1、引滦明渠工程应用多路超声波测流系统摘要：为了更准确的了解天津市引滦工程明渠的过流参数，安装了多路超声波测流系统。本文详细介绍了超声波测流技术的原理、安装过程及维护。 Abstract: in order to more accurately understand the city of Tianjin Luanhe River Diversion Project of open channel flow parameters, installed a multi-channel ultrasonic flow measuring system. This paper introduces th
2、e ultrasonic flow measurement technology principle, installation and maintenance. 关键词：超声波测流布设与安装 Key words: ultrasonic flow measurement layout and installation 中图分类号：P631.5 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 前言： 1983 年为解决天津市城市用水建成引滦入津的调水工程，多年平均调水量 10 亿 m3，渠线全长 234 公里，经大黑汀水库调蓄引出，经潮白河、尔王庄、大张庄三级提水泵站进入天津市市区。宜
3、兴埠管理处位于引水渠线的最末端，管辖 9.98 公里输水明渠，多年来，一直采用传统测流方法，此方法测流精度低费时费力。2006 年在引滦明渠大张庄泵站站前闸前，安装了多路超声波测流系统，实时在线测流系统测流时间短、精度高（其精度误差不大于 1.0%2%） 、可对特大流量进行测量等优点，由于引滦沿线距离长、地形分布复杂，在输水工程中采用传统测流方法难于保证对输水流量的准确计量，应用多路超声波测流系统可以提高自动化测流水平，易于维护，同时保证了测流量的精度。此系统的测流精度，目前达到了世界先进水平。 1 多路超声波测流技术原理 多路超声波测流在我国水文测量中属于高精确测量手段，超声波流量计主要采用
4、时差法测量流速，如计算公式图所示，在上下游分别布置有 2 只换能器 P1 和 P2。其间距为 L，流速为 V，C 为室温下静水中声速。在水流的作用下，声波沿正向传播所经历的时间（称为正向传播时间 T2 ）比逆向传播所经历的时间（称为逆向传播时间 T1）要小。 正逆向传播时间可以表示为： 式中： V流体速度（m/s） L声路长（m） 声波路径与流向的夹角（） C静水中的声速（m/s） 由上述两式可以导出在 1 条声路上的流速表达式： 2 多路超声波测流数据采集 明渠采用单平面多声路布置方法进行数据采集： 3 多路超声波测流计算方法 由于宜兴埠泵站处明渠水流呈液态不均匀分布，为了提高测量精度采用多
5、声路的布置方式，如截面计算图所示，测量流速同时还要测量水位；对通过测量断面流体的流速进行积分，得到通过测量断面的流量： 流量计算公式为： 式中：Q = 渠道断面流量（m3/s） QT = 渠道上层流量（m3/s） QI = 渠道中间各层流量（m3/s） QB = 渠道底层流量（m3/s） QT、QI 和 QB 又分别由下面各式计算求得 式中：Vt = 最上层工作声路测得的流速（m/s） Vi = 第 i 声路测得的流速（m/s）; Vb = 最下层工作声路测得的流速（m/s）; S = 明渠水位（m） kt = 渠道表层流速系数 kb = 渠底流速系数 ht = 最上层工作声路高程（m） hi
6、 = 第 i 声路高程（m）; hb = 最下层工作声路高程（m）; h0 = 渠底高程（m）; Wt = 最上层工作声路处的渠宽（m）; Ws = 渠道水流表层处的渠宽（m）; Wb = 最下层工作声路处的渠宽（m）; W0 = 渠底宽度（m）; 4 多路超声波测流系统的布设与安装： 4.1 多路超声波测流系统组成 多路超声波测流系统由安装在明渠上的换能器和数据处理主机组成，流量计系统从系统结构上分为三种： (1)集中式流量测量系统； (2)分布式流量测量系统； (3)壁挂式一体化流量测量系统； 三种方法分别适用不同的现场条件：集中式系统适用于被测点集中、主机安装位置与换能器安装位置距离近的
7、现场环境；分布式测量系统适用于被测点分散、主机的安装位置与换能器的安装位置距离远的现场环境。本段明渠数据处理主机采用用壁挂式一体化流量测量系统，该系统适用被测声路少（最多 12 个声路） 、被测位置位于野外的环境中。壁挂式一体化流量测量系统由机箱部分、电源部分、嵌入式系统部分、声路控制四部分构成。 4.2 布设与安装 在布设过程中遇到了声路长的测量问题，由于换能器安装在于野外渠道上，渠道走向不规则，理论计算的方法将加大误差，而实地使用米尺测量的方法受野外天气的影响，误差更大。在施工中借助于一台激光测距仪，可使用实测与计算相结合的方法进行测量，精度更为准确。 在被测明渠的一侧岸坡上，做一口联通明
8、渠的水位计井，井底低于明渠渠底，在水位计井中安放一部换能器，换能器安装在预测淤积深度以上，在明渠的斜对两岸坡上根据不同深度各安装四个换能器，换能器通过铺设的射频电缆与壁挂式一体化流量测量系统的机箱部分连接，换能器到扩展机箱的距离不能超过 250 米，否则信号衰减严重，影响数据的传送与采集。 流量计系统运行环境是采用 WINDOWS 98 操作系统，对测量断面数据参数（声路参数、几何参数）进行设定后即可进行数据采集，多路超声测流系统具有可长时间进行数据采集的独立工作能力，对保存的历史数据可进行多重分析（数据罗列分析、数据输出线性分析） ，具有采集数据的输出打印功能，支持采集数据远距离的传输功能。
9、下图为引滦明渠多路超声波测流系统安装示意图。 4.3 系统的维护 4.3.1 日常维护 在流量计投运的最初两个月内，应每周进行一次运行情况检查，以后每月进行一次。主要检查换能器及电缆是否有损伤，电缆接头处是否有松动，淋水或结露。 流量计的显示内容是否正确，特别要注意流量，累积流量和各种运行状态的值。 4.3.2 定期维护 流量计每年应进行一次重点维护。在定期重点维护中，主要检查接收信号的波形和幅值，同时对换能器和信号电缆进行重点维护。 结论： 多路超声波测流系统安装后，对引滦部分明渠的流量进行了监测，加快了明渠上游、下游流量的统计速度，提高了测量精度，极大地改善了对明渠流量的监测状况，获得了很好的效果。流量计系统适用于圆管、方涵、明渠和河流中的流量、流速的测量，其测流准确度高，实时性好，测流系统稳定完善，但由于其安装成本和维护费用较高，因此在布设方面还只能对重要的关键点进行铺设，将来对引滦明渠全线进行重点布设后，将极大提高引滦输水状态的监控水平。 参考资料： 1超声波流量计的使用与安装 ，中国计量 2005 年 z1 期 2超声波流量计介绍 ，刘欣荣，http:/ 3多声路超声波流量计在变断面涵道流量测量中的应用 ，夏州，水电自动化与大坝监测 ，2002 年第 6 期
