超聲波流量計在地表水明渠水量計量當中的應用

項目區(qū)地表水計量現(xiàn)狀及存在的問題分析

1）目前灌區(qū)干、支渠量測水方式均采用標準斷面量水，自動化儀表四廠利用現(xiàn)狀渠道的標準斷面，設(shè)置水尺，采取人工多次讀取數(shù)據(jù)的方式， 率定測流斷面的水位流量關(guān)系，以此來測量渠道水量，這種量水方式人力、 物力耗費大、且測量精度低。

2）灌區(qū)干、支渠多數(shù)建于上世紀六、七十年代， 工程建設(shè)標準偏低。經(jīng)過多年的運行，渠道凍賬變形 嚴重，水流不穩(wěn)、測量精度低、水量計量爭議大，水費 征收困難的情況嚴重。

3）現(xiàn)有的量測水方式自動化程度低，不能適時觀測流量，且不符合當前經(jīng)濟社會發(fā)展的需要。 為此， 隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水量的持續(xù)增長以及水資源嚴重不足的矛盾， 灌區(qū)地表水明渠計量除人工配合外， 還有通過自動化量水設(shè)備進行實時采集、傳輸和存儲已勢在必行。

2018 年，結(jié)合大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造量 測水設(shè)施項目建設(shè)，甘州區(qū)在西浚灌區(qū)建設(shè)超聲波明渠流量計量水19 處。通過超聲波明渠流量計的建設(shè)使灌區(qū)部分渠道水量得到精確計量，量水得到了遠程實時監(jiān)測。

3 項目區(qū)地表水計量方案比選

目前水利行業(yè)均采用水位法測流。 此種測流方 式具有測流精度低，管理難度大的缺點。 我國大部 分灌區(qū)均采用這種方式進行測流，而在節(jié)水型社會 和新時代的背景下，提高計量精度和降低管理難度 將是大勢所趨。 近年來，隨著灌區(qū)信息化建設(shè)進程 的加快，利用超聲波流量計測量明渠渠道的過水流 量，實現(xiàn)灌區(qū)量水的遠程實時監(jiān)測，在越來越多的 地方得到應用。為此，本次設(shè)計量測水設(shè)施采用超 聲波法與流速儀法兩種方式綜合比較。 流速儀法測流是國內(nèi)外使用非常基本的方法，也是非常廣泛的測流方法。 也是評定和衡量各種測流新 方法精度的標準。 流速儀法測流基于速度面積法， 測流時必須在斷面上布設(shè)測速垂線和測速點，以測量斷面面積和流速，測速方法一般采用積點法。 用超聲波來測量明渠的流量實質(zhì)上是測量明 渠水流的流速。 當明渠水流流速向量與聲波方向平行時，聲波的波速將發(fā)生變化，即當聲波向上游傳 播時波速降低，聲波向下游傳播時波速增加。

在明渠中，一定高程的水流平均流速是通過測量兩個換 能器之間傳播的歷時差來確定的。通過兩種方法的比較可以看出：超聲波明渠測流通過高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片對超聲波傳輸時 間進行測量，有效克服零點漂移、小流量測量誤差 大等問題；綜合利用頻差法和時差法，使用實時聲 速、溫度補償?shù)燃夹g(shù)對流量進行補償；人機接口畫 面豐富，支持多種通信方式；測量精度高，方法簡 單，操作安全，不影響渠道水流狀態(tài)，可直接與計算 機結(jié)合， 實現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和實時傳送，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)。

4 超聲波明渠流量計應用

超聲波明渠流量計專為明渠方涵流量測量而 設(shè)計。 該設(shè)備采用先進的超聲波時差法進行分層測 量，精確計量方涵的實時過水流量，又可以以 30ma低功率進行正常運行。 明渠流量測水箱具有 GPRS無線傳輸功能同時也可以進行以太網(wǎng)局有線傳輸， 且不需外接電源，自帶鋰電池可以長時間不間斷工 作，解決了方涵野外測量不精準，施工困難的實時 計量難題。 聲波矩陣進行流量測量，可以有效的避 免因水流流態(tài)的不穩(wěn)定、建筑物不標準而引起的無 法精準測量問題。 使用實時聲速、溫度補償?shù)燃夹g(shù)對流量進行補償；人機接口畫面豐富，支持多種通 信方式；具有計量精度高、操作簡便、運行穩(wěn)定等優(yōu) 點。支持多聲道測量（默認八聲道），有效提高了儀 表在復雜流體狀態(tài)中的測量準確性和可靠性；綜合采用頻差法和時差法測量技術(shù)，聲速自動 補償， 時間分辨率達到 45 皮秒， 有效避免零點漂 移，提高了小流量測量精度； 支持 RS485 通信，與遠程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成更 加方便； 支持 AC 220V、DC12V、市電、太陽能電源等 輸入方式；主機與探頭類型多樣化，可根據(jù)現(xiàn)場需求搭配 使用，能夠滿足特殊環(huán)境的安裝與測量； 人機界面豐富，使用操作便捷。 使用場合：污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè) 化工液體、廢水排放渠道、水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道、泄洪閘門等場合流量測量。施測點必須有移動 3G、4G 信號。

4.1 工作原理、8 通道測量示意

超聲波流量計通過上、下游傳感器相互發(fā)送及 接收 112kHZ-1Mhz 超聲波， 當超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間發(fā)生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速。

4.4 技術(shù)參數(shù)

流速

流速精度：1%； 流速范圍：±5m/s；測量線性度: 優(yōu)于 0.5％， 重復性精度: 優(yōu)于0.2%；時差測量分辨率：20 皮秒。防護等級：IP67； 溫度范圍：-20℃～80℃； 測水精度：90%以上(0 一 10%）；流量范圍：0.1m3/s～2.0m3/s。非常大采樣率 1 Hz，波束頻率 ：112kHz-1 MHz；通道數(shù) ：8 通道（同時測量，非循環(huán)測量）水位（壓阻式液位計或超聲波）采用壓阻式傳感器；量程：0～3m； 精度：≤0.3%F·S； 分辨率:0.3%F·S； 線性度、重復性<0.03%FS； 溫度測量精度：±1.0℃； 溫度補償范圍：-5℃ 至 +45℃； 工作溫度：-25℃ 至 +70℃； 防護等級：ip68聲波矩陣控制器能同時采集多個實時流速；能實時采集水位數(shù)據(jù)；根據(jù)水力學模型結(jié)算斷面流量； 能顯示水位、瞬時流量、累計流量、水量值； 工作溫度：-30℃～+70℃。 通訊模塊 支持三大營運商（2G/3G/4G）信號，符合 ETSI、GSM 標準； 具備 RS232/422/485 接口。 或 TTL 電平接口， 使用方便、靈活、可靠。 數(shù)據(jù)終端永遠在線； 具備固定數(shù)據(jù)中心域名和 IP 地址，數(shù)據(jù)傳輸支 持單通道單中心或多通道多中心；可遠程設(shè)置和修 改 IP 地址等配置參數(shù)； 具備主備數(shù)傳輸通道，支持多數(shù)據(jù)通道。

4.5 土建結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證水流平穩(wěn)， 需要對現(xiàn)狀渠道進行改建， 本 次 設(shè) 計 改 建 現(xiàn) 狀 渠 道 24m， 其 中 上 游 漸 變 段6.0m，矩形段渠道 10.0m，下游漸變段 8.0m，漸變段 設(shè)計為 C20 細粒砼砌石結(jié)構(gòu)，矩形段為 C20 現(xiàn)澆砼重力式結(jié)構(gòu)，頂寬0.2m，外坡比 1:0.2。測水箱安裝在 矩形段渠道下游 6.0m 處，在安裝測水箱的位置向外 擴出 7.5cm，以便測水箱安裝后與上下游渠道相平。立桿、儀表箱安裝：預埋地籠，澆筑混凝土，預 埋 DN50 進出線管到傳感器，儀表箱立桿抱箍安裝。

4.6 數(shù)據(jù)傳輸與軟件

通過構(gòu)建報汛通信網(wǎng)，把地域上十分分散的自 動采集的水情信息，利用通信信道，自動、準確、及時地傳輸?shù)焦鄥^(qū)渠道監(jiān)測平臺，作為灌區(qū)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)有通信狀況以及可利用的通信資源，自 動超聲波水位流量站中，使用 GSM/GPRS 作為信息 傳輸信道,所有新建站安裝位置均有公網(wǎng)信號，使用GSM-GPRS 作為數(shù)據(jù)傳輸方式，GSM-SMS 作為命 令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫溆梅绞剑?GSMGPRS 功能出現(xiàn) 故障時，遙測終端自動切換到 GSM-SMS 方式，同時將水情數(shù)據(jù)發(fā)送到本地灌區(qū)信息化平臺，并接受監(jiān) 測預警中心遠程設(shè)置。

5 結(jié)語

該項目于 2018 年 12 月建設(shè)完成，項目建成后 灌區(qū)地表水計量精度顯著提高，自動化儀表四廠用水管理實現(xiàn)了信 息化、自動化和智能化，超聲波測流技術(shù)必將成為 準確測量明渠流量的一種新方法并以推廣應用。