矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计主要参数影响量化分析*

陈汉松 陈国宇 赖森豪



矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计主要参数影响量化分析*

陈汉松 陈国宇 赖森豪

（广州能源检测研究院）

针对现行检定规程对矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计主要参数检定不够细化的问题，详细研究影响矩形缺口薄壁堰主要参数的因素，并分析当流量变化为5%时这些参数的最大允许变化量，从而细化检定规程，有利于快速发现与判别矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计不合格方面，提高检测矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计的检定效率。

矩形缺口薄壁堰；量水堰槽；明渠流量计

0　引言

矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计是一种常见的明渠流量计，广泛应用于农业灌溉水量计量、河流水量监测[1]、企业污水排放监控[2]等领域，是保证农业生产、警示洪涝、环保监控和贸易结算的重要计量器具[3-4]。该类型流量计具有对液体介质要求低、安装方便、维护简单、使用寿命长、环境适应性强、稳定性好、精度高和测量范围广等特点。但使用中易受安装位置、量水堰槽开口形状尺寸、二次仪表匹配及设置等因素的影响[5]。因此，对矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计的检定，是流量计准确度的重要保证。

目前，常见的矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计检定方法有速度面积法和传统尺寸法。其中，速度面积法采用流速仪进行测量，安装麻烦、准确度总体偏低、检测效率低，故还无法大量用于实际检测中。传统尺寸法先对影响明渠流量计计量特性的相关物理参数（如明渠的堰槽尺寸、水位转换器等参数）进行在线测量，依次计算各分量不确定度；然后再合成明渠流量计流量的总不确定度。传统尺寸法测量简便、准确度高，是JJG711—1990《明渠堰槽流量计试行检定规程》（以下简称检定规程）中主要推荐方法。但该检定规程是1990年修订的，在近二三十年的应用中发现问题较多，如缺乏影响明渠流量计关键量的因素及其定性定量分析。

本文详细研究矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计的主要参数，并分析这些参数的影响因素[6]；同时进行定性定量分析[7-8]；最后根据矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计主要参数的影响分析，细化检定规程。

1　 矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计原理

矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计由量水堰槽（矩形缺口薄壁堰）和二次仪表组成[9]。量水堰槽包括上下游行近段、堰体和超声波传感器；二次仪表除完成水位流量转换外，还显示瞬时流量或累积量[10]。

流量测量时，先利用超声波传感器测出实际水头高度；然后利用二次仪表通过量水堰槽的参数与水头高度的固定函数关系计算水流流量，并对流量进行时间积分；最后显示瞬时流量及累积量、水头高度等，并上传至上位机。

矩形缺口薄壁堰结构如图1所示，图1中各参数取值如表1所示。

B−行近渠槽宽度 h−水头高度 b−堰口宽度 p−堰高La−上游连通管至堰板距离 hb−下游实测水深

表1 　国内常见的4种矩形缺口薄壁堰参数

若流量系数为C，实测水头高度为，宽度修正系数为K，则有效堰口宽度b=+K。流过矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计的流量(m3/s)为

式(1)中，C，K的取值与大小有关。表2为不同/值的C计算公式与K取值。

表2　 不同b/B值的Ce计算公式与Kb取值

2 　主要参数的影响因素及定性分析

由式(1)和表2可以看出，影响矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计的主要参数包括堰口宽度、行近渠槽宽度、堰高和水头高度。

2.1　堰口宽度b

堰口宽度是水流横截面积的长度，增加，排水量增加；反之，排水量减少。引起堰口宽度发生变化的常见原因有：矩形缺口薄壁堰挡板磨损，导致增大；矩形缺口薄壁堰挡板变形，导致不规则增大；不按标准尺寸，为获利或偷排，增大或减少；土地表面变动，整个矩形缺口薄壁堰发生倾斜，导致有效减少。

由式(1)可知，在其他变量不变的情况下，正比于。

2.2　行近渠槽宽度B

行近渠槽是缓冲水冲击、减少水波动对影响的主要部件，其中行近渠槽宽度是影响渠槽缓冲性能的重要参数，一般要求()/2 ≥ 0.10 m。引起行近渠槽宽度发生变化的常见原因有：超声波明渠流量计二次表与设计行近渠槽参数不匹配；用户在验收后，未经报批私自改行近渠槽宽度等。

由式(1)可知，在其他变量不变的情况下，正比于C，通过影响C从而影响，而C取决于/大小。从表2可知，越大，C越小，越小；越小，C越大，越大。

2.3　堰高p

堰高是矩形缺口薄壁堰缺口处水舌离地面的高度，合适的是水舌完整的保障。堰高常见的影响因素有：明渠流量计二次仪表与设计行近渠参数不匹配；用户在验收后，未经报批私自改行近渠的堰高；水流中含固体物质（如沙、石）较多，沉积在渠底，造成减少；挡板使用时间长，生锈或水流冲击造成减少。

由式(1)可知，在其他变量不变的情况下，正比于C。即增大，C减小，减小；减小，C增大，增大。

2.4　水头高度h

水头高度是流量测量是否准确的最关键参数。水头高度常见影响因素有：水源出口处没有缓冲结构，冲击力过大，水流波动大；行近渠槽长度短，水流缓冲不足；量水堰槽处风力较大，液面受风影响较大；渠道中加遮挡物，造成水头波动大或偏离实际；用户私自改变超声波探头至地面的安装距离、超声波探头的朝向角度、二次仪表中探头高度和修正系数等。矩形缺口薄壁堰水头高度应大于50 mm，否则容易造成贴壁流，使计量不准确[11]。

由式(1)可知，在其他变量不变的情况下，的变化会影响C与(+0.001)1.5。增大时，C与(+0.001)1.5均增大；减小时，C与(+0.001)1.5均减小。故增大，增大；减小，减小。

3　主要参数定量分析

检定规程对矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计的要求为流量不确度小于5%，故本文着重对流量不确定度为5%时的主要影响量进行定量分析。

以常见的/= 0.5，0.10 m ≤≤ 0.25 m的矩形缺口薄壁堰为例，通过控制变量法，定量分析各参数对流量的影响。根据表2可将式(1)简化为

3.1 　堰口宽度b

3.2　行近渠槽宽度B

根据表2中C与/的关系，可设C=/+，其中，为变量。当/分别为0.9，0.8，0.7，0.6，0.5时，C对应分别为0.598+0.064/，0.596+0.045/，0.594+0.030/，0.593+0.018/，0.592+0.010/，即= [0.064，0.045，0.030，0.018，0.010]，= [0.598，0.596，0.594，0.593，0.592]。可以看出，约为0.59，故可取= 0.59。随/变化的趋势图如图2所示，当0.5 ≤/≤ 0.9时，与/基本呈线性关系。因此，可根据/= 0.6时，= 0.018；/= 0.9，= 0.064，计算得到= 0.153，则C= 0.153/+ 0.59。

图2　 k随b/B变化的趋势图

3.3 　堰高p

由式(5)可知，在最大值时对的影响最大。根据表1中的取值与式(5)，当= 0.1 m，= 0.25 m时，可得∆ = −0.0552 m，即的变化量为55.2 mm。也就是说，当堰高为0.1 m时，在测量误差不大于5%的要求内，允许的最大变化量为55.2 mm。

3.4 　水头高度h

根据表1及式(2)，当= 0.25 m，= 0.1 m时

将( 0.10 m＜≤ 0.25 m)以0.02 m的等差方式列出水位与流量的对应表，如表3所示，其中Q是序号为的流量值。

表3　 h与Q的数值对应表

由表3可以看出，随的增大而增大，而n/n-1随的增大而减小，在0.1000 m时的变化对影响最大。当= 0.1000 m时，=14.427；当= 0.1033 m时，Q= 15.148；Q/Q = 1.05，即若变化量为5%时，的允许变化量为3.3 mm。

4　结语

本文对影响矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计主要参数的因素进行分析，对堰口宽度、行近渠槽宽度、堰高和水头高度进行定性与定量分析。结果表明，当流量变化在5%以内时，堰口宽度、行近渠槽宽度、堰高和水头高度的最大允许变化量分别为12.65 mm，575.05 mm，55.2 mm，3.3 mm。研究结果增加了矩形缺口薄壁堰超声波明渠流量计检测的操作性与检测速度，具有较好的应用价值。

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Quantitative Analysis of Main Parameters of Ultrasonic Open Channel Flowmeter for Rectangle Sharp-Crested Weir

Chen Hansong Chen Guoyu Lai Senhao

（Guangzhou Institute of Energy Testing）

Aiming at the problems that the current verification regulations are not detailed enough to detect the relevant parameters of the open channel ultrasonic flowmeter for rectangle sharp-crested weir, this paper studies in detail the influencing factors of the main parameters of rectangle sharp-crested weir, and quantitatively analyses the maximum allowable variation of these parameters when the flow rate changes to 5%, so as to refine the content of the verification regulations and find the unqualified aspect of open channel ultrasonic flowmeter for Rectangle sharp-crested weir, so it improves the verification efficiency of open channel ultrasonic flowmeter for Rectangle sharp-crested weir.

Rectangle Sharp-Crested Weir; Weir and Flume; Open Channel Flowmeter

陈汉松，男，1986年生，学士，工程师，主要研究方向：能源计量。E-mail: 529035580@qq.com

陈国宇，男，1990年生，博士，工程师，主要研究方向：能源计量。E-mail: mechenguoyu@hotmail.com

赖森豪，男，1993年生，学士，工程师，主要研究方向：能源计量。E-mail: 443889786@qq.com

广州市质量技术监督局科技项目（2017kj31）