超声波明渠流量计 在陆浑灌区供水中的应用

刘志勋

【摘要】随着工农业和城乡的快速发展，水已经成为制约经济发展和影响人民生活的重要商品，为了节约用水，渠道的流量计量就显得尤为重要。超声波明渠流量计是一种先进的明渠测流仪器，它通过仪表同时测量渠道的平均流速和液位来测量流量，比以前的堰槽方式计量流量精度高，数据处理方便，应在水利工程中广泛应用。

【关键词】明渠；流量计；原理；特点；安装

陆浑水库位于黄河支流伊河中游的河南嵩县境内，工程于1959年12月开始兴建，1965年8月底建成，控制流域面积3492km2，总库容13.2亿m3。水库按千年设计，万年校核，是一座具有防洪、灌溉、发电、养殖、旅游、城市供水等多种功能综合利用的大型水利枢纽工程。

水库已建的供水工程有洛阳市供水引陆入洛供水工程、伊川二电、伊川三电供水工程。引陆入洛工程直接从发电洞引水，通过管道输向洛南水厂，年供水约1000万立方米。原设计的测流设备如同渠道测流，耗费人工大，数据也不准确，故工程建成后，未建计量装置，用水量都是从用水户获取，特别是电厂工程，无法估算渗漏及蒸发损失，不能精确知道供水量，给供水管理工作带来极大不便。

近年来随着测量技术发展及数据自动化处理水平的提高，开发出了各种类型测流设备。如：电磁测流计、超声波流量计等使数据生成、传输一体化，给工程管理提供了方便。我单位也分别在2014、2015年对引陆入洛工程、二电、三电供水工程安装超声波明渠流量计，运行两年来，测流方便，数据精确，使工程测流工作上升到自动化水平，工程管理迈上新台阶。

流量计是由流量显示仪、流速计、液位计组成的流速面积法测流量的明渠测量流量系统。适用于水库、河流、水利工程、城市供水、污水处理、农田灌溉、水政水资源等矩形、梯形明渠及涵洞的流量测量。

超声波明渠流量与相应的巴歇尔槽配用，利用超声波在空气中的传播规律来测量液位、流速，并不断把液位信息传输给主机，主机通过运算系统，自动测出瞬时流量和累计流量并存储

自然流动的自由水面状态下测量流体的流量，谓之明渠流量检测。由于明渠流量较大或较小，流体中往往会有一定的腐蚀性或夹带一些杂质，使用一般的管道流量计检测流量是很困难的。城市供水、农业灌溉用水、明渠流量检测尤其是超声波非接触式明渠流量仪为首选的流量检测仪器。

渠道式流量计量原理与其他管道式流量计量方法比具有一定的复杂性。它具有不同尺寸不同材质的渠底、渠壁和自由液面，不但断面形状各异，而且水平和垂直流速分布不同，流态复杂。平均流速的测量可采用多普勒法和时差法来测量。液位的测量方法可采用超声液位计。

自然流动的自由水面状态下测量流体的流量，谓之明渠流量检测。由于明渠流量较大或较小，流体中往往会有一定的腐蚀性或夹带一些杂质，使用一般的管道流量计检测流量是很困难的。城市供水、农业灌溉用水、明渠流量检测尤其是超声波非接触式明渠流量仪为首选的流量检测仪器。

时差法测流工作原理是利用一对超声波换能器相向交替收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。顺流换能器和逆流换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离X，则流体的流速V=C2△t/2X。

超声液位计发射超声脉冲，通过传播媒质传播到被测液面，经反射后再通过传声媒质返回到接收换能器，测出超声脉冲从发射到接收在传声媒质中传播的时间。再根据传声媒质中的声速，就可以算得从换能器到液面的距离。从而确定液位。因此我们可以计算出探头到反射面的距离D = C*t/2（除以2 是因为声波从发射到接收实际是一个来回，D 是距离，C 是声速，t 是时间）。再通过减法运算就可得出液位值。

超声波明渠流量计以流速-水位运算法为基础，并采用了先进的伺服水位跟踪测速系统和微处理器，从而确保测速和运算的准确性的一种新型智能化流量系统，根据渠道的宽度和测量精度的要求，采用一线一点法或多线一点法明渠测流的数学模型。 智能明渠流量系统显示仪中微处理器根据水位计测出的实际水位值，输出控制信号去驱动伺服跟踪執行机构带动电磁流速仪自动跟踪，在垂线平均流速点0.4倍水深处检测流速，并根据实测的水位值、流速值和已置入的渠道几何尺寸、边坡系数、渠道精度、水力坡道、流速垂直平面修正系数，按照预定的数学模式计算出渠道的流量。

超声波明渠流量计测量范围大（0.05-10m/s），流量测量不受支流面回水的影响；测量不受水中漂浮物、泥沙、气泡和水位大幅度变化的影响，流速传感器结构简单、体积小、安装方便对水流不产生阻力。标准渠道不需要改造即可直接安装，安装施工费用低；仪表显示功能：可同时显示水位、断面平均流速、断面瞬时流量、累计流量等测量数据；仪表输出接口：脉冲（频率）、RS485/RS232、（电流）；仪表报警内容：水位超限、流量超限、流速超限等报警项；具有数据永久保存功能，可在长期断电的情况下保存设置参数和流量值；仪表具有：有线、无线数据远传功能（GPRS无线通讯）；通讯协议支持标准Modbus（RTU）协议；仪表内置防雷功能。

超超声波流量计安装方便，不需土建工程，但在安装时应注意以下问题：1.实测流速是建立在渠道流态比较均匀的前提下的，即要求渠道的直线段长度要满足要求。现场直线段不足时，要通过在测量段交叉设置声道来补偿斜线流对流速测量准确度的影响。2.测量段前后若有堰、闸等设施使垂直流态紊乱时，应采用多声道测量方式来达到准确测量平均流速。3.流量测量影响最大的是渠道断面积的误差，所以要保持渠宽一致、渠壁平整、渠底无淤积，使渠道断面积误差要控制严格。

在社会高度发展的今天，水在国民经济发展中占着重要地位，而我国水资源量相对短缺，节约用水、合理用水势在必行。因此要求明渠流量测量要求精度高。超声波明渠流量计是一种先进的明渠测流仪器，它比传统的堰槽测流方法精度高，所测渠道断面不受限制，可以宽达上百米，应在水利和供水工程中广泛推广运用。

（本文作者系河南省陆浑水库管理局 河南 洛阳 471003）