原水超聲波流量計的檢測方法

A. 想知道超聲波明渠流量計的測量原理

超聲波明渠流量計的工作原理：
明渠超聲波流量計由儀表主機和超聲波探頭等組成，利用超聲波回聲測距原理測量水位，再由儀表主機內的運算單元將水位信號換算成流量信號。

超聲波測液位原理：
超聲波水位流量計採用超聲測距法測量液位。探頭安裝在量水堰槽水位觀測點上方（如圖 2）。探頭向水面發射超聲波，超聲波的能量被水面反射，經過時間 T 被探頭接受。根據超聲波的傳播速度和經過的時間 T，儀表經過運算後得出渠道水深 H。計算公式如下：H=L-D=L-V*T/2=L-（V0+at）*T/2

其中：H 表示所求液位的高度；L 表示超聲探頭與明渠底部之間的距離，

V 表示空氣中的超聲波聲速，

T 為超聲波一個回程經過的時間, V0表示 0℃時超聲波在空氣中的傳播速度，

a 為超聲波速度的溫度系數，

t 為溫度。由上式可知，在 L 已知的情況下液位測量的精度取決於超聲波聲速 v 的測量精度和超聲波傳播時間的測量精度。

B. 超聲流量計原理

最常用的是時差法：

時差法超聲波流量計的測量原理
超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關，據此，可以實現流量測量。超聲波的發射和接收採用雙探頭方式，發射和接收感測器的材料和結構完全相同，可以互換使用或進行雙向收發。結構原理圖見圖1。

其中，C 為聲速， ΔT 為順逆流傳播時間差， β 為聲路角，L 為聲程。
需要特別說明的是，V 是液體沿管道中心線的速度。考慮到液體流速沿管道直徑的不均勻分布，添加一個修正系數K。根據流體力學，當雷諾數Re 在某一范圍內時，K 為定值，在標定過程中確定K 的大小。
瞬時流量 （D 為管道直徑） (1)
如果已經知道了L、C、D 和β ，只要能夠測得順流和逆流傳播時間差（ ΔT ）就可以求出速度V，進而得到瞬時流量。

C. 流量檢測的方法

主要斷面流量方式種類

目前進行流量自動測量的方式有以下6種:纜道測流、聲學多普勒流速(ADCP)、超聲波時差法測流、水工建築物(涵閘)推算流量、水位比降法推算流量、雷達水表面波流速測量再推算流量。

纜道自動測流

1、纜道自動測流

纜道測流是適合我國國情的一種測流方式,經 50多年發展,技術設備較為成熟,其中全自動纜道測流系統測流精度可達到95~98%。該方法由人工一次性啟動纜道測流裝置後,可自動測量全斷面測點流速和垂線水深,並自動計算出斷面面積和流量。由於纜道測流的測量精度較高,且不需要進行率定,在系統工程中主要是用於不規則斷面的流量測量,實現對主要測流斷面的流量控制。

超聲波時差法測流

2、超聲波時差法測流

超聲波時差法測量流速國內外均有定型產品用於管道和渠道,但國內沒有定型生產用於天然河流的產品。本方法能方便地解決斷面不同水層的平均流速測量,充分利用電腦技術將超聲波時差法測流、超聲或壓力水位計和預置河床斷面等技術集於一體後,可構建實時在線的流量測量系統,該方法適用於斷面較穩定,

有一定水深的河道,還需要借用斷面面積參數(另用人工方法測量)和用流速儀等標准測流設備標定流量計算模型後,才能正常啟用,其建站總投資大於纜道測流站。

超聲波時差法自動測流站工作原理為在測量斷面上設置單層或多層超聲波換能器斜交叉布置在河兩岸,超聲波換能器由二次儀表控制,從河道的一岸順流發射超聲波,另一岸接收,然後再反向進行工作,根據順、逆流傳輸測到的時間差計算出相應水層的平均流速,另外一換能器向上發射超聲波,遇到水面時反射再由同一換能器接收回波,根據時間差測出水深(也可選用壓力水位計測量出水深)。如果是規則斷面則通過水位算出斷面面積,通過流速積分和人工標定的流量系數可計算出流量,其流量精度可達5%以內。若為不規則斷面則必須根據數據建立數學模型,根據測量數據計算流量或通過人為標定流量系數計算流量。

該儀器的最大特點是在線連續測量,缺點是在斷面較寬、水淺和含沙量較高的條件下無法使用。另外,由於換能器是安裝在河的兩岸,二次儀表只能放在某一岸,而另一岸的換能器信號線則必須從河底或高架過河。如果從河底過施工難度較大,無疑增加了工程量和投資。再則超聲波時差法測流,易受行船影響,致使測流精度降低。

3、聲學多普勒流速測流聲學多普勒流速測流

聲學多普勒流速測流

聲學多普勒流速測流是英文Acoustic Doppler Current Profilers 的簡稱,是利用聲學多普勒原理進行研製的,是目前世界上最為先進的河流流速流量實時測量設備,自1981 年在美國誕生以來,隨著技術不斷進步和日益完善,已從海洋測量逐步應用於河流流量測量,測量精度也得到很大的提高。從最初的盲區1 m 以上,降低到所謂的「零盲區」,剖面單元縮小到目前的0.05~0.25m ,使其在寬淺河流上的應用成為可能。

該種方法又分為2種,即走航式聲學多普勒流速聲學多普勒流速

(1)聲學多普勒流速法

DX- LSX- 1多普勒超聲波流量計流速測量基於多普勒效應，探頭斜向上發出一束超聲波，超聲波在流體中傳播，流體中會含有氣泡或者顆粒等雜質（可以認為流體中的雜質和水流的速度一致），當超聲波接觸到流體中的雜質時會使反射的超聲波產生多普勒頻移Δf， 多普勒頻移Δf正比於流速。通過測量多普勒頻移Δf即可測量出流體的流速。利用聲波在流體中傳播的多普勒效應，通過測定流體中運動粒子散射聲波的多普勒頻移，即可得到流體的速度，結合內置壓力式水位計，利用速度面積法，即可測量液體的流量。適合於明渠、河道及難以建造標准斷面的流速流量測量以及於各種滿管和非滿管明渠流速流量測量。聲學多普勒測量儀最大優點是安裝方便,可靠性高,價格低廉,比較適合河道測流。所有功能集於一身的設計，同時測量平均流速、水深、水溫採用速度面積法測流，無水頭損失，不需建設標准堰槽。採用超聲波多普勒原理測流速流量，測量精度高，起始速度低。無機械轉子結構，對水流狀態無影響，測量更精準。自帶溫度感測器，可用於補償水溫對聲速的影響。可測量瞬時流量和累積流量。採用頻域多普勒分析演算法，數據穩定可靠，實時性強。安裝簡單，不需輔助工程設施

(2)走航式聲學多普勒流速測流法

走航式聲學多普勒流速測流法是一種需渡河載體(如小船)的游動式測流設備,因為它一次能同時測出河床的斷面形狀、水深、流速和流量,適用於大江大河的流量監測。

該流量計的主機和換能器裝在一防水容器內,工作時全部浸入水中,通過防水電纜與攜帶型計算機相連,流量計的操作控制在攜帶型計算機上進行。全套系統由蓄電池供電,也可以用交流供電,流量計的換能器一般由3個或4個發射頭構成,它們可以向水下發射在空間互成一定角度的3束或4束超聲波(4束超聲波最佳),這些超聲波在由水面射向河底的穿行過程中不斷地經水中的固體顆粒、氣泡和河底反射回來。根據這些返回信號的頻率可以測出流量計和各水層以及河底的相對位移速度,其中流量計與河底的相對速度即是船速,扣除船速便可以求取各層水流對河底的流速。根據河底返回速度分量結合測得的船行方位便可求取水流的真實方向。根據河底返回信號的時間測出水深。流量計由河這岸向對岸穿行測量一次,便可測出經過各點的水深以及流速的大小和方向,將流速矢量對河

床水流斷面進行積分,便得到了河床流量。因為採用的是矢量積分,所以所測流量的大小與流量計渡河路徑無關。

4、水工建築物涵閘))流量測量

關系曲線求出對應的過水流量。其優點是只要准確地測量出上下游水位及閘門開度,即可換算出過流量,但不足之處是需人工進行標定,確定經驗公式的相關系數。

典型的閘流流量公式:

Q=CBH03/2

式中:C 為流量系數,B 為過水總凈寬,H0為上游水頭

典型的孔流流量公式: Q=MA√Z

式中:A 為過流斷面,Z 為上下游水位差,M 為綜合流量系數

由於受水工建築物的結構、閘門形狀和下游出水口的流態等多種因素影響,流量系數不易准確確定,需要通過人工測量來確定流量關系曲線,測量精度不高。

5、比降法

通過測量河流上一段距離的上下游水位及水面坡度,設定的河流的糙率系數,根據曼寧經驗公式推算流量。當測流河道的水流不是自由流,水位受上下游水工建築物的影響較大時就無法推算流量。另外,此方法精度不高,在比降不大的河段更是不準確。故本方法在此是不可行的。

6、雷達水表面波流

通過測量河流幾點水表面流速,再由水表面流速推算河道流量。此方法精度不高,受外界因素影響較大,如風,下雨等。另一關鍵因素是雷達測速儀在水表面流速低於0.5米時已無法測量米時已無法測量,,所以用雷達測速儀做在線實時監測很難實現所以用雷達測速儀做在線實時監測很難實現。。

2.2 測流方法比選

綜述3.1.1,前3種及第6種方法屬於流速面積法,4、5二項屬於水位~流速關系法。在天然河流或渠道上,流速面積法是比較准確的流量測驗方法。但真正能做到實時自動測量流量的只有聲學多普勒測量法