超声波流量计在兰干渠上的应用

随着流量计在各大输水工程中起到至关重要的作用，选用适合兰干渠运行维护的流量计不仅能降低以往由人工对渠道运行流量计算的误差风险，更能有效优化渠道运行维护人员对渠道的监测，使其及时作出判断，为社会和经济效益的提高提供有力保障。根据测试对比及干渠实际自然环境，最终选用了美国 ACCUSONIC 7510 Plus 多声道超声波流量计。

1.概述

随着我国经济的不断发展,工、农业对水资源的需求矛盾日增,怎样做好计划用水和水资源合理调配则显的尤为重要。怎样能够迅速精准的测量出明渠流量,是各大输水工程都需极力解决的首要问题,兰干渠采用自动监测流量计来替代以往的人工测算。目前,输水工程流量测量方法主要有流速~面积法、堰漕法、水位~流量关系法及超声波流量计法。流速~面积法以人工测量为主,虽然测量出的数据精度高且数据完善,但时效差,无法达到明渠水利工程自动化的管理要求;而堰漕法、水位~流量关系法虽能实现明渠自动化测量,却因改造费用大,精度易受明渠环境变化影响,且设备采购费、维护费过高而无法满足现有明渠的需求。因该干渠支渠口主要是封闭式管道,室外环境恶劣,对于流量计的安装属于加装改造,为节省投资,提高已修干渠的经济效益,按照现场环境实际情况,最终选定使用超声波流量计作为兰干渠流量测量工具。

2.超声波流量计工作原理

2.1常用流量计及其特点目前我国的明渠用流量计按结构原理大致可分为压差式流量计、浮子流量计、超声波流量计等。压差式流量计(pressure different flow meter)是根据安装在管道中流量检测元件产生的压差与管道的几何尺寸的相互关系来推算流量的。其工作原理是让水流在检测元件处形成局部收缩，造成流体流速增加促使静压力降低，使水流在检测元件前后产生了流体压力差，故而流体流量越大其压力差也就越大。优点是结构简单，无可动部件，可靠性较高等。缺点是安装要求严格，测量范围窄，需要一定的压差。

浮子式流量计( variable area flow meter) 是使用浮子在液体内上下浮动产生数据来推算流量的。其工作原理为在流量计中安装一根垂直的下小上大的锥形管，管中有一个可上下移动的浮子，在液体体由下而上地通过锥形管时，浮子上下端所受到的压差则形成浮子的浮力，当浮子受到的浮力与重力相等时，浮子就处于平衡状态，通过流量计的液体与浮子上升的高度成正比，根据浮子的平衡位置高度可推算出流量。其优点是结构简单，维护方便等。缺点是适用性较差，抗干扰能力差，使用起来很不方便，可靠性不高。

超声波流量计( ultrasonic flow meter) 按基本的原理方法可分为两大类，即传播时间法和多普勒法。其中，传播时间法是利用声波在流体中传播时顺流方向声波传播速度增大而逆流方向声波传播速度减小的速度差与被测水流中间件的内在关系求得的测量方法; 多普勒效应法则是检测从移动源发射的声波在静止点产生的多普勒效应而进行流量计测量的。超声波流量计是通过检测流体流动对超生束的作用以测量流量的仪表。其优点是不受压力、温度的影响，安装简单，费用低，与介质不接触，不限流，无需切断管道，管径使用广泛等，并在其内部没有流动绕组及流体压力损失，是一种非接触式流量测量的典型流量计，更适用于兰干渠的测量环境。

2. 2  超声波流量计

超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何原理而设计的，也可由测流体流速来反映流量大小。超声波流量计按照现场工况安装方式不同、适用的流道不同及信号检测原理不同可划分为多种。

按照现场工况安装方式不同可分为便携式超声波流

量计、固定式超声波流量计。其中便携式超声波流量计携带方便，机动性大，适用于临时测量，可主要以校对测量为主; 固定式超声波流量计用于固定安装在某一位置，适用于明渠的长期不间断流量监测。

按照适用的流道不同分为管道式超声波流量计、管渠式超声波流量计和河流式超声波流量计。其中管道式超声波流量计主要适用于有压管道，包括有压的各种形状断面的涵洞，主要是通过一个或多个声道测量流体中的流速，进而求得流体的流量; 而管渠式超声波流量计除了要安装流速监测的换能器以外，还需要有测水位的换能器，然后根据测得的流速和水位取值求得流体的流量;最后河流式超声波流量计为半自动化是的，只能测量出流体的流速和水位，而河流的过水流量则需要由人工根据渠道的断面来进行计算。

按照对信号的检测原理不同可分为传播速度差法超

声波流量计、多普勒法超声波流量计、波束偏移法超声波流量计及噪声法超声波流量计，其中使用的较多的为传播速度法和多普勒法。

目前，在传播速度法超声波流量计中，最常见的为单声道超声波流量计和多声道超声波流量计。其中，单声道超声波流量计是安装一对换能器在被测管道或渠道上，以构成一个超声波通道，用于流量的计算。其优点是结构简单、使用方便; 缺点是由于这种结构的流量计对流体流态分布变化的适应性差，造成测量精度不易控制，只能适用于测量中小口径的管道或对测量精度要求不高的渠道。而多声道超声波流量计是安装多对超声波换能器在被测管道或渠道上，以构成多个超声波通道，并对各声道的检测结果进行综合进而求出流体流量的。其优点是对对流态分布变化适应能力较强，测量精度较准，适用于大口径管道或流态分布复杂的管渠。

3.超声波流量计的应用

近年来，由于电子技术的进步，超声波流量计发展很快，且日益完善，越来越显示出其优越性。各种超声波流量计已广泛应用于农业灌溉、工业生产及商业计量用水量的检测。例如，在水利工程建设的明渠、管渠等流量的计算中，超声波流量计具有大量程，无压损的特点，在保证测量准确度的同时提高了管网的输水效率，实现了即时不断流带压安装和即时测量。

3. 1 超声波流量计的选型

目前，市面上超声波流量计种类繁多，如果不能正确选型，则会造成流量测量精度不准，增加渠道管理人员的工作量及无法测量渠道流量等后果。

兰干渠全长180 km，为梯形明渠，最大设计流量为76 m3 / s，灌溉支渠口 40 余座，基本为管道，管径为 0. 6 ～ 2. 0 m。因地方环境、天气影响等因素，有些许泥沙，因此超声波流量计在选型时必须综合考虑准确度、安装条件、现场环境等，选择适合的流量计。

在数据传输方面。超声波流量计在加装了 GPＲS 数

据传输模块后，通过在电子线路上对测得的数据进行的发射、接收、信号处理和显示等功能进行数据转移，使测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示在控制平台上。为方便干渠运行维护人员对流量计所产生的数据进行查看，主要采用租用运营商无线传输通道，将采集到的数据由超声波流量计传输到后台管理软件上进行管理。

3. 2 超声波流量计的安装

在流量计安装方面，结合兰干渠实际情况: ①测量点布置在进口和蝶阀之间，尽可能避开流速分布不均匀区，一般距离进口 4 ～ 10 倍直径，距离蝶阀 2 ～ 5 倍直径; ②流量计水平安装，管内必须充满流体。

换能器安装方式: 采用 z 法安装方式。使用 z 法安装时超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰耗小。

4.结 语

因本次测试选用的是环境相对恶劣的明渠，通过对超声波流量计在兰干渠中的应用研究，效果显著，大大降低了以往由人工对渠道运行流量计算的误差风险，有效地优化了渠道运行维护人员对渠道的监测，并及时做出判断，为社会和经济效益的提高提供了有力保障。