超聲波流量計自動測回率定裝置研究及應用

賈新勝，賈文雯，張曉丹

（1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.山東科技大學，山東 青島 266590；3.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014）

現代大型調水工程中，泵站流量計量一般選用四聲道或八聲道高精度時差式多聲道超聲波流量計進行泵站流量的測量，按照廠家模型試驗相關參數進行安裝、調試和計量。但工程實際施工中，測流流道斷面尺寸、糙率、流態、安裝位置等測流條件與廠家模型試驗相關參數有一定偏差，超聲波流量計的現場流量運行計量條件相應發生了變化，導致泵站流量計計量與實際流量存在偏差。由于大型調水工程中泵站進水流道多采用漸變肘形彎管、平面蝸殼等異形流道，因此常規試驗室超聲波流量計檢定、率定方法在現場安裝進行流量測驗難度較大、費用較高、重復投資較大。人工走航式ADCP進行流量計比測測驗、檢定和率定，存在ADCP岸邊距不固定、速度不均勻、測深不穩定、測向紊亂、航跡曲折、多次測回流量測驗數據偏差超限（＞5%）等問題，費時、費力、效率低，流量測驗成果不穩定、測驗精度低、成果重復性差等無法解決的根本性問題依然存在。運行人員結合存在的問題，根據現場運行實踐和經驗，研究了一套定軌、定點、定速、定向、定時、定跡的超聲波流量計自動測回率定裝置，提高了流量測驗成果的穩定性和精度，滿足了泵站超聲波流量計定期校準和率定的需求，解決了泵站調度運行中亟需解決的關鍵問題。

1 實施方案

1.1 自動測回固定纜道裝置概述

該纜道由兩岸支架及基礎，主索，循環索，升降索，手電兩用絞車，行車架及導向滑輪和控制箱等部分組成。纜道驅動控制裝置安裝在河岸一側，驅動裝置由電動絞盤、電動循環輪及控制器組成。該裝置可實現手動操作、無線遙控操作和PLC直流變頻調速自動控制，可適應走航式ADCP測船流量測驗定位、航向、入水深度等基本操作。

安裝于主索上的行車架由閉口循環索控制進退，行車上懸掛ADCP的定向纜繩，能夠通過絞盤控制前進和后退；測船深度調節索進行測船高度的調節實現測船入水深度的控制；當氣溫變化或循環所松動變化等出現時，通過調節調整系數進行繩索的調整松緊索；電動絞盤具有制動裝置和鎖緊裝置，能控制行車架在任何工作位置上定點、定位，滿足控制系統各種技術性和時限性功能要求。

1.2 設置多?？刂品绞?/h3>

自動測回固定纜道率定裝置支持如下3種測流測驗模式。

1）手動測流。絞車配備手搖變速齒輪結構與絞車齒輪嚙合，人工通過手搖裝置控制絞車使ADCP測船完成前進、后退和升降功能，測船與系統無線通訊，完成測驗數據的采集。

2）遙控測流。系統安裝遙控手柄，通過遙控器在泵站控制室完成電動絞盤的控制，實現ADCP測船來回前進、后退、升降等功能，完成測驗數據的采集。

3）全自動測流。系統開發的自動測回管理平臺，根據設定的邊距、水深、時間等參數，系統控制測船自動進行定點、定水深、定向、定時等流量數據的數據采集與匯總。

1.3 泵站自動測回率定測驗系統

自動纜道數控系統由直流變頻無級變速和PLC控制器等部分組成，通過PLC可實現對測流ADCP的出車、回車、下降、提升、定點、定速的無級變速和時間控制。通過控制面板設定水位、測邊距和測船高度參數，根據設定的移動纜繩升降調整系數，系統自動計算測流斷面尺寸、測流中心點，自動設定測流起點和終點位置，安裝好ADCP測船后，點擊開始測流就可以實現根據設定參數自動往返進行流量測驗和檢定。

2 系統特點

泵站自動測回流量測驗系統結合PLC變頻調速控制和走航式ADCP測流的特點，通過開發的六定功能，節省了大量測驗人工，提高了測驗精度，可按照規范對大型調水工程超聲波流量計進行高精度檢定和率定。

1）定水位測驗。由于運行中調水水位需要根據運行要求進行調整，系統可根據輸入的實際測量斷面水位，自動計算測流航跡長度、纜道中心點，自動設定測回長度、水深等數據，自動實現測船的高度調整，解決原系統不能進行水位記錄、控制參數、定位等數據自動采集計量的問題。

2）定邊距測驗。系統可根據輸入的水位、岸邊距數值，自動根據纜道升降調整系數，從計算的纜道中心外推，自動定位作為斷面流量測驗的開始點位和測流的結束點位，流量測驗就在計算的長度內進行測回采集，解決原系統岸邊距不能計算定位，無法設定測回開始、結束點位的問題。

3）定水深測驗。一方面通過該裝置可單獨實現測船的入水深度控制，另一方面，根據大中型泵站不同機組組合運行流速不固定的實際情況，系統開發了根據實際流速流量測驗的不同需求，配套不同測流鉛魚配重，可實現測船不同入水深度的流量測驗，解決了原測船入水深度不可控和流速較高時測深斷面不穩定的問題。

4）定航速測驗。由于大中型泵站不同機組組合運行流速不固定的問題，系統可根據不同的速度需求進行設置控制，分為高、中、低三級，低速狀態覆蓋2臺以內機組運行時的流速，中速覆蓋4臺機組以內運行時的流速，高速覆蓋特殊測流需求情況下的流速，實現纜道小車的流量測驗速度的調節，解決原系統不能進行流量測驗速度數字設定控制的問題。

5）定航向測驗。根據設定的固定纜道的方向，結合水流的方向，系統可根據纜道小車位置調節吊繩，滿足測船方向始終與所測斷面平行，保障了測流超聲波方向角的穩定，提高了流量測驗的精度需求。

6）定測回測驗。系統根據自動定位測回始、終兩點位置，可以自動完成來、往一個完整測回的流量測驗數據的采集工作。同時，為提高流量測驗精度，也可以根據需要設定測回數量，系統自動進行多測回流量測驗數據的采集、計算并匯總形成成果。解決了原系統一次僅能進行半個測回的問題，實現高效、高精度流量測驗工作。

3 實施效果

1）開發的綜合自動測回流量測驗系統與ADCP瑞江軟件結合使用，經多測回ADCP流量測驗實測標準多組流量數據，相對誤差均不超過2%，與泵站正常超聲波流量計同時段流量比測相對誤差不超過3%。經數次合理性分析后，比測精度完全符合和超過規范相對誤差不超過5%的規定，滿足超聲波流量計流量校正、測驗檢定和率定的相關要求，可作為偏差較大流道超聲波流量計的比測檢定。

2）通過該系統投入運用，系統解決了大型調水工程超聲波流量計定期檢驗、校準和率定問題（六定措施）、大型調水工程泵站超聲波流量計測流偏差較大問題，以及大型調水工程跨流域調水總流量計量糾紛測驗和檢驗問題。提升了工程調度運行數字化、精細化、標準化管理水平。

3）該系統的實施應用，實現了大中型調水泵站超聲波流量計在線測驗、檢定、率定的目標，大大降低了調水工程中流量測驗人為因素的干擾和影響，開創了超聲波流量計流量測驗和率定的自動化方案，為調水工程數字調度和精細化管理提供了技術支撐。

4）解決了工程原采用的人工率定方案造成的精度低、效率低、消耗大量人工參與費用高、成果穩定性差等問題（南水北調中線類似工程節制閘率定費用80萬元，試驗室單次率定報價約30萬元）。而創新的該系統全部投資不到20萬元，在線測驗精度、效率、穩定性卻遠遠高于人工測驗和率定的水平，經濟、效率和效益顯著。本系安裝后可長期適用開展超聲波流量計流量測驗和率定工作，不需反復投資。

4 結語

自主開發的大型調水工程超聲波流量計自動測回率定裝置，結合固定纜道系統、PLC數控變頻調速控制和走航式ADCP測流的特點優化組合，通過開發的六定功能解決了影響ADCP流量測驗、檢驗精度的岸邊距、入水深度、測船航跡、超聲波測向、測船航時和測船不穩、抖動等問題，實現了大型調水工程超聲波流量計現場在線測驗、檢定、率定的目標。測流中節省了大量測驗人工，降低了測驗成本，提升了測驗精度，提高了檢定、率定效率，解決了大型調水工程跨流域調水總流量計量糾紛測驗和檢驗問題，為大型調水工程調度運行數字化、精細化、標準化管理提供了堅實技術支撐。