原水超声波流量计的检测方法

A. 想知道超声波明渠流量计的测量原理

超声波明渠流量计的工作原理：
明渠超声波流量计由仪表主机和超声波探头等组成，利用超声波回声测距原理测量水位，再由仪表主机内的运算单元将水位信号换算成流量信号。

超声波测液位原理：
超声波水位流量计采用超声测距法测量液位。探头安装在量水堰槽水位观测点上方（如图 2）。探头向水面发射超声波，超声波的能量被水面反射，经过时间 T 被探头接受。根据超声波的传播速度和经过的时间 T，仪表经过运算后得出渠道水深 H。计算公式如下：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 表示超声探头与明渠底部之间的距离，

V 表示空气中的超声波声速，

T 为超声波一个回程经过的时间, V0表示 0℃时超声波在空气中的传播速度，

a 为超声波速度的温度系数，

t 为温度。由上式可知，在 L 已知的情况下液位测量的精度取决于超声波声速 v 的测量精度和超声波传播时间的测量精度。

B. 超声流量计原理

最常用的是时差法：

时差法超声波流量计的测量原理
超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此，可以实现流量测量。超声波的发射和接收采用双探头方式，发射和接收传感器的材料和结构完全相同，可以互换使用或进行双向收发。结构原理图见图1。

其中，C 为声速， ΔT 为顺逆流传播时间差， β 为声路角，L 为声程。
需要特别说明的是，V 是液体沿管道中心线的速度。考虑到液体流速沿管道直径的不均匀分布，添加一个修正系数K。根据流体力学，当雷诺数Re 在某一范围内时，K 为定值，在标定过程中确定K 的大小。
瞬时流量 （D 为管道直径） (1)
如果已经知道了L、C、D 和β ，只要能够测得顺流和逆流传播时间差（ ΔT ）就可以求出速度V，进而得到瞬时流量。

C. 流量检测的方法

主要断面流量方式种类

目前进行流量自动测量的方式有以下6种:缆道测流、声学多普勒流速(ADCP)、超声波时差法测流、水工建筑物(涵闸)推算流量、水位比降法推算流量、雷达水表面波流速测量再推算流量。

缆道自动测流

1、缆道自动测流

缆道测流是适合我国国情的一种测流方式,经 50多年发展,技术设备较为成熟,其中全自动缆道测流系统测流精度可达到95~98%。该方法由人工一次性启动缆道测流装置后,可自动测量全断面测点流速和垂线水深,并自动计算出断面面积和流量。由于缆道测流的测量精度较高,且不需要进行率定,在系统工程中主要是用于不规则断面的流量测量,实现对主要测流断面的流量控制。

超声波时差法测流

2、超声波时差法测流

超声波时差法测量流速国内外均有定型产品用于管道和渠道,但国内没有定型生产用于天然河流的产品。本方法能方便地解决断面不同水层的平均流速测量,充分利用电脑技术将超声波时差法测流、超声或压力水位计和预置河床断面等技术集于一体后,可构建实时在线的流量测量系统,该方法适用于断面较稳定,

有一定水深的河道,还需要借用断面面积参数(另用人工方法测量)和用流速仪等标准测流设备标定流量计算模型后,才能正常启用,其建站总投资大于缆道测流站。

超声波时差法自动测流站工作原理为在测量断面上设置单层或多层超声波换能器斜交叉布置在河两岸,超声波换能器由二次仪表控制,从河道的一岸顺流发射超声波,另一岸接收,然后再反向进行工作,根据顺、逆流传输测到的时间差计算出相应水层的平均流速,另外一换能器向上发射超声波,遇到水面时反射再由同一换能器接收回波,根据时间差测出水深(也可选用压力水位计测量出水深)。如果是规则断面则通过水位算出断面面积,通过流速积分和人工标定的流量系数可计算出流量,其流量精度可达5%以内。若为不规则断面则必须根据数据建立数学模型,根据测量数据计算流量或通过人为标定流量系数计算流量。

该仪器的最大特点是在线连续测量,缺点是在断面较宽、水浅和含沙量较高的条件下无法使用。另外,由于换能器是安装在河的两岸,二次仪表只能放在某一岸,而另一岸的换能器信号线则必须从河底或高架过河。如果从河底过施工难度较大,无疑增加了工程量和投资。再则超声波时差法测流,易受行船影响,致使测流精度降低。

3、声学多普勒流速测流声学多普勒流速测流

声学多普勒流速测流

声学多普勒流速测流是英文Acoustic Doppler Current Profilers 的简称,是利用声学多普勒原理进行研制的,是目前世界上最为先进的河流流速流量实时测量设备,自1981 年在美国诞生以来,随着技术不断进步和日益完善,已从海洋测量逐步应用于河流流量测量,测量精度也得到很大的提高。从最初的盲区1 m 以上,降低到所谓的“零盲区”,剖面单元缩小到目前的0.05~0.25m ,使其在宽浅河流上的应用成为可能。

该种方法又分为2种,即走航式声学多普勒流速声学多普勒流速

(1)声学多普勒流速法

DX- LSX- 1多普勒超声波流量计流速测量基于多普勒效应，探头斜向上发出一束超声波，超声波在流体中传播，流体中会含有气泡或者颗粒等杂质（可以认为流体中的杂质和水流的速度一致），当超声波接触到流体中的杂质时会使反射的超声波产生多普勒频移Δf， 多普勒频移Δf正比于流速。通过测量多普勒频移Δf即可测量出流体的流速。利用声波在流体中传播的多普勒效应，通过测定流体中运动粒子散射声波的多普勒频移，即可得到流体的速度，结合内置压力式水位计，利用速度面积法，即可测量液体的流量。适合于明渠、河道及难以建造标准断面的流速流量测量以及于各种满管和非满管明渠流速流量测量。声学多普勒测量仪最大优点是安装方便,可靠性高,价格低廉,比较适合河道测流。所有功能集于一身的设计，同时测量平均流速、水深、水温采用速度面积法测流，无水头损失，不需建设标准堰槽。采用超声波多普勒原理测流速流量，测量精度高，起始速度低。无机械转子结构，对水流状态无影响，测量更精准。自带温度传感器，可用于补偿水温对声速的影响。可测量瞬时流量和累积流量。采用频域多普勒分析算法，数据稳定可靠，实时性强。安装简单，不需辅助工程设施

(2)走航式声学多普勒流速测流法

走航式声学多普勒流速测流法是一种需渡河载体(如小船)的游动式测流设备,因为它一次能同时测出河床的断面形状、水深、流速和流量,适用于大江大河的流量监测。

该流量计的主机和换能器装在一防水容器内,工作时全部浸入水中,通过防水电缆与便携式计算机相连,流量计的操作控制在便携式计算机上进行。全套系统由蓄电池供电,也可以用交流供电,流量计的换能器一般由3个或4个发射头构成,它们可以向水下发射在空间互成一定角度的3束或4束超声波(4束超声波最佳),这些超声波在由水面射向河底的穿行过程中不断地经水中的固体颗粒、气泡和河底反射回来。根据这些返回信号的频率可以测出流量计和各水层以及河底的相对位移速度,其中流量计与河底的相对速度即是船速,扣除船速便可以求取各层水流对河底的流速。根据河底返回速度分量结合测得的船行方位便可求取水流的真实方向。根据河底返回信号的时间测出水深。流量计由河这岸向对岸穿行测量一次,便可测出经过各点的水深以及流速的大小和方向,将流速矢量对河

床水流断面进行积分,便得到了河床流量。因为采用的是矢量积分,所以所测流量的大小与流量计渡河路径无关。

4、水工建筑物涵闸))流量测量

关系曲线求出对应的过水流量。其优点是只要准确地测量出上下游水位及闸门开度,即可换算出过流量,但不足之处是需人工进行标定,确定经验公式的相关系数。

典型的闸流流量公式:

Q=CBH03/2

式中:C 为流量系数,B 为过水总净宽,H0为上游水头

典型的孔流流量公式: Q=MA√Z

式中:A 为过流断面,Z 为上下游水位差,M 为综合流量系数

由于受水工建筑物的结构、闸门形状和下游出水口的流态等多种因素影响,流量系数不易准确确定,需要通过人工测量来确定流量关系曲线,测量精度不高。

5、比降法

通过测量河流上一段距离的上下游水位及水面坡度,设定的河流的糙率系数,根据曼宁经验公式推算流量。当测流河道的水流不是自由流,水位受上下游水工建筑物的影响较大时就无法推算流量。另外,此方法精度不高,在比降不大的河段更是不准确。故本方法在此是不可行的。

6、雷达水表面波流

通过测量河流几点水表面流速,再由水表面流速推算河道流量。此方法精度不高,受外界因素影响较大,如风,下雨等。另一关键因素是雷达测速仪在水表面流速低于0.5米时已无法测量米时已无法测量,,所以用雷达测速仪做在线实时监测很难实现所以用雷达测速仪做在线实时监测很难实现。。

2.2 测流方法比选

综述3.1.1,前3种及第6种方法属于流速面积法,4、5二项属于水位~流速关系法。在天然河流或渠道上,流速面积法是比较准确的流量测验方法。但真正能做到实时自动测量流量的只有声学多普勒测量法