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超聲波明渠流量計(jì)在陸渾灌區(qū)供水中應(yīng)用
【摘要】隨著工農(nóng)業(yè)和城鄉(xiāng)的快速發(fā)展，水已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和影響人民生活的重要商品，為了節(jié)約用水，渠道的流量計(jì)量就顯得尤為重要.超聲波明渠流量計(jì)是一種先進(jìn)的明渠測(cè)流儀器，它通過(guò)儀表同時(shí)測(cè)量渠道的平均流速和液位來(lái)測(cè)量流量，比以前的堰槽方式計(jì)量流量精度高，數(shù)據(jù)處理方便，可在水利工程中廣泛應(yīng)用。

陸渾水庫(kù)位于黃河支流伊河中游的河南嵩縣境內(nèi),工程于1959年12月開始興建,1965年8月底建成,控制流域面積3492km2,總庫(kù)容13.2億m3。水庫(kù)按千年設(shè)計(jì),萬(wàn)年校核,是一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游、城市供水等多種功能綜合利用的大型水利樞紐工程。

水庫(kù)已建的供水工程有洛陽(yáng)市供水引陸入洛供水工程、伊川二電、伊川三電供水工程。引陸入洛工程直接從發(fā)電洞引水，通過(guò)管道輸向洛南水廠，年供水約1000萬(wàn)立方米。原設(shè)計(jì)的測(cè)流設(shè)備如同渠道測(cè)流，耗費(fèi)人工大，數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確，故工程建成后，未建計(jì)量裝置，用水量都是從用水戶獲取，特別是電廠工程，無(wú)法估算滲漏及蒸發(fā)損失，不能精確知道供水量，給供水管理工作帶來(lái)極大不便。

近年來(lái)隨著測(cè)量技術(shù)發(fā)展及數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理水平的提高，開發(fā)出了各種類型測(cè)流設(shè)備。如：電磁測(cè)流計(jì)、超聲波流量計(jì)等使數(shù)據(jù)生成、傳輸一體化，給工程管理提供了方便。我單位也分別在2014、2015年對(duì)引陸入洛工程、二電、三電供水工程安裝超聲波明渠流量計(jì)，運(yùn)行兩年來(lái)，測(cè)流方便，數(shù)據(jù)精確，使工程測(cè)流工作上升到自動(dòng)化水平，工程管理邁上新臺(tái)階。

流量計(jì)是由流量顯示儀、流速計(jì)、液位計(jì)組成的流速面積法測(cè)流量的明渠測(cè)量流量系統(tǒng)。適用于水庫(kù)、河流、水利工程、城市供水、污水處理、農(nóng)田灌溉、水政水資源等矩形、梯形明渠及涵洞的流量測(cè)量。

超聲波明渠流量與相應(yīng)的巴歇爾槽配用，利用超聲波在空氣中的傳播規(guī)律來(lái)測(cè)量液位、流速，并不斷把液位信息傳輸給主機(jī)，主機(jī)通過(guò)運(yùn)算系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量并存儲(chǔ)。

自然流動(dòng)的自由水面狀態(tài)下測(cè)量流體的流量，謂之明渠流量檢測(cè)。由于明渠流量較大或較小，流體中往往會(huì)有一定的腐蝕性或夾帶一些雜質(zhì)，使用一般的管道流量計(jì)檢測(cè)流量是很困難的。城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、明渠流量檢測(cè)尤其是超聲波非接觸式明渠流量?jī)x為首選的流量檢測(cè)儀器。

渠道式流量計(jì)量原理與其他管道式流量計(jì)量方法比具有一定的復(fù)雜性。它具有不同尺寸不同材質(zhì)的渠底、渠壁和自由液面，不但斷面形狀各異，而且水平和垂直流速分布不同，流態(tài)復(fù)雜。平均流速的測(cè)量可采用多普勒法和時(shí)差法來(lái)測(cè)量。液位的測(cè)量方法可采用超聲液位計(jì)。

自然流動(dòng)的自由水面狀態(tài)下測(cè)量流體的流量，謂之明渠流量檢測(cè)。由于明渠流量較大或較小，流體中往往會(huì)有一定的腐蝕性或夾帶一些雜質(zhì)，使用一般的管道流量計(jì)檢測(cè)流量是很困難的。城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、明渠流量檢測(cè)尤其是超聲波非接觸式明渠流量?jī)x為首選的流量檢測(cè)儀器。

時(shí)差法測(cè)流工作原理是利用一對(duì)超聲波換能器相向交替收發(fā)超聲波，通過(guò)觀測(cè)超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)測(cè)量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量的一種間接測(cè)量方法。順流換能器和逆流換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并相距一定距離X，則流體的流速V=C2△t/2X。

超聲液位計(jì)發(fā)射超聲脈沖，通過(guò)傳播媒質(zhì)傳播到被測(cè)液面，經(jīng)反射后再通過(guò)傳聲媒質(zhì)返回到接收換能器，測(cè)出超聲脈沖從發(fā)射到接收在傳聲媒質(zhì)中傳播的時(shí)間。再根據(jù)傳聲媒質(zhì)中的聲速，就可以算得從換能器到液面的距離。從而確定液位。因此我們可以計(jì)算出探頭到反射面的距離D＝C＊t/2(除以2是因?yàn)槁暡◤陌l(fā)射到接收實(shí)際是一個(gè)來(lái)回，D是距離，C是聲速，t是時(shí)間）。再通過(guò)減法運(yùn)算就可得出液位值。

超聲波明渠流量計(jì)以流速-水位運(yùn)算法為基礎(chǔ)，并采用了先進(jìn)的伺服水位跟蹤測(cè)速系統(tǒng)和微處理器，從而確保測(cè)速和運(yùn)算的準(zhǔn)確性的一種新型智能化流量系統(tǒng)，根據(jù)渠道的寬度和測(cè)量精度的要求，采用一線一點(diǎn)法或多線一點(diǎn)法明渠測(cè)流的數(shù)學(xué)模型。智能明渠流量系統(tǒng)顯示儀中微處理器根據(jù)水位計(jì)測(cè)出的實(shí)際水位值，輸出控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)伺服跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電磁流速儀自動(dòng)跟蹤，在垂線平均流速點(diǎn)0.4倍水深處檢測(cè)流速，并根據(jù)實(shí)測(cè)的水位值、流速值和已置入的渠道幾何尺寸、邊坡系數(shù)、渠道精度、水力坡道、流速垂直平面修正系數(shù)，按照預(yù)定的數(shù)學(xué)模式計(jì)算出渠道的流量。

超聲波明渠流量計(jì)測(cè)量范圍大（0.05-10m/s），流量測(cè)量不受支流面回水的影響；測(cè)量不受水中漂浮物、泥沙、氣泡和水位大幅度變化的影響，流速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝方便對(duì)水流不產(chǎn)生阻力。標(biāo)準(zhǔn)渠道不需要改造即可直接安裝，安裝施工費(fèi)用低；儀表顯示功能：可同時(shí)顯示水位、斷面平均流速、斷面瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等測(cè)量數(shù)據(jù)；儀表輸出接口：脈沖（頻率）、RS485/RS232、（電流）；儀表報(bào)警內(nèi)容：水位超限、流量超限、流速超限等報(bào)警項(xiàng)；具有數(shù)據(jù)永久保存功能，可在長(zhǎng)期斷電的情況下保存設(shè)置參數(shù)和流量值；儀表具有：有線、無(wú)線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能（GPRS無(wú)線通訊）；通訊協(xié)議支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus(RTU)協(xié)議；儀表內(nèi)置防雷功能。

超聲波流量計(jì)安裝方便，不需土建工程，但在安裝時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：1.實(shí)測(cè)流速是建立在渠道流態(tài)比較均勻的前提下的，即要求渠道的直線段長(zhǎng)度要滿足要求�，F(xiàn)場(chǎng)直線段不足時(shí)，要通過(guò)在測(cè)量段交叉設(shè)置聲道來(lái)補(bǔ)償斜線流對(duì)流速測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。2.測(cè)量段前后若有堰、閘等設(shè)施使垂直流態(tài)紊亂時(shí)，應(yīng)采用多聲道測(cè)量方式來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量平均流速。3.流量測(cè)量影響最大的是渠道斷面積的誤差，所以要保持渠寬一致、渠壁平整、渠底無(wú)淤積，使渠道斷面積誤差要控制嚴(yán)格。

在社會(huì)高度發(fā)展的今天，水在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，而我國(guó)水資源相對(duì)短缺，節(jié)約用水、合理用水勢(shì)在必行。因此要求明渠流量測(cè)量要求精度高。超聲波明渠流量計(jì)是一種先進(jìn)的明渠測(cè)流儀器，它比傳統(tǒng)的堰槽測(cè)流方法精度高，所測(cè)渠道斷面不受限制，可以寬達(dá)上百米，可在水利和供水工程中廣泛推廣運(yùn)用。