基于時(shí)差法的明渠流量測(cè)量系統(tǒng)研究

胡躍華

(河北省水文勘測(cè)研究中心，石家莊 050031)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)有水文站網(wǎng)布局和功能已不能滿足監(jiān)測(cè)管理需求。但計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式，提高了水文監(jiān)測(cè)效率。目前，超聲波時(shí)差法流量計(jì)被廣泛用于管道流量測(cè)量。。

近年來，許多專家學(xué)者對(duì)水流流量監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究。王杰等[1]基于數(shù)值仿真模擬，建立流量分析模型，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該模型進(jìn)行完善，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，結(jié)果表明該模型能顯著提高流量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。尚國秀等[2]基于室內(nèi)試驗(yàn)，采用時(shí)差法，測(cè)定超聲波流量計(jì)的水位及流速，以驗(yàn)證該方法的可行性與準(zhǔn)確性，結(jié)果表明其準(zhǔn)確性良好，誤差在3%以內(nèi)。杜曉澤等[3]開展室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)影響流量系數(shù)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，研究不同參數(shù)對(duì)流量系數(shù)的影響程度，得出不同參數(shù)對(duì)流量系數(shù)的影響規(guī)律。徐文焯等[4]基于時(shí)差法，對(duì)氣體的穩(wěn)恒流場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬，并將其結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明兩者之間的差異較小，其差值小于5%。李志軍等[5]基于小波降噪算法，設(shè)計(jì)了一種超聲波流量計(jì)，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，結(jié)果表明該裝置操作簡(jiǎn)便，且精度較高。

本文以華北平原為研究對(duì)象，建立時(shí)差法流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其流量進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，分別測(cè)量在單聲道和多聲道下明渠流量的變化情況，并考慮不同流速下該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度變化規(guī)律。

1 工程概況

本研究以華北平原為研究對(duì)象，該地區(qū)水文站為引調(diào)水分水口控制站，向衡水湖補(bǔ)充生態(tài)用水，測(cè)驗(yàn)斷面呈梯形，坡底比降為0.01%，最大流速為0.8 m/s，是典型的平原渠道站。

經(jīng)過多年的站網(wǎng)建設(shè)，該地區(qū)的水文站網(wǎng)初步建成，基本能滿足防洪抗旱管理需要。但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)有水文站網(wǎng)布局和功能已不能滿足監(jiān)測(cè)管理需求。隨著水文現(xiàn)代化水平的不斷提高，自動(dòng)化的測(cè)報(bào)方式大大提高了水文監(jiān)測(cè)效率，同時(shí)減少了監(jiān)測(cè)斷面建設(shè)的復(fù)雜性，許多人跡罕至的地方亦可以無人值守不間斷施測(cè)。本研究基于時(shí)差法，設(shè)計(jì)一種超聲波明渠流量測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)明渠的流量進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置主要由水泵、渦輪流量計(jì)、單片機(jī)系統(tǒng)和超聲探頭組成。通過水泵對(duì)水池的流速進(jìn)行控制，當(dāng)水流通過渦輪流量計(jì)時(shí)，對(duì)水流的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，得出其流量；再通過超聲探頭對(duì)水流流量進(jìn)行測(cè)定，通過單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出該水流的流量；通過與渦輪流量計(jì)的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，即可得出該測(cè)試裝置的準(zhǔn)確性。水流流速(v)的計(jì)算公式如下：

t=aMe+b+Δc

(1)

式中：t為渡越時(shí)間；Me為采樣順序值；a、b分別為相關(guān)系數(shù)；Δc為溫度補(bǔ)償系數(shù)。

(2)

式中：C為水下聲速；θ為超聲波發(fā)射方向與河岸的夾角；L為河道寬度。

為消除測(cè)量過程中產(chǎn)生的誤差，重復(fù)進(jìn)行10次測(cè)量，得出溫度為27.5℃下平均采樣順序值和對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間，見表1。

表1 平均采樣順序值和對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間

由表1可知，平均采樣順序值與渡越時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，隨平均采樣順序值的增大，渡越時(shí)間逐漸增大，且二者之間存在一定的線性相關(guān)關(guān)系。根據(jù)表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，將式(1)簡(jiǎn)化為：

t=0.739Me-134.51

(3)

斷面流量Qs的計(jì)算公式如下：

(4)

式中：S1、S2為截面面積；v1為聲道流速；vt為頂層流速；ke為底層流速系數(shù)，取0.8。

3 結(jié)果分析

3.1 單聲道、多聲道的流量監(jiān)測(cè)

本研究分別測(cè)量在單聲道和多聲道下明渠流量的變化情況，并考慮不同流速下該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度變化規(guī)律。根據(jù)式(4)計(jì)算得出單聲道、多聲道的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 單聲道流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表3 多聲道流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由表2、表3可知，隨聲道流量檔數(shù)增大，測(cè)量流量逐漸增大，且其增長(zhǎng)趨勢(shì)接近線性增長(zhǎng)。在單聲道流量監(jiān)測(cè)中，除1檔外，其余參考流量均小于單聲道監(jiān)測(cè)流量，且1檔的單聲道監(jiān)測(cè)流量結(jié)果與參考流量差距最大，其值為0.132m3/h；3檔的單聲道監(jiān)測(cè)流量結(jié)果與參考流量的差距最小，其值為0.037m3/h。多聲道監(jiān)測(cè)的測(cè)量流量的變化趨勢(shì)與單聲道具有一致性，但其參考流量均大于多聲道流量監(jiān)測(cè)值。其中，4檔多聲道的流量監(jiān)測(cè)結(jié)果與參考流量的差距最小，其值為0.007m3/h；2檔多聲道流量監(jiān)測(cè)值與參考流量的差距最大，其值為0.041m3/h。對(duì)比單聲道流量監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，多聲道流量監(jiān)測(cè)結(jié)果均大于單聲道流量監(jiān)測(cè)結(jié)果，且多聲道流量監(jiān)測(cè)誤差較小。在實(shí)際工程中，多聲道流量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高，具有良好的可行性。

3.2 單、多聲道監(jiān)測(cè)絕對(duì)誤差

為研究該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度，引入流量絕對(duì)誤差進(jìn)行分析。該參數(shù)定義為監(jiān)測(cè)流量與參考流量之差，分析不同流量及單、多聲道對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性的影響。1檔流速下流量絕對(duì)誤差見圖1。

圖1 1檔流速下流量絕對(duì)誤差

由圖1可知，在1檔流速下，單、多聲道的流量絕對(duì)誤差無明顯的變化趨勢(shì)，其波動(dòng)較大，與測(cè)量次數(shù)之間無相關(guān)關(guān)系。其中，單聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較大，其誤差主要集中于-0.6 ～0.6 m3/h，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為27次時(shí)，單聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最大，其值為0.59 m3/h。多聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較小，其誤差主要集中于-0.2 ～0.2 m3/h，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為30次時(shí)，多聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最小，其值為0.01 m3/h；當(dāng)測(cè)量次數(shù)為21次時(shí)，多聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最大，其值為0.2 m3/h。相對(duì)于單聲道測(cè)而言，多聲道測(cè)量的誤差較小，且測(cè)量結(jié)果的誤差波動(dòng)較為穩(wěn)定，表明在1檔流速下，多聲道監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高。

2檔流速下，單、多聲道的測(cè)量次數(shù)-流量絕對(duì)誤差曲線見圖2。由圖2可知，流量絕對(duì)誤差與測(cè)量次數(shù)無明顯的相關(guān)關(guān)系，流量絕對(duì)誤差的變化呈波動(dòng)趨勢(shì)。單聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較大，其誤差主要集中于-0.5 ～0.8 m3/h，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為12次時(shí)，單聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最大，其值為0.71 m3/h。多聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較小，其誤差主要集中于-0.2 ～0.2 m3/h，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為1次時(shí)，多聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最小，其值為0.01 m3/h。對(duì)比1檔流速可知，單聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍有增大趨勢(shì)，而多聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍與1檔流速差距較小。相對(duì)于單聲道測(cè)量而言，多聲道測(cè)量的誤差較小，且測(cè)量結(jié)果的誤差波動(dòng)較為穩(wěn)定，表明在2檔流速下，多聲道監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高。

圖2 2檔流速下流量絕對(duì)誤差

3檔流速下，單、多聲道的測(cè)量次數(shù)-流量絕對(duì)誤差曲線見圖3。由圖3可知，單聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較大，其誤差主要集中于-1.5～1.25 m3/h，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為23次時(shí)，單聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最大，其值為1.48 m3/h。多聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較小，其誤差主要集中于-0.2～0.2 m3/h，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為29次時(shí)，多聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最小，其值為0.02 m3/h。在3檔流速下，單聲道的流量絕對(duì)誤差波動(dòng)值逐漸增大，而多聲道流量絕對(duì)誤差與其它流速下的差距較小，說明不同流速對(duì)單聲道測(cè)量準(zhǔn)確性的影響較大，對(duì)多聲道測(cè)量準(zhǔn)確性的影響較小。相對(duì)于單聲道測(cè)量而言，多聲道測(cè)量的誤差較小，且測(cè)量結(jié)果的誤差波動(dòng)較為穩(wěn)定，表明在3檔流速下，多聲道監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高。

圖3 3檔流速下流量絕對(duì)誤差

4檔流速下，單、多聲道的測(cè)量次數(shù)-流量絕對(duì)誤差曲線見圖4。由圖4可知，單聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較大，其誤差主要集中于-1～0.7 m3/h，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為22次時(shí)，單聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最大，其值為0.91 m3/h。多聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較小，其誤差主要集中于-0.2～0.3 m3/h，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為2次時(shí)，多聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差的絕對(duì)值最小，其值為0.01 m3/h。相對(duì)于3檔流速下的流量絕對(duì)誤差而言，4檔流速下的單聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差有減小趨勢(shì)，多聲道測(cè)量的流量絕對(duì)誤差變化量較小，且多聲道測(cè)量的誤差較小，表明在4檔流速下，多聲道監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高。

圖4 4檔流速下流量絕對(duì)誤差

3.3 單、多聲道監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差

由上述分析可知，在不同流速下，多聲道測(cè)量的誤差較小，監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高。為進(jìn)一步反映單、多聲道測(cè)量的準(zhǔn)確性情況，引入流量相對(duì)誤差進(jìn)行分析，單聲道測(cè)量的測(cè)量次數(shù)-流量相對(duì)誤差見圖5。由圖5可知，單聲道測(cè)量的流量相對(duì)誤差波動(dòng)范圍在-0.4～0.3之間。其中，1檔流速和3檔流速下的流量相對(duì)誤差波動(dòng)較大，其平均流量相對(duì)誤差分別為-0.051、0.048，當(dāng)測(cè)量次數(shù)為26次時(shí)，單聲道測(cè)量的流量相對(duì)誤差的絕對(duì)值最大，其值為0.36；2檔流速和4檔流速下的流量相對(duì)誤差波動(dòng)較小，其平均流量相對(duì)誤差分別為-0.046、0.038。4檔流速下，單聲道測(cè)量的流量相對(duì)誤差最小，表明在該流速下，流量測(cè)量的結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖5 流量相對(duì)誤差隨單聲道測(cè)量次數(shù)曲線

圖6為流量相對(duì)誤差隨多聲道測(cè)量次數(shù)曲線。

圖6 多聲道測(cè)量次數(shù)-流量相對(duì)誤差圖

由圖6可知，多聲道測(cè)量的流量相對(duì)誤差波動(dòng)范圍在-0.06～0.08之間。其中，1檔流速和2檔流速下的流量相對(duì)誤差波動(dòng)較大，其平均流量相對(duì)誤差分別為0.032、-0.025；3檔流速和4檔流速下的流量相對(duì)誤差波動(dòng)較小，其平均流量相對(duì)誤差分別為0.019、0.015。4檔流速下，多聲道測(cè)量的流量相對(duì)誤差最小，表明在該流速下，流量測(cè)量的結(jié)果較為準(zhǔn)確。對(duì)比單聲道測(cè)量誤差可知，多聲道測(cè)量誤差較小，且在4檔流速下有最小相對(duì)誤差。在實(shí)際工程中，可采用4檔流速下的多聲道進(jìn)行流量測(cè)量。

4 結(jié) 論

本文以華北平原為研究對(duì)象，建立時(shí)差法流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其流量進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，分別測(cè)量在單聲道和多聲道下明渠流量的變化情況，并考慮不同流速下該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度變化規(guī)律。結(jié)論如下：

1)多聲道監(jiān)測(cè)的測(cè)量流量變化趨勢(shì)與單聲道具有一致性，但是其參考流量均大于多聲道流量監(jiān)測(cè)值，且多聲道流量監(jiān)測(cè)的誤差較小。

2)單、多聲道的流量絕對(duì)誤差無明顯的變化趨勢(shì)，其波動(dòng)較大，與測(cè)量次數(shù)之間無相關(guān)關(guān)系。其中，單聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較大，多聲道測(cè)量的絕對(duì)誤差波動(dòng)范圍較小。

3)對(duì)比單聲道測(cè)量誤差可知，多聲道測(cè)量誤差較小，且在4檔流速下有最小相對(duì)誤差。在實(shí)際工程中，可采用4檔流速下的多聲道進(jìn)行流量測(cè)量。