多泥沙明渠流量智能化精确计量系统设计研究

王玉晓 崔峰 郭秋歌

摘 要：多泥沙引黄明渠流量的智能化精确计量一直是困扰业界的难题，其主要原因一是流速测量存在误差，二是渠道冲淤变化大且快，过流面积测量不准。为了保证明渠流量智能化精确计量，针对多泥沙明渠设计了一套流量智能化精确计量方案。该方案采用现代化测量设备及自动控制装置，基于超声波技术测出流速，自动测出淤积厚度，并形成多点数据库，对所采集的数据进行处理，形成数据库后传入PC端进行数据可视化处理。比测数据分析表明：该精确计量系统提升了流量计量的准确性、稳定性、可靠性，满足明渠流量智能化精确计量要求，同时为实现远距离、无人值守、智能化、通用化明渠流量监测设备的应用提供了技术储备。

关键词：超声波技术;流量计算;泥沙去淤;智能化计量

中图分类号：TV62;TV882.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.036

Abstract：The intelligent accurate measurement of the discharge for sediment-laden open channel has been one of the problems in the hydraulic field. One of the main reasons is that there are errors in the velocity measurement， the other is the change of channel erosion and deposition is very large and fast. In order to ensure the intelligent accurate measurement of discharge for open channel， an intelligent accurate measurement system was designed for the sediment-laden open channel. The system automatically measured the thickness of deposition and then formed multi-point database with adopting modern measuring equipment and automatic control device， which based on ultrasonic technology to measure the velocity of flow. Finally， we processed the database and transferred it to PC for data visualization. The practical conclusion shows that this system improves the accuracy， stability and reliability of discharge measurement and satisfies the requirements of intelligent and accurate measurement of water flow in open channel. Meanwhile， it provides technical reserve for achieving the application of long-distance， unattended， intelligent and general utilization of open channel flow detection equipment.

Key words： ultrasonic technology; flow calculation; sediment desilting; intelligent measurement

1 引 言

随着流量自动监测技术的发展，目前应用最为广泛的是基于声学原理的流量自动监测技术。基于声学原理的流量计主要分为时差法多声路超声波流量计和超声波多普勒流量计。此外，雷达明渠流量计在黄河下游明渠测流中應用较多。

多声路超声波流量计目前已经广泛应用于管路和渠道流量测量中，根据超声波在水流中的传播特性，利用一组或多组超声波换能器来测量同一水层线平均流速，通过水深计算断面面积;超声波多普勒流量计以声学多普勒效应为基础，采用一体化的结构，将换能器和电子部件集中在一个密封容器内，工作时全部浸入水下，通过防水电缆传输信息。非接触式雷达明渠流量计是通过改进雷达明渠流量计，结合流体力学模型，配合雷达流速仪得到。目前，国内外测量河流流量的方法主要有时差法、垂直多普勒法、流速面积法、雷达波桥测法、曲线率定法、遥感测量法和控制断面法等[1]。

相比雷达明渠流量计和超声波多普勒流量计，超声波流量计测量精度最高，且受现场条件影响小。雷达明渠流量计和超声波多普勒流量计需要定期进行校准率定，这会增加额外开销。此外，通过对3种流量计对比研究发现，雷达明渠流量计、多普勒流量计、超声波流量计的流量测量只在清水中具有较高的精度，无法在明渠底部淤积的情况下实时精确地测量明渠流量[2-3]。

本文针对多泥沙明渠，设计了一套流量智能化精确计量方案，该方案采用现代化测量设备及自动控制装置，基于超声波技术测出流速并自动测量淤积厚度，形成多点数据库，通过数据处理提升流量计量的精确性。

2 结构说明

图1为现代化测量设备及自动控制装置示意图，其主要包括3部分：太阳能供电系统、走航系统和智能设备运算系统。太阳能供电系统包括太阳能电池板、远程监控摄像头等;走航系统包括控制箱、电机、桩、钢丝缆等，用箱封装;智能设备运算系统包括淤积监测运算系统和流量运算系统。配电箱与走航系统控制箱位于太阳能电池杆上，配电箱与控制箱连接，控制箱内控制器与桩内电机以及各类控制器连接;配电箱与淤积监测运算系统连接，结合流量运算系统能够实时测出淤积厚度。

3 原理说明

（1）太阳能通过控制单元向走航系统供电，通过导线发送采集信号分别实时测出水面到明渠底部距离及水面到淤积面（图1中紅线）的距离，实现渠道冲淤变化数据的实时更新。然后利用平均断面法计算出渠道断面面积。

（2）平均断面法。对于非常规断面，通常需要建立断面水深—面积数学模型S（x），根据测量的各断面流速和水深计算流量。若断面流量函数Q（x）十分复杂，即无法获得解析解时，采用数值积分代替函数积分来获取渠道断面面积，进而计算流量。

本文所设计方案针对规则渠道断面，利用平均断面法计算渠道断面面积，即通过逐层水深计算断面面积，通过逐层流速—面积积分计算流量。规则渠道断面面积如图2所示。断面面积计算公式为S总=S1+S2+S3+S变，其中S是与h有关的变量。

（3）将采集数据传输至淤积监测系统，利用相关智能设备对数据进行处理，形成淤积数据库。

（4）智能设备通过采集流量相关数据与淤积数据，采用流量计量经典算法（流速—面积法）进行数据综合处理，实现流量精确计量。

4 比例数据分析

以某一监测站为例，取人工测量值与智能测量设备测量值以及理论计算值进行对比，见表1～表3。

表2给出了9个观测日内智能化测量值与人工测量值。由表2可知，智能化测量值与人工测量值基本一致，这是因为人工测量值与智能化测量值都是在默认去除淤积的情况下进行的数据采集，其误差均在5%以下，在允许范围内，精度指标达到了水文测验规范要求。

表3给出了9个观测日内智能化测量值与理论计算值的对比，其中智能化测量值分为含淤组和去淤组。含淤组智能化测量值与理论计算值基本一致，对比含淤组与去淤组智能化测量值，其误差指标达到了水文测验规范要求。含淤组和去淤组智能化测量值与理论计算值作对比，其误差多数在4%以下。

5 结 论

针对多泥沙明渠设计了一套智能化精确计量方案，该方案采用现代化测量设备及自动控制装置，基于超声波技术测出流速并自动测量淤积厚度，实现了渠道冲淤变化数据的实时更新。通过数据分析对比了理论计算值、智能化测量值与人工测量值之间的关系，结果显示，所提方案在能够智能化记录淤积变化的情况下，提升了流量计量的准确性、稳定性、可靠性，满足了渠道流量智能化精确计量要求。

参考文献：

[1] 孙采鹰，田志强，曹凯.超声波明渠流量计研究与设计[J].内蒙古科技大学学报，2015，34（4）：333-336.

[2] 许汉武，胡业林，郭立全.超声明渠流量计[J].电子世界，2017（12）：69-71.

[3] 任剑飞.基于流速面积法的河流水位流量计量研究[J].水利规划与设计，2015（11）：69-71.

【责任编辑 张 帅】