超声波流量计在地表水明渠水量计量当中的应用

　　摘要：论述了超声波流量计在张掖市甘州区西浚灌区续建配套与节水改造量测水设施建设项目当中的应用，利用超声波原理对地表水明渠水量进行分层测流，精确计量明渠的实时过水流量，实现灌区量水的远程实时监测，运行情况良好，具有推广价值。

　　1工程概况

　　张掖市甘州区西浚灌区地处河西走廊中部的黑河中游左岸，甘州区西端，距城区37km。灌区东北以黑河为界，西南与肃南县相连，西北和临泽县接壤，南北长约60km，东西宽约25km，总土地面积98.79万亩。灌区内绿洲与戈壁相间，地势由东南向西北方向倾斜，海拔1453～1700m之间，属祁连山前冲洪积平原区。灌区现有干、支渠47条，其中在大型灌区续建配套与节水改造项目建设中修建无喉段量水槽8处，其余均为标准断面测水。

　　2项目区地表水计量现状及存在的问题分析

　　1）目前灌区干、支渠量测水方式均采用标准断面量水，利用现状渠道的标准断面，设置水尺，采取人工多次读取数据的方式，率定测流断面的水位流量关系，以此来测量渠道水量，这种量水方式人力、物力耗费大、且测量精度低。

　　2）灌区干、支渠多数建于上世纪六、七十年代，工程建设标准偏低。经过多年的运行，渠道冻账变形严重，水流不稳、测量精度低、水量计量争议大，水费征收困难的情况严重。

　　3）现有的量测水方式自动化程度低，不能适时观测流量，且不符合当前经济社会发展的需要。为此，随着工农业生产和生活用水量的持续增长以及水资源严重不足的矛盾，灌区地表水明渠计量除人工配合外，还有通过自动化量水设备进行实时采集、传输和存储已势在必行。

　　2018年，结合大型灌区续建配套与节水改造量测水设施项目建设，甘州区在西浚灌区建设超声波明渠流量计量水19处。通过超声波明渠流量计的建设使灌区部分渠道水量得到精确计量，量水得到了远程实时监测。

　　3项目区地表水计量方案比选

　　目前水利行业均采用水位法测流。此种测流方式具有测流精度低，管理难度大的缺点。我国大部分灌区均采用这种方式进行测流，而在节水型社会和新时代的背景下，提高计量精度和降低管理难度将是大势所趋。近年来，随着灌区信息化建设进程的加快，利用超声波流量计测量明渠渠道的过水流量，实现灌区量水的远程实时监测，在越来越多的地方得到应用。为此，本次设计量测水设施采用超声波法与流速仪法两种方式综合比较。流速仪法测流是国内外使用非常基本的方法，也是非常广泛的测流方法。也是评定和衡量各种测流新方法精度的标准。流速仪法测流基于速度面积法，测流时必须在断面上布设测速垂线和测速点，以测量断面面积和流速，测速方法一般采用积点法。用超声波来测量明渠的流量实质上是测量明渠水流的流速。当明渠水流流速向量与声波方向平行时，声波的波速将发生变化，即当声波向上游传播时波速降低，声波向下游传播时波速增加。

　　在明渠中，一定高程的水流平均流速是通过测量两个换能器之间传播的历时差来确定的。通过两种方法的比较可以看出：超声波明渠测流通过高精度时间数字转换芯片对超声波传输时间进行测量，有效克服零点漂移、小流量测量误差大等问题；综合利用频差法和时差法，使用实时声速、温度补偿等技术对流量进行补偿；人机接口画面丰富，支持多种通信方式；测量精度高，方法简单，操作安全，不影响渠道水流状态，可直接与计算机结合，实现水情数据的实时监测和实时传送，为灌区水资源的优化配置和现代化管理打下了基础。

　　4超声波明渠流量计应用

　　超声波明渠流量计专为明渠方涵流量测量而设计。该设备采用先进的超声波时差法进行分层测量，精确计量方涵的实时过水流量，又可以以30ma低功率进行正常运行。明渠流量测水箱具有GPRS无线传输功能同时也可以进行以太网局有线传输，且不需外接电源，自带锂电池可以长时间不间断工作，解决了方涵野外测量不精准，施工困难的实时计量难题。声波矩阵进行流量测量，可以有效的避免因水流流态的不稳定、建筑物不标准而引起的无法精准测量问题。使用实时声速、温度补偿等技术对流量进行补偿；人机接口画面丰富，支持多种通信方式；具有计量精度高、操作简便、运行稳定等优点。支持多声道测量（默认八声道），有效提高了仪表在复杂流体状态中的测量准确性和可靠性；

　　综合采用频差法和时差法测量技术，声速自动补偿，时间分辨率达到45皮秒，有效避免零点漂移，提高了小流量测量精度；支持RS485通信，与远程数据管理系统集成更加方便；支持AC220V、DC12V、市电、太阳能电源等输入方式；主机与探头类型多样化，可根据现场需求搭配使用，能够满足特殊环境的安装与测量；人机界面丰富，使用操作便捷。使用场合：污水治理流入和排放渠、工矿企业化工液体、废水排放渠道、水利工程和农业灌溉用渠道、泄洪闸门等场合流量测量。施测点必须有移动3G、4G信号。

　　4.1工作原理、8通道测量示意

　　超声波流量计通过上、下游传感器相互发送及接收112kHZ-1Mhz超声波，当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间发生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，如图1所示。

　　声道超声波流量计通过8组传感器测量渠道内各层的实际流速，模拟实际运行流速分布情况，解决线速度V转换为面速度V的准确性以提高仪表整体的计量精度。

　　4.2传感器结构

　　传感器分8个层次，测量8层次的水流流速。传感器结构示意：如图2所示。

　　4.3系统组成部分（如图3所示）

　　4.4技术参数

　　流速

　　流速精度：1%；流速范围：5m/s；测量线性度:优于0.5％，重复性精度:优于0.2%；时差测量分辨率：20皮秒。防护等级：IP67；温度范围：-20℃～80℃；测水精度：90%以上(0一10%）；流量范围：0.1m3/s～2.0m3/s。非常大采样率1Hz，波束频率：112kHz-1MHz；通道数：8通道（同时测量，非循环测量）

　　水位（压阻式液位计或超声波）

　　采用压阻式传感器；量程：0～3m；精度：≤0.3%FS；分辨率:0.3%FS；线性度、重复性0.03%FS；温度测量精度：1.0℃；温度补偿范围：-5℃至+45℃；工作温度：-25℃至+70℃；防护等级：ip68

　　声波矩阵控制器

　　能同时采集多个实时流速；能实时采集水位数据；根据水力学模型结算断面流量；能显示水位、瞬时流量、累计流量、水量值；工作温度：-30℃～+70℃。通讯模块支持三大营运商（2G/3G/4G）信号，符合ETSI、GSM标准；具备RS-232/422/485接口。或TTL电平接口，使用方便、灵活、可靠。数据终端永远在线；具备固定数据中心域名和IP地址，数据传输支持单通道单中心或多通道多中心；可远程设置和修改IP地址等配置参数；具备主备数传输通道，支持多数据通道。

　　4.5土建结构设计

　　为保证水流平稳，需要对现状渠道进行改建，本次设计改建现状渠道24m，其中上游渐变段6.0m，矩形段渠道10.0m，下游渐变段8.0m，渐变段设计为C20细粒砼砌石结构，矩形段为C20现浇砼重力式结构，顶宽0.2m，外坡比1:0.2。测水箱安装在矩形段渠道下游6.0m处，在安装测水箱的位置向外扩出7.5cm，以便测水箱安装后与上下游渠道相平。

　　立杆、仪表箱安装：预埋地笼，浇筑混凝土，预埋DN50进出线管到传感器，仪表箱立杆抱箍安装。

　　4.6数据传输与软件

　　通过构建报汛通信网，把地域上十分分散的自动采集的水情信息，利用通信信道，自动、准确、及时地传输到灌区渠道监测平台，作为灌区信息化建设的基础数据。

　　根据现有通信状况以及可利用的通信资源，自动超声波水位流量站中，使用GSM/GPRS作为信息传输信道,所有新建站安装位置均有公网信号，使用GSM-GPRS作为数据传输方式，GSM-SMS作为命令和数据传输的备用方式，在GSM-GPRS功能出现故障时，遥测终端自动切换到GSM-SMS方式，同时将水情数据发送到本地灌区信息化平台，并接受监测预警中心远程设置。

　　5结语

　　该项目于2018年12月建设完成，项目建成后灌区地表水计量精度显著提高，用水管理实现了信息化、自动化和智能化，超声波测流技术必将成为准确测量明渠流量的一种新方法并以推广应用。