基于大伙房水库浑河闸超声波流量计的应用与研究

徐 冰

(大伙房水库管理局，辽宁 抚顺 113007)

基于大伙房水库浑河闸超声波流量计的应用与研究

徐 冰

(大伙房水库管理局，辽宁 抚顺 113007)

超声波流量计应用于浑河闸，用于采集放水流量。文章以大伙房水库浑河闸超声波流量计为例，根据对其检测的经验，将超声波流量计的工作原理，检测方法做以介绍。认为超声波流量计测量原理比较科学，测速准确度高，是一种较好的流量自动测量仪器。

超声波流量计；静水实验；动水实验；工作原理

0 前 言

浑河闸工程主体由拦河闸、浑沙、浑蒲进水闸3大部分组成。

拦河闸为宽顶堰，孔高8.2m、宽10m共22孔拦河闸。

浑沙、浑蒲进水闸为开敞式，闸门高3.5m，宽6m平板闸门，各3孔。

拦河闸为4级消能，4级消力池长分别为8.5m、11.3m、18.5m、13.5m，消能防冲总长131.1m。

浑沙、浑蒲进水闸为1级消能，其下消力池长14.8m。浑河闸枢纽工程等别为Ⅰ等，规模为大(1)型，其相应的主要水工建筑物为1级。

主要水工建筑物有浑沙进水闸、浑蒲进水闸和拦河闸等。

超声波流量计分别安装在浑沙进水闸、浑蒲进水闸和拦河闸闸板后渠道墙壁上。

由于放水水位偏低，因此流量计一直未正常采集数据，为检测流量计正常与否，现将所用的流量计工作原理以及检测方式做以简单介绍。

1 工作原理

1.1 单声道工作方式

声波在静水中传播时，有一恒定的速度。此传播速度会随水温、盐度、含沙量发生一些变化，但当水流状况一定时，此传播速度是一定的：

1)顺水流传播时，实际传播速度为声速加上水流速度。

2)逆水传播时，实际传播速度为声速减去水流速度。于是，在河流上、下游两固定点之间，声波顺水和逆水传播所需时间有一差别，测出这时间差别就能测得水流速度[1]。

在上下游分别布置2只换能器P1和P2。其间距为L，流体流速为V，C为室温下静水中声速。在水流的作用下，声波沿正向传播所经历的时间比逆向传播所经历的时间要小。详见图1。

图1 超声波测流原理图

正逆向传播时间可以表示为：

(1)

(2)

式中：V为流体速度；L为声路长；θ为声波路径与流向的夹角；C为静水中的声速。

由上述两式可以导出在1条声路上的流速表达式：

(3)

1.2 多层声道工作方式

由上式计算出来的流速是超声波传播路径上的线平均流速。

此工作方式为单声道工作方式，只能测得垂直于过水断面的流速分量，只是用于河流流速和断面基本垂直的河段，而浑河闸开闸放水时，流态分布复杂多变，很难找出线平均流速和面平均流速间的关系。

在此情况下为了实现流量的高精度测量，浑河闸采用了平行多声路交叉测流方法。采用对称交叉声路布置，由两个交叉测量断面构成的8声道流量计，能得到高出±1%的流量测量精度，甚至±0.5%的流量测量精度。

将各声道测得的线平均流速进行加权积分求得面平均流速[2]。

(4)

由此求得流量：

(5)

式中:V为面平均流速；N为声道数；Ki为第i声道加权积分系数；Vi为第i声遣线平均流速数；S为过流断面面积；Q为断面通过流量。

对于浑河闸放水时，流态也是呈不均匀分布，为了提高测量精度一般采用多声路的布置方式，测量流速同时还要测量水位量。

对通过测量断面流体的流速进行积分，得到通过测量断面的流量，详见图2。

图2 多声路布置分布

流量计算公式为：

Q=QT+QI+QB

(6)

式中：Q为渠道断面流量；QT为渠道上层流量；QI为渠道中间各层流量；QB为渠道底层流量。

2 流量计检测

2.1 静水实验

为了检测流量计是否完好，做静水实验时，先将闸门关闭，在闸板后流量计下游筑起1.2m高的围堰，之后，将闸门微微提起，使水能够从闸板底部缓缓流出，这样做的目的是防止闸门开度较大时水流冲垮围堰。

当将水蓄满后，经检测，流量计能够正常采集信号，则证明流量计完好。那么需要再做动水实验检测流量计在放水期间的工作状态[3]。

2.2 动水试验

将浑河闸水位蓄水至高程为34.5m，保证实验时能没过第二层换能器。然后开闸放水实验。由于水的落差较大，换能器能完全没过第一层换能器，而第二层换能器随着波浪时隐时现。

在接收信号的时候，第一层换能器信号良好，而第二层换能器的信号时断时续，产生这种效果的原因是水中的气泡、颗粒漂浮物的杂乱回波，导致超声波的信号很弱，还很离散，因此会产生第二层换能器采集信号的断断续续。

通过以上静水实验和动水实验，证明了流量计的正常与否，也了解了超声波流量计正常工作所需要的条件，这个条件就是超声波流量计要完全淹没在水中，而且水中气泡、颗粒漂浮物等条件都会影响超声波流量计的准确性。

3 结 语

超声波流量计测量原理比较科学，测速准确度也高，是一种较好的流量自动测量仪器。我们依然会不断地学习，在运行维护中，好好的总结经验，将所掌握的知识与大家共同交流，促进水利事业的发展。

[1]孙振华.超声波流量计在大型泵站流量测试中的应用[J].中国农村水利水电，2010(03)：130-131.

[2]张振光，刘晓臣，付庆.GPRS通讯、超声波流量计在引嫩管理处流量采集中的应用[J].黑龙江水利科技，2008,36(05)：31-32.

[3]李友平，苗豫生，夏洲，郑洪来.多声路超声波流量计校准及相关问题探讨[J].水电自动化与大坝监测，2007，31(05)：44-46.

1007-7596(2014)03-0060-02

2013-07-11

徐冰(1981-)，男，辽宁抚顺人，工程师。

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