時差式超聲波流量計在山區性河道的應用

白炳鋒，林湘如，程 鵬

(溫州市水文站，浙江溫州325000)

時差式超聲波流量計在山區性河道的應用

白炳鋒，林湘如，程 鵬

(溫州市水文站，浙江溫州325000)

河道流量測量是水文工作的重要組成部分，文章運用AFFRA DX流量計測量浙江省平陽縣鰲江埭頭水文站河道斷面流量，與傳統水文測驗方法建立的單一關系曲線為標準進行比測檢定，驗證時差式超聲波法測流法在山區性河道測流的精確性及實用性。

山區性;測流;超聲波流量計;時差法

山區性河道斷面形態基本都是不規則的，并且由于河流的沖刷，河道斷面形態往往也不是固定的。近幾年來，隨著電子技術、數字技術及聲楔材料等科學技術的快速發展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術已經廣泛地應用與工業、農業、水利等多個部門，超聲波測流計正日趨成為測流工作的首選工具［1］。常用超聲波測流原理有傳播速度差法、多普勒法、速度偏移法、噪聲法、相關法、空間過濾法等，其中傳播速度差法測量精度高，受干擾小，是目前普遍采用的方法。傳播速度法根據計算方法不同可分為時差法、頻差法和相差法［2］。AFFRA DX流量計屬于時差式超聲波流量計，本文運用AFFRA DX流量計測量浙江省平陽縣鰲江埭頭站斷面流量，并與傳統轉子流速儀施測流量所建立的單一關系曲線為標準進行比測檢定，分析驗證時差法超聲波測流法在山區性河道的實用性。

1 測流原理

1.1 安裝條件

測流裝置一般由1對或多對流速換能器以及1個水位換能器構成。采用多少對換能器，一般根據現場條件(水位變化等)來確定。

每對流速換能器安裝時，與流道的軸線成一個角度，見圖1。這個角度一般為 35°～70°均可，45°為最佳角度，但由于一般受現場條件的限制，60°～65°的安裝角為最常用的安裝角度。

1.2 流速測量原理

AFFRA DX流量計屬于時差式超聲波流量計，它是通過測量被測水流的流速和水位(確定河道有效面積)來計算流量的，水位由超聲波水位換能器測量。流速由超聲波流速換能器構成的測量聲路來測量。聲路多少由被測水流條件和要求的測量精度決定［3］。

超聲波流量測量系統主要采用時差法測量流速，如圖1所示，在上下游分別布置有2只換能器P1和P2。其間距為L，流體流速為V，C為超聲波在靜水中的聲速［4］。T2為超聲波沿水流方向傳播所經歷的時間(正向傳播時間)，T1為逆水流向傳播所經歷的時間(逆向傳播時間)。

圖1 流速測量原理示意圖

正、逆向傳播時間可以表示為:

式中:V為流體速度;L為聲路長;θ為聲波路徑與流向的夾角;C為靜水中的聲速。

由上述兩式可以得到該聲路上的線平均流速:

1.3 河道流量測量原理

對于渠道或河道，水中不同高程處的流態分布是不均勻的，為了提高測量精度一般采用多聲路布置方式，如圖2所示。

在測量流速同時還需要測量水位量，然后用測得的流速對有效斷面進行積分，即可得到通過測量斷面的流量:

流量計算公式為:

式中:Q為渠道斷面總流量;QT為渠道頂層流量;QM為渠道中間各層流量;QB為渠道底層流量。

圖2 明渠中多聲路布置、積分原理示意圖

如圖2所示，QT、QM和QB又分別由下面各式計算求得:

式中:VS為水面表層流速，利用插值法獲取。

以四聲路為例，當H-h4＜H4-h3時，

式中:V4為最上層工作聲路測得的流速;Vi為第i聲路測得的流速;V1為最下層工作聲路測得的流速;H為當前水位，為超聲波水位計測量得到的水位值;KT為渠道表層流速系數;KB為渠底流速系數;h4為最上層工作聲路高程(四聲路而言);hi為第i聲路高程;h1為最下層工作聲路高程;h0為渠底高程;W4為最上層工作聲路處的渠寬(四聲路而言);WT為渠道水流表層處的寬度;W1為最下層工作聲路處的渠寬;WB為渠底寬度;Wb為渠底寬度;KB、KT為經驗系數，KB的取值為0～1間的數值;KT為0～1間的數值，根據長期的流量測量經驗，一般KB=0.85，KT=0.1。

2 工程實例

2.1 測站概況

平陽縣埭頭水文站是鰲江北港干流的主要控制站，集水面積346 km2，干流長度28.4 km，流域平均寬度12 km，距河口27 km。測驗河段上下游均有急灘，控制良好。多年平均降水量2 055.0 mm，每年的4月中旬—10月中旬為汛期，期間降雨占全年75%以上;現有測驗項目包括流量、泥沙、雨量、水位、水溫、水質等;主要負責收集、分析、整編縣境內的水文資料，代辦站管理與遙測儀器維護，以及向各級政府、防汛部門提供及時準確的水情情報預報信息［5］。

2.2 測流斷面基本情況

基本測流斷面水面寬100～200 m，斷面平均水深1.50 m以上，平均流速范圍0.003～5.0 m/s。附大斷面圖見圖3。

圖3 大斷面圖

2.3 對比分析

參照有關水文測驗方法，以轉子流速儀施測流量所建立的單一關系曲線為標準進行比測檢定。

時差法測得的是一個或多個水層的全剖面平均流速，用整個水層的平均流速能很好的代表全斷面平均流速，得到的模型也是有較好的代表性。從低水位到高水位時差式流量計測得的數據和單一流量關系曲線上的值進行對比見表1。

表1 實時流量對比表

根據表1數據做了相關線性分析，見圖4。

圖4 Q測～Q線相關性分析圖

從圖4數據可以得出時差式流量計施測的流量值精度是符合水文資料整編規范要求的。

2.4 存在問題

時差法流量計不適宜用于斷面變化很大和過于寬淺的河道，河流中過于頻繁的通航船只會影響儀器的正常工作［6］。

時差法流量計要在河的兩岸安裝聲學換能器，要鋪設很長的電纜，并要有防雷保護裝置，在安裝上有一定的難度。由于是山區性河流，在暴雨時洪水上漲速度較快，上游帶來的水草以及漂浮物會纏繞傳感器，而傳感器安裝在水下，難以排除，只能等待退水后排除。

3 結語

時差式超聲波流量計測流方法不受人為因素及河流特性改變的影響，測流精度高，能夠有效提高工作效率，可滿足報訊和整編資料的需要。通過在平陽縣埭頭水文站比測分析，結果數據表明，在山區性天然河流中應用具有較好的穩定性，流量資料精度符合《水文資料整編規范》要求。

［1］阮芬，馬樹升，白清俊，樊銘京.超聲波流量計的測流原理及其應用研究［J］.山東農業大學學報:自然科學版，2006，37(01):99-104.

［2］宋盛義，徐偉，熊杰.超聲波流量計及其應用［J］.農田水利與小水電，1994(04):43-46.

［3］中華人民共和國水利部.SL 247—2012水文資料整編規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［4］林祚頂.水文現代化與水文新技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2008:36-39.

［5］李廣峰，劉芳，高勇.時差法超聲波流量計的研究［J］.電測與儀表，2000，37(09):13-19.

［6］于光平，陳強.相關法在超聲波流量及設計中的應用［J］.沈陽工業大學學報，2008，30(02):207-211.

TH814

B

1007-7596(2014)06-0172-03

2014-04-23

白炳鋒(1977-)，男，浙江溫州人，工程師;林湘如(1989-)，男，浙江溫州人，助理工程師;程鵬(1987-)，男，浙江溫州人，助理工程師。