次测量计算得出。③时间信号测量误差δ3:指流量计测量时差存在的误差,引入流量误差不超过±0.25%。④底
部积分误差δ4:指测定底部声路速度时的外推关系,引入流量测量误差不超过±0.6%。⑤顶部积分误差δ5:指测定顶部声路速度时的外推关系,引入流量测量误差不超过±0.8%。观测误差δ6:一般不超过±0.5%。
流量测量的总误差δ取各分量误差和方根合成,其计算公式如下。
δ=√δ1²+δ2²+δ3²+δ4²+δ5²+δ6²         (7)
 
3.流量计测量结果的比测
在实际运用中,笔者曾在山西省万家寨引黄工程和广东省东深供水工程分别进行了明渠超声波法与管道超声波法之间和明渠超声波法与流速仪法之间的流量比测。其中,管道超声波流量计精度为±0.5%,流速仪法测试精度±2.0%。比测试验表明,如果过流断面为规则几何断面且上、下游平直段满足流量计的换能器布置要求,或通过交叉布置消除横流影响,并采用多声路工作(四声路以上),明渠超声波法的测量误差可以控制在±2%以下。
其比测结果分别如表1和表2所示。
 
4.结语
当前在大型渠道上测量过水流量使用较多的是量水堰法和流速仪法,通过实际测试结果显示,在过水断面规则平整的大型渠道上,应用超声波法测流也可以得到比较准确的测量结果,并且具有安装、调试简便,通过与计算机实时联接实现测试数据自动采集、记录,可以进行实时检测,也可以进行长期在线监测,有利于科学准确进行水量调度、分配、利用。因此超声波法测流可以作为一种成熟的流量测量方法而进行推广应用。
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