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超聲波流量計在趙山渡引水工程應用研究
Updated:2019-7-4 10:03:05 Browse:1804 Close window Print this page
 [導讀] 著重介紹超聲波用于明渠流量的基本原理,結合趙山渡引水工程沿途流量測量、控制現場實際,講述了超聲波流量計的原理、測量方法、及流量計安裝標定等問題,可供從事流量測量設計及現場維護檢修人員參考。
 
    1 測量基本理論
 
    1.1 流速基本計算公式
 
    由明渠基本理論,對于明渠恒定均勻流,已知沿水深方向有下列對數形式的點流速u的計算公式
 
    
 
    式中,u———點流速
 
    u∗———摩陰流速
 
    C———常數
 
    H———斷面水深
 
    h———點流速處深度
 
    △———渠壁絕對粗糙度。
 
    1.2 超聲換能器工作原理
 
    超聲換能器測量工作原理,采用時差法進行測量。也就是通過測量超聲波在“順流”和“逆流”的傳播時間差,求得該超聲換能器所在流層的流速,再根據流速基本公式(1)和斷面數據求得流量。如圖1所示,在渠道內斜向設置一對超聲換能器P1P2,設兩換能器之間的距離為L,由其形成的聲路路徑和水流流向的夾角為θ。
 
    當P1發射超聲波,P2接收時,超聲波的傳播時間(正向傳播時間)。
 
 
 
圖1 測理原理示意圖
 
    式中,c———靜水中的超聲波流速
 
    u———流層流速
 
    同理,當P2發射超聲波P1接收時,超聲波的傳播時間(逆向傳播時間)
 
    正向和逆向傳播的時間差為
 
    
 
    因靜水中的超聲波速度與溫度有關,根據(2)、(3)兩式將c用t1和t2替代得
 
    
 
    由(5)式可見,只要能測出超聲波正向和逆向的傳播時間t1和t2,就能計算換能器所在的流層的流速u,進而與已測得的其它流層的流速一起,計算流量。
 
    1.3 測量方法
 
    根據上述測量基本理論,結合現場實際,決定對每條渠道采用四組超聲換能器進行流速的測量,一臺超聲水位計測量水位。流速換能器、水位井及水位計換能器在水渠中的安裝位置見圖2。在測量出水位和各流層的流速后,可由下式計算出斷面平均流速。
 
 
 
圖2 換能器現場安裝示意圖
 
    
 
    式中,ui———某流層流速
 
    Ki———加權系數
 
    由平均速度計算流量
 
    
 
    式中,b———渠道斷面寬
 
    h———斷面水深。
 
    圖中1、2、3、4、5、6、7、8示意水渠中換能器安裝位置。數字9為水位井及水位計超聲換能器安裝位置。1~5;2~6;3~7;4~8號換能器分別組成4個互為發射接收的層流速測量組,分別測量不同層面的流速。圖中H示意水位方向,S示意水流方向。
 
    2 現場安裝及存在問題
 
    2.1 機械安裝
 
    流量計應固定在換能器至主機或遠程流量變送器的電纜不超過300英尺或100米的地方。
 
    另外,流量計需要交流電源插座,還要求與壓力傳感器和現場處理控制系統連接的插座。流量計須垂直固定在墻上或一塊能夠承受100磅的板子上,用3/8英寸(10mm)的方頭螺釘或方額螺栓固定。
 
    如果需連接PC機,先準備好一張臺子或架子。
 
    2.2 現場安裝造成測量誤差的因素
 
    (1)測量斷面上幾何參數測量不準。
 
    ①聲路長L測量不準;
 
    ②聲路角φ測量不準;
 
    ③渠道截面積S測量不準。
 
    (2)流態分布畸變引起的測量誤差。
 
    (3)脈動流引起水位的測量誤差。
 
    2.3 安裝中對誤差控制所采取的措施
 
    (1)采用科學的安裝方法和準確的測量工具,保證換能器的準確定位。
 
    ①應用經緯儀在渠道內進行換能器定位,使聲路角φ的測量誤差控制在0.01°以內。
 
    ②在渠道內用專用測量工具實測量路長,使聲路長的測量準確度達到毫米級。
 
    ③在測量多個斷面上測量渠寬,求平均值,以保證截面積計算正確。
 
    (2)選擇最加測量點。
 
    在換能器上下游選取足夠長的執行段,以保證測量區流態穩定,理論上通常上游取10個渠寬,下游取1個渠寬。在實際安裝中,換能器上游執行段約大于15個渠寬,下游約大于2個渠寬。優于理論取值。
 
    2.4 解決流速脈動問題
 
    (1)建立水位井測量水位的高度,有效控制水流表面波引起的高度測量誤差。
 
    (2)超聲波流量計沒有機械慣性,可以快速采樣,用多次采樣平均計算出的流量可以消除流速脈動造成的問題。
 
    3 超聲波流量計調試
 
    設備調試由以下幾個步驟組成,首先對已經安裝的8個斷面的流量計逐一進行了設備的連接和通電,然后我們逐一將每個斷面的參數進行了設置,在我們的系統診斷下我們發現了有3個斷面有電纜斷裂的情況,有2個斷面的水位計工作不正常。針對這部分不正常的斷進行了斷面的檢修恢復計劃。
 
    調試過的8處流量計量系統的調試結果說明如下:
 
 
 
    調試后聲路工作狀況如圖3所示。
 
 
 
圖3 
 
    4 結語
 
    (1)要根據測量對象及現場實際情況有針對性地制定測量方案,才有可能達到測量目的,滿足測量要求。
 
    (2)選準測量位置,要充分保障測量點上下執行段的長度,以保證測量點流態穩定,比如在趙山渡進水口安裝的超聲波流量計由于水流不穩定,造成測量結果波動較大。
 
    (3)精確校準測量系統各通道的傳輸延遲時間,正確設定測量系統內部參數。
 
    (4)精確測量執行渠道斷面的幾何參數,換能器的安全位置,牢固安裝水下設備。
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