明渠非满管电磁流量测箱测试评价

鲍子云，王洁，李王成，杨郁挺，王永平

(1. 宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021； 2. 宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021； 3. 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心， 宁夏 银川 750021； 4. 宁夏夏禹节水科技有限公司， 宁夏 银川 750021)

党的十九大报告提出“加快推进农业农村现代化”，其中主要任务是完善农业水利设施，做好现代化灌区建设[1].现代化灌区是水利现代化与社会现代化的综合体现，其建设过程中既要做到软件与硬件并重又要综合考虑自身情况，科学精准分析，进而确定最优灌区建设方案，建设设施完善、管理科学、节水高效、生态良好的现代化灌区[2].

节水高效的现代化灌区首要任务是做好灌区农业量水、精准灌溉.测控一体化闸门设备从渠道水的精确测量、实时监控、增强水利信息化的角度出发，将现代化测控技术与计算机网络技术相结合，实现了灌区供水远程控制、闸门远程启闭、渠道水情实时测报、用水量自动采集和图像实时监控等多项功能，达到了节约灌溉用水和科学、高效管理灌区的目的[3-4].

宁夏地区的渠道修建较早，砌护率低、渗漏、输水能力低、调控设施严重不足等问题日益显著.近年来，随着现代化灌区建设的推进，对区内各大灌区渠道进行整改，有效提高了渠道安全运行效率，为闸门测控一体化设备的安装提供有利条件.目前宁夏在现代化灌区建设中大多应用超声波时差法测控一体化闸门设备，此外还有水位法测控一体化闸门设备和电磁感应测控一体化闸门设备.电磁感应测控一体化设备的核心是闸门启闭机及电磁流量测箱.与普通电磁流量测箱相比，非满管电磁流量测箱不仅可以测量流体的流速,还可以测量流体在管道中的水位高度进而求得过水面积得出相应的流量[5-6]，常用的非满管电磁流量测箱有超声液位流量测箱、压力液位流量测箱等.

随着科学技术发展以及自动化进程加快，流量测量及数据采集逐步得到完善，但在实际测控一体化闸门应用过程中存在因水流条件、高含沙水质、测流断面淤积等诸多因素导致测流精度不高，给技术推广应用造成影响.针对上述问题，文中通过测试基地模拟正常输水和不同淤积物干扰试验，分析评价电磁感应测流设备在不同工况条件下的测流性能，为灌区测控设备选型提供参考依据.

1 试验设计

1.1 试验测试设施

正常工况测试在宁夏夏禹节水科技有限公司开展，试验设施由0.5级标准电磁流量计(型号MG/KL)、水泵、压力管道、蓄水池、加沙池、矩形渠道、整流格栅、尾闸和数据采集器等组成，如图1所示.由于灌区斗农渠多为侧向进水，为了更贴近实际，2套被测设备均安装在渠道转角处，模拟侧向进水情况下的水流条件.水由蓄水池进入压力管道，流经标准流量计，然后进入调节池，通过整流格栅后进入矩形渠道，依次流经超声液位流量测箱、压力液位流量测箱和压力A型流量计(3种测流设备型号均为LDM-51，水位传感器装置不同)，最后流回蓄水池.

图1 夏禹测试基地正常工况

根据中华人民共和国国家计量检定规程JJG 643—2003《标准表法流量标准装置》采用0.5级标准电磁流量计为流量检测的标准仪器，整流板是为了尽可能地消除来水过程中较大尺度的旋涡及脉动，使水流为速度均匀的分布流[7]，通过调节尾闸实现渠道水位控制.标准流量计和被测设备测流数据由数据采集器通过有线传输进行采集，数据采集频率为1 s.压力A型流量计为简易测流设备，装在渠道一侧.模拟淤积物干扰试验测试在开封开流有限公司的试验基地开展，在设备过流断面铺设不同厚度的砖块、改变水位等实现改变过流面积来模拟泥沙淤积的情况,如图2所示.

图2 开封开流试验地模拟淤积

1.2 测量原理

电磁流量测箱是基于法拉第电磁感应原理，当导体在磁场中割断磁力线时，导体两端都会产生感应电动势.管内流动的液体可视为导体，因此当其流动并切断通过被测管的磁力线时，就会产生反映流量的感应电动势.电磁流量测箱的测量结构图如图3所示.

图3 电磁流量测箱内部测量结构图

垂直施加在管道上的磁场是由2个励磁线圈产生的，这2个励磁线圈在管壁对侧串联，并由励磁信号驱动.感应电动势的大小与通过检测电路磁通量的变化率成正比，意味着其与液体的速度、磁场的强度和管道的直径有关.理想情况下，感应电动势计算式为

E=vKBD,

(1)

式中：E为感应电动势；v为流体的流速；K为仪表系数；B为电磁感应强度；D为测量管的直径.在已知液体流速大小以及过水管道横截面积A后就可由Q=Av得出流量[8].

非满管电磁流量测箱的工作状态是流体处于非满管状态，过流面积随时发生变化，这时流体会出现2种流态：一种是流体没过电极，但没有完全充满管道；另一种则是流体没有没过电极，使得电极暴露在空气中.前一种状态下按照传统流量计的测量原理实际值应该为测量值与上部空气的差值.由权重函数理论可知，感应信号电压是电极横断面内所有质点电位的集合，不论流体在管道中横截面如何变化，流动流体的质点都会有感应电势，但是这些电势一定要处于电极的集合范围内，如果电极暴露在空气中，将得不到信号[9].因此，最重要的是测量流体流速和液位高度需同时进行.

LDM-51智能化明渠流量测量系统(全渠宽测控一体化测量系统)是一款能直接测量过流断面平均流速的明渠非满管电磁流量测箱，如图4所示，由电磁流速传感器、水位传感器和流量显示仪组成.

图4 非满管电磁流量测箱

该系统的工作原理是通过在过流断面上铺设全渠宽励磁系统产生垂直全渠宽磁场,测量水流动时切割磁场产生的电势差即为过水断面所有质点电位的集合.所测量的流速是断面流速平均值,即测量断面的平均流速.断面平均流速乘以断面面积即可得到渠道的即时流量.断面面积是水位的函数,可利用不同形式的液位计测量其水位，液位计一般有超声、压力、浮球等形式.在文中试验采用的是压力液位计和超声液位计.

非满管电磁流量测箱可用于开放式非满管管道(圆管、矩形管或其他异形管)流量的测量、市政雨水、废水、污水排放和灌溉用水渠道等场所的连续计量；可实现正向和反向双向流量测量，流量测量精度高，而且不受下游、支流雍水、阻塞等因素影响，可永久记忆历史数据，零点自动调整.设备安装需尽量选择在渠道或河道比较平直的地段，在标准断面不需要改造即可直接安装，其主要技术指标：① 准确度：水位±2 mm,流速±1%,系统小于等于±2.5%；② 测量范围：流速0.01～10.00 m/s,单体流量测量0.01～90.00 m3/s；③ 供电电源：3.6，12.0，24.0，220.0 V，太阳能供电等多种方式可供选择；④ 防护等级：IP65；⑤ 功耗：小于等于5 W；⑥ 型号规格：定制.

1.3 试验设计

采用对比试验模拟正常输水和不同淤积物干扰条件下超声液位流量测箱、压力液位流量测箱与标准流量计的测流结果.不同淤积物干扰主要通过改变过流面积实现，主要方法有控制水位变化、不同水位条件下添加柴草、测箱水流出口铺设砖块、更换不同尺寸测箱等.

2 试验结果与分析

2.1 正常输水状态下的模拟试验

试验在镇北堡测试基地进行，其安装条件完全能够达到非满管电磁流量测箱的安装要求.将4月24日、4月26日各测箱量测数据与标准表数据进行对比分析(见表1)，来评估不同测箱量测水数据准确性.

相对误差的计算公式为

(1)

式中：δ为相对误差；X为各流量测箱在某一时段内所测累积流量；X1为标准流量计在某一时段内所测累积流量.

从表1可以得出，各流量测箱实测累积流量与标准流量计测得累积流量误差符合《取水计量技术导则》(GB/T 28714—2012) 中规定的采用电磁法测流时误差小于±5%即5级精度要求.通过对4月24日、4月26日各流量测箱测流精度与标准流量计对比后发现压力液位流量测箱的相对误差较小，为0.70%，超声液位流量测箱测流相对误差次之.

表1 各流量计与标准流量计相对误差

计算各流量测箱实测的瞬时流量与标准流量计所测的差值发现其服从正态分布，各流量测箱与标准流量计误差分布ED与频率F如图5所示.

图5 各流量计与标准流量计误差分布图

由图5可知，压力液位流量测量的误差分布为0.047 28～0.091 34，超声液位流量测箱的误差分布在0.047 50～0.092 50，压力液位A型流量计误差分布在0.044 90～0.092 30，以上可以看出压力液位A型流量计与标准流量计所测瞬时流量的误差分布范围较压力液位流量测箱、超声液位流量测箱大.压力液位流量测量、超声液位流量测量、压力液位A型流量所测流量均值分别为0.069 50，0.069 70，0.070 00，方差依次为0.000 043 24，0.000 049 75，0.000 051 13，前2个流量计所测流量数据均值与标准流量计测得流量接近且方差较小，说明2组数据的波动性较低.

标准差可以反映数据相对于均值的离散程度(即数据的稳定性大小)，各流量计虽独立工作，但在渠道过水面积和流速相同时进行测量，可用各流量计所测流量的标准差来反映该组数据的稳定性.分析计算不同流量计在4月26日所测流量数据后绘制标准差曲线如图6所示.图中标出各流量计所测数据标准差大小，可以看出该时段内压力A型流量计数据的标准差最大，其次是压力液位流量测箱、标准流量计、超声液位流量测箱.从所测均值数据可以看出超声液位流量测箱、压力液位流量测箱相对于压力A型流量计更接近标准流量计所测数据的均值.

图6 各流量计所测数据标准差曲线图

综上所述，正常测流状态下各流量计与标准流量计所测累积流量、瞬时流量误差进行对比后得出：压力液位流量测箱、超声液位流量测箱2种非满管电磁流量测箱的测流误差均小于压力液位A型流量计，超声液位、压力液位流量测箱均值更接近标准流量计，说明非满管电磁流量测箱的测流精度较好.从数据稳定性考虑，超声液位、压力液位流量测箱的标准差相对于压力A型流量计较小，说明非满管电磁流量测箱的测流稳定性较可靠.

2.2 不同淤积物干扰条件下的模拟试验

在实际明渠，特别是在高含沙渠道中泥沙极易淤积同时还携有许多柴草、树枝等，使得渠道过水能力减小.为测试不同淤积物干扰时非满管电磁流量测箱测流精度的影响，进行调节水位、添加柴草、使用砖块模拟泥沙淤积、设置不同尺寸超声液位流量测箱试验.由于压力液位流量测箱的水位传感器安装在测流箱的侧壁，外观为圆形，外径距离箱底约4 cm，如果淤积厚度过大，则其完全被埋没，无法正常测量水位，导致测流数据失真.超声液位流量测箱水位传感器安装在测箱顶部，为非接触式测量.在测箱底部被淤积的情况下，过流断面基准发生变化，通过改变测流箱的流量计算模型，使超声波水位计的水位基准点能够在空流情况下自动校正，从而保证了测流精度，因此模拟淤积采用超声液位流量测箱.

1) 采用尺寸为400 mm×400 mm的超声液位流量测箱测量不同水位条件下的累积流量(X2)并计算相对误差如表2所示，表中δavg为平均误差.

由表2可得，在70%水位及50%水位时超声液位流量测箱与标准流量计的平均相对误差相同.随着水位减小，超声液位流量测箱的平均相对误差逐渐增大，增大范围符合5级测流精度要求.说明水位的下降在一定程度上会影响测流精度，但在允许误差范围内.

表2 不同水位条件下各测箱测流数据

2) 采用600 mm×600 mm测箱进行试验，在100%水位及70%水位时分别添加柴草，模拟不同水位柴草对测流结果的影响，测得流量数据见表3.

表3 添加柴草条件下各测箱测流数据

由表3可得，在100%水位及70%水位条件下添加柴草后超声液位流量测箱与标准流量计的相对误差反而减小，故可推断添加柴草对测箱测流精度无影响.

3) 试验在100%水位及70%水位条件下依次铺设砖块，以改变过流面积模拟渠道淤积情况，测得结果见表4.

表4 不同砖块铺设条件下各测箱测流数据

分析表4数据，随着铺设砖块层数的增加超声液位流量测箱与标准流量计的相对误差也呈减小趋势，误差范围符合5级测流精度要求.

4) 为确定测箱尺寸的大小是否会影响测流精度，设置不同尺寸的测箱进行试验，所得结果见表5.

表5 2种规格测箱测流数据

在100%水位条件下不同尺寸测箱随尺寸减小平均相对误差呈减小趋势.在50%水位条件下不同尺寸测箱随尺寸减小平均相对误差反而增大.说明水位对不同尺寸测箱的测流精度有一定的影响，但平均相对误差值符合5级测流精度要求.

3 结 论

1) 超声、压力液位流量测箱与标准流量计测得流量数据相对误差在规定允许范围内，数据均值、误差分布、方差与标准流量计吻合较好.相对于压力A型流量计的测流精度及稳定性，超声、压力液位流量计的测流结果更胜一筹.

2) 超声液位流量测箱在不同淤积物干扰条件下测流数据与标准流量计所测数据符合测流精度要求，过程中受柴草、淤积程度、测箱水位、测箱尺寸影响较小，适用于宁夏地区复杂工况渠道.

3) 超声和压力液位流量测箱是比较先进的明渠测流仪器，相对于其他测流仪器的精度较好，且目前宁夏灌区采用这种仪器较少，可在渠道供水工程中推广应用.