超聲波明渠流量計應(yīng)用于江邊水站的流體流量
發(fā)布時間：2014.02.26 新聞來源：超聲波流量計_超聲波明渠流量計_多普勒流速儀-南京卓瑪機(jī)電有限公司 瀏覽次數(shù)：
1. 前言
******對武鋼引用長江水按江心水站和江邊水站水泵的能力收取資源費(fèi)，因此對其水量進(jìn)行計量，不但能使水費(fèi)收取趨向合理，而且能為武鋼的生產(chǎn)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)中心及能源總廠的要求，武鋼計控公司與有關(guān)單位科技人員共同努力，研制開發(fā)出多聲路超聲波流量裝置，用于武鋼江邊水站明渠，測量水流量，系統(tǒng)經(jīng)半年試運(yùn)行，效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
2.測量基本理論
2.1 流速基本計算公式
由明渠基本理論，對于明渠恒定均勻流，已知沿水深方向有下列對數(shù)形式的點流速u的計算公式
式中，u——點流速
u*——摩陰流速
C——常數(shù)
H——斷面水深
h——點流速處深度
△——渠壁******粗糙度
2.2 超聲換能器工作原理
超聲換能器測量工作原理，采用時差法進(jìn)行測量。也就是通過測量超聲波在“順流”和“逆流”的傳播時間差，求得該超聲換能器所在流層的流速，再根據(jù)流速基本公式（1）和斷面數(shù)據(jù)求得流量。如圖1所示，在渠道內(nèi)斜向設(shè)置一對超聲換能器P1P2，設(shè)兩換能器之間的距離為L，由其形成的聲路路徑和水流流向的夾角為θ。
當(dāng)P1發(fā)射超聲波，P2接收時，超聲波的傳播時間（正向傳播時間）
式中，c——靜水中的超聲波流速
u——流層流速
同理，當(dāng)P2發(fā)射超聲波P1接收時，超聲波的傳播時間（逆向傳播時間）
正向和逆向傳播的時間差為
因靜水中的超聲波速度與溫度有關(guān)，根據(jù)（2）、（3）兩式將c用t1和t2替代得
由（5）式可見，只要能測出超聲波正向和逆向的傳播時間t1和t2，就能計算換能器所在的流層的流速u，進(jìn)而與已測得的其它流層的流速一起，計算流量。
2.3 測量方法
根據(jù)上述測量基本理論，結(jié)合現(xiàn)場實際，決定對每條渠道采用四組超聲換能器進(jìn)行流速的測量，一臺超聲水位計測量水位。流速換能器、水位井及水位計換能器在水渠中的安裝位置見圖2。在測量出水位和各流層的流速后，可由下式計算出斷面平均流速。
式中，ui——某流層流速
Ki——加權(quán)系數(shù)
由平均速度計算流量
式中，b——渠道斷面寬
h——斷面水深
圖中1、2、3、4、5、6、7、8示意水渠中換能器安裝位置。數(shù)字9為水位井及水位計超聲換能器安裝位置。1～5；2～6；3～7；4～8號換能器分別組成4個互為發(fā)射接收的層流速測量組，分別測量不同層面的流速。圖中H示意水位方向，S示意水流方向。
2.4 本測量方式的特點
（1）可較大范圍地測量流量，當(dāng)渠道通過流量較小，水位較低時，可以測量，當(dāng)渠道通流量較大，水位較高時，也可以測量。
（2）可適應(yīng)流態(tài)畸變，當(dāng)流量發(fā)生變化，或者受到擾動時，斷面流速分布曲線將發(fā)生變形，即流態(tài)畸變，4組換能器可接收較多的信息。
（3）測量量程寬，精度高，一條渠道采用4組換能器，可保證渠道中不同水位，不同流速時測量精度不變。
3.現(xiàn)場安裝與調(diào)試
江邊水站有兩條水渠，在兩條渠道上有調(diào)度控制閘、堤前閘、堤后閘。該渠建于地下，穿過大堤流入內(nèi)河，在長江水位低于內(nèi)河水位時，江邊水站9臺機(jī)組中的2～4臺將江水抽入兩條水渠中，排入內(nèi)河，在長江水位高于內(nèi)河水位時，江水經(jīng)調(diào)度控制閘控制，通過這兩天條渠直接將江水排入內(nèi)河，渠中水量可以通過機(jī)組或調(diào)度控制閘控制，兩條水渠全長187.9m，渠道斷面2m×4m×3.5m，堤前閘至堤后閘間的直線渠道85m。根據(jù)兩條水渠的具體情況，超聲波流量計換能器安裝在堤前閘和堤后閘之間靠近堤后閘直渠道內(nèi)。流量計操作室建在大堤內(nèi)堤后閘井旁。這樣的選擇滿足了設(shè)備安裝的技術(shù)要求，同時也保證了設(shè)備的安全運(yùn)行與維護(hù)。明渠流量現(xiàn)場安裝示意見圖3。
3.1 現(xiàn)場安裝造成測量誤差的因素
（1）測量斷面上幾何參數(shù)測量不準(zhǔn)。
①聲路長L測量不準(zhǔn)；
②聲路角φ測量不準(zhǔn)；
③渠道截面積S測量不準(zhǔn)。
(2)流態(tài)分布畸變引起的測量誤差。
(3)脈動流引起水位的測量誤差
3.2 安裝中對誤差控制所采取的措施
(1)采用科學(xué)的安裝方法和準(zhǔn)確的測量工具，保證換能器的準(zhǔn)確定位。
①應(yīng)用經(jīng)緯儀在渠道內(nèi)進(jìn)行換能器定位，使聲路角φ的測量誤差控制在0.01°以內(nèi)。
②在渠道內(nèi)用專用測量工具實測量路長，使聲路長的測量準(zhǔn)確度達(dá)到毫米級。
③在測量多個斷面上測量渠寬，求平均值，以保證截面積計算正確。
(2)選擇***加測量點
在換能器上下游選取足夠長的執(zhí)行段，以保證測量區(qū)流態(tài)穩(wěn)定，理論上通常上游取10個渠寬，下游取1個渠寬。在實際安裝中，換能器上游執(zhí)行段約大于15個渠寬，下游約大于2個渠寬。優(yōu)于理論取值。
3.3 解決流速脈動問題
(1)建立水位井測量水位的高度，有效控制水流表面波引起的高度測量誤差。
(2)超聲波流量計沒有機(jī)械慣性，可以快速采樣，用多次采樣平均計算出的流量可以消除流速脈動造成的問題。
4 流量系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定
依照武漢鋼鐵(集團(tuán))公司技術(shù)操作規(guī)程(B標(biāo)準(zhǔn))、Q/WGB503220301――96A技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對江邊明渠流量測量系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場在線標(biāo)定，其方法是：江邊水站開一臺水泵，將0.5級標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計安裝在水泵進(jìn)水管上與明渠流量計同步測量流量，取相同時區(qū)的流量平均值進(jìn)行對比，結(jié)果證明系統(tǒng)測量誤差達(dá)到設(shè)計要求，滿足了武鋼生產(chǎn)和生活用水調(diào)度的要求。
5 結(jié) 語
超聲波用于大斷面明渠流量測量，現(xiàn)有理論充分，但真正用好測準(zhǔn)并不容易，通過這次實踐，主要體會如下：
（1）要根據(jù)測量對象及現(xiàn)場實際情況有針對性地制定測量方案，才有可能達(dá)到測量目的，滿足測量要求。
（2）選準(zhǔn)測量位置，要充分保障測量點上下執(zhí)行段的長度，以保證測量點流態(tài)穩(wěn)定。
（3）準(zhǔn)確校準(zhǔn)測量系統(tǒng)各通道的傳輸延遲時間，正確設(shè)定測量系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)。
（4）準(zhǔn)確測量執(zhí)行渠道斷面的幾何參數(shù)，換能器的安全位置，牢固安裝水下設(shè)備。
******對武鋼引用長江水按江心水站和江邊水站水泵的能力收取資源費(fèi)，因此對其水量進(jìn)行計量，不但能使水費(fèi)收取趨向合理，而且能為武鋼的生產(chǎn)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)中心及能源總廠的要求，武鋼計控公司與有關(guān)單位科技人員共同努力，研制開發(fā)出多聲路超聲波流量裝置，用于武鋼江邊水站明渠，測量水流量，系統(tǒng)經(jīng)半年試運(yùn)行，效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
2.測量基本理論
2.1 流速基本計算公式
由明渠基本理論，對于明渠恒定均勻流，已知沿水深方向有下列對數(shù)形式的點流速u的計算公式
式中，u——點流速
u*——摩陰流速
C——常數(shù)
H——斷面水深
h——點流速處深度
△——渠壁******粗糙度
2.2 超聲換能器工作原理
超聲換能器測量工作原理，采用時差法進(jìn)行測量。也就是通過測量超聲波在“順流”和“逆流”的傳播時間差，求得該超聲換能器所在流層的流速，再根據(jù)流速基本公式（1）和斷面數(shù)據(jù)求得流量。如圖1所示，在渠道內(nèi)斜向設(shè)置一對超聲換能器P1P2，設(shè)兩換能器之間的距離為L，由其形成的聲路路徑和水流流向的夾角為θ。
當(dāng)P1發(fā)射超聲波，P2接收時，超聲波的傳播時間（正向傳播時間）
式中，c——靜水中的超聲波流速
u——流層流速
同理，當(dāng)P2發(fā)射超聲波P1接收時，超聲波的傳播時間（逆向傳播時間）
正向和逆向傳播的時間差為
因靜水中的超聲波速度與溫度有關(guān)，根據(jù)（2）、（3）兩式將c用t1和t2替代得
由（5）式可見，只要能測出超聲波正向和逆向的傳播時間t1和t2，就能計算換能器所在的流層的流速u，進(jìn)而與已測得的其它流層的流速一起，計算流量。
2.3 測量方法
根據(jù)上述測量基本理論，結(jié)合現(xiàn)場實際，決定對每條渠道采用四組超聲換能器進(jìn)行流速的測量，一臺超聲水位計測量水位。流速換能器、水位井及水位計換能器在水渠中的安裝位置見圖2。在測量出水位和各流層的流速后，可由下式計算出斷面平均流速。
式中，ui——某流層流速
Ki——加權(quán)系數(shù)
由平均速度計算流量
式中，b——渠道斷面寬
h——斷面水深
圖中1、2、3、4、5、6、7、8示意水渠中換能器安裝位置。數(shù)字9為水位井及水位計超聲換能器安裝位置。1～5；2～6；3～7；4～8號換能器分別組成4個互為發(fā)射接收的層流速測量組，分別測量不同層面的流速。圖中H示意水位方向，S示意水流方向。
2.4 本測量方式的特點
（1）可較大范圍地測量流量，當(dāng)渠道通過流量較小，水位較低時，可以測量，當(dāng)渠道通流量較大，水位較高時，也可以測量。
（2）可適應(yīng)流態(tài)畸變，當(dāng)流量發(fā)生變化，或者受到擾動時，斷面流速分布曲線將發(fā)生變形，即流態(tài)畸變，4組換能器可接收較多的信息。
（3）測量量程寬，精度高，一條渠道采用4組換能器，可保證渠道中不同水位，不同流速時測量精度不變。
3.現(xiàn)場安裝與調(diào)試
江邊水站有兩條水渠，在兩條渠道上有調(diào)度控制閘、堤前閘、堤后閘。該渠建于地下，穿過大堤流入內(nèi)河，在長江水位低于內(nèi)河水位時，江邊水站9臺機(jī)組中的2～4臺將江水抽入兩條水渠中，排入內(nèi)河，在長江水位高于內(nèi)河水位時，江水經(jīng)調(diào)度控制閘控制，通過這兩天條渠直接將江水排入內(nèi)河，渠中水量可以通過機(jī)組或調(diào)度控制閘控制，兩條水渠全長187.9m，渠道斷面2m×4m×3.5m，堤前閘至堤后閘間的直線渠道85m。根據(jù)兩條水渠的具體情況，超聲波流量計換能器安裝在堤前閘和堤后閘之間靠近堤后閘直渠道內(nèi)。流量計操作室建在大堤內(nèi)堤后閘井旁。這樣的選擇滿足了設(shè)備安裝的技術(shù)要求，同時也保證了設(shè)備的安全運(yùn)行與維護(hù)。明渠流量現(xiàn)場安裝示意見圖3。
3.1 現(xiàn)場安裝造成測量誤差的因素
（1）測量斷面上幾何參數(shù)測量不準(zhǔn)。
①聲路長L測量不準(zhǔn)；
②聲路角φ測量不準(zhǔn)；
③渠道截面積S測量不準(zhǔn)。
(2)流態(tài)分布畸變引起的測量誤差。
(3)脈動流引起水位的測量誤差
3.2 安裝中對誤差控制所采取的措施
(1)采用科學(xué)的安裝方法和準(zhǔn)確的測量工具，保證換能器的準(zhǔn)確定位。
①應(yīng)用經(jīng)緯儀在渠道內(nèi)進(jìn)行換能器定位，使聲路角φ的測量誤差控制在0.01°以內(nèi)。
②在渠道內(nèi)用專用測量工具實測量路長，使聲路長的測量準(zhǔn)確度達(dá)到毫米級。
③在測量多個斷面上測量渠寬，求平均值，以保證截面積計算正確。
(2)選擇***加測量點
在換能器上下游選取足夠長的執(zhí)行段，以保證測量區(qū)流態(tài)穩(wěn)定，理論上通常上游取10個渠寬，下游取1個渠寬。在實際安裝中，換能器上游執(zhí)行段約大于15個渠寬，下游約大于2個渠寬。優(yōu)于理論取值。
3.3 解決流速脈動問題
(1)建立水位井測量水位的高度，有效控制水流表面波引起的高度測量誤差。
(2)超聲波流量計沒有機(jī)械慣性，可以快速采樣，用多次采樣平均計算出的流量可以消除流速脈動造成的問題。
4 流量系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定
依照武漢鋼鐵(集團(tuán))公司技術(shù)操作規(guī)程(B標(biāo)準(zhǔn))、Q/WGB503220301――96A技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對江邊明渠流量測量系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場在線標(biāo)定，其方法是：江邊水站開一臺水泵，將0.5級標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計安裝在水泵進(jìn)水管上與明渠流量計同步測量流量，取相同時區(qū)的流量平均值進(jìn)行對比，結(jié)果證明系統(tǒng)測量誤差達(dá)到設(shè)計要求，滿足了武鋼生產(chǎn)和生活用水調(diào)度的要求。
5 結(jié) 語
超聲波用于大斷面明渠流量測量，現(xiàn)有理論充分，但真正用好測準(zhǔn)并不容易，通過這次實踐，主要體會如下：
（1）要根據(jù)測量對象及現(xiàn)場實際情況有針對性地制定測量方案，才有可能達(dá)到測量目的，滿足測量要求。
（2）選準(zhǔn)測量位置，要充分保障測量點上下執(zhí)行段的長度，以保證測量點流態(tài)穩(wěn)定。
（3）準(zhǔn)確校準(zhǔn)測量系統(tǒng)各通道的傳輸延遲時間，正確設(shè)定測量系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)。
（4）準(zhǔn)確測量執(zhí)行渠道斷面的幾何參數(shù)，換能器的安全位置，牢固安裝水下設(shè)備。
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