超声波流量计自动测回率定装置研究及应用

贾新胜，贾文雯，张晓丹

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.山东科技大学，山东 青岛 266590；3.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

现代大型调水工程中，泵站流量计量一般选用四声道或八声道高精度时差式多声道超声波流量计进行泵站流量的测量，按照厂家模型试验相关参数进行安装、调试和计量。但工程实际施工中，测流流道断面尺寸、糙率、流态、安装位置等测流条件与厂家模型试验相关参数有一定偏差，超声波流量计的现场流量运行计量条件相应发生了变化，导致泵站流量计计量与实际流量存在偏差。由于大型调水工程中泵站进水流道多采用渐变肘形弯管、平面蜗壳等异形流道，因此常规试验室超声波流量计检定、率定方法在现场安装进行流量测验难度较大、费用较高、重复投资较大。人工走航式ADCP进行流量计比测测验、检定和率定，存在ADCP岸边距不固定、速度不均匀、测深不稳定、测向紊乱、航迹曲折、多次测回流量测验数据偏差超限（＞5%）等问题，费时、费力、效率低，流量测验成果不稳定、测验精度低、成果重复性差等无法解决的根本性问题依然存在。运行人员结合存在的问题，根据现场运行实践和经验，研究了一套定轨、定点、定速、定向、定时、定迹的超声波流量计自动测回率定装置，提高了流量测验成果的稳定性和精度，满足了泵站超声波流量计定期校准和率定的需求，解决了泵站调度运行中亟需解决的关键问题。

1 实施方案

1.1 自动测回固定缆道装置概述

该缆道由两岸支架及基础，主索，循环索，升降索，手电两用绞车，行车架及导向滑轮和控制箱等部分组成。缆道驱动控制装置安装在河岸一侧，驱动装置由电动绞盘、电动循环轮及控制器组成。该装置可实现手动操作、无线遥控操作和PLC直流变频调速自动控制，可适应走航式ADCP测船流量测验定位、航向、入水深度等基本操作。

安装于主索上的行车架由闭口循环索控制进退，行车上悬挂ADCP的定向缆绳，能够通过绞盘控制前进和后退；测船深度调节索进行测船高度的调节实现测船入水深度的控制；当气温变化或循环所松动变化等出现时，通过调节调整系数进行绳索的调整松紧索；电动绞盘具有制动装置和锁紧装置，能控制行车架在任何工作位置上定点、定位，满足控制系统各种技术性和时限性功能要求。

1.2 设置多模控制方式

自动测回固定缆道率定装置支持如下3种测流测验模式。

1）手动测流。绞车配备手摇变速齿轮结构与绞车齿轮啮合，人工通过手摇装置控制绞车使ADCP测船完成前进、后退和升降功能，测船与系统无线通讯，完成测验数据的采集。

2）遥控测流。系统安装遥控手柄，通过遥控器在泵站控制室完成电动绞盘的控制，实现ADCP测船来回前进、后退、升降等功能，完成测验数据的采集。

3）全自动测流。系统开发的自动测回管理平台，根据设定的边距、水深、时间等参数，系统控制测船自动进行定点、定水深、定向、定时等流量数据的数据采集与汇总。

1.3 泵站自动测回率定测验系统

自动缆道数控系统由直流变频无级变速和PLC控制器等部分组成，通过PLC可实现对测流ADCP的出车、回车、下降、提升、定点、定速的无级变速和时间控制。通过控制面板设定水位、测边距和测船高度参数，根据设定的移动缆绳升降调整系数，系统自动计算测流断面尺寸、测流中心点，自动设定测流起点和终点位置，安装好ADCP测船后，点击开始测流就可以实现根据设定参数自动往返进行流量测验和检定。

2 系统特点

泵站自动测回流量测验系统结合PLC变频调速控制和走航式ADCP测流的特点，通过开发的六定功能，节省了大量测验人工，提高了测验精度，可按照规范对大型调水工程超声波流量计进行高精度检定和率定。

1）定水位测验。由于运行中调水水位需要根据运行要求进行调整，系统可根据输入的实际测量断面水位，自动计算测流航迹长度、缆道中心点，自动设定测回长度、水深等数据，自动实现测船的高度调整，解决原系统不能进行水位记录、控制参数、定位等数据自动采集计量的问题。

2）定边距测验。系统可根据输入的水位、岸边距数值，自动根据缆道升降调整系数，从计算的缆道中心外推，自动定位作为断面流量测验的开始点位和测流的结束点位，流量测验就在计算的长度内进行测回采集，解决原系统岸边距不能计算定位，无法设定测回开始、结束点位的问题。

3）定水深测验。一方面通过该装置可单独实现测船的入水深度控制，另一方面，根据大中型泵站不同机组组合运行流速不固定的实际情况，系统开发了根据实际流速流量测验的不同需求，配套不同测流铅鱼配重，可实现测船不同入水深度的流量测验，解决了原测船入水深度不可控和流速较高时测深断面不稳定的问题。

4）定航速测验。由于大中型泵站不同机组组合运行流速不固定的问题，系统可根据不同的速度需求进行设置控制，分为高、中、低三级，低速状态覆盖2台以内机组运行时的流速，中速覆盖4台机组以内运行时的流速，高速覆盖特殊测流需求情况下的流速，实现缆道小车的流量测验速度的调节，解决原系统不能进行流量测验速度数字设定控制的问题。

5）定航向测验。根据设定的固定缆道的方向，结合水流的方向，系统可根据缆道小车位置调节吊绳，满足测船方向始终与所测断面平行，保障了测流超声波方向角的稳定，提高了流量测验的精度需求。

6）定测回测验。系统根据自动定位测回始、终两点位置，可以自动完成来、往一个完整测回的流量测验数据的采集工作。同时，为提高流量测验精度，也可以根据需要设定测回数量，系统自动进行多测回流量测验数据的采集、计算并汇总形成成果。解决了原系统一次仅能进行半个测回的问题，实现高效、高精度流量测验工作。

3 实施效果

1）开发的综合自动测回流量测验系统与ADCP瑞江软件结合使用，经多测回ADCP流量测验实测标准多组流量数据，相对误差均不超过2%，与泵站正常超声波流量计同时段流量比测相对误差不超过3%。经数次合理性分析后，比测精度完全符合和超过规范相对误差不超过5%的规定，满足超声波流量计流量校正、测验检定和率定的相关要求，可作为偏差较大流道超声波流量计的比测检定。

2）通过该系统投入运用，系统解决了大型调水工程超声波流量计定期检验、校准和率定问题（六定措施）、大型调水工程泵站超声波流量计测流偏差较大问题，以及大型调水工程跨流域调水总流量计量纠纷测验和检验问题。提升了工程调度运行数字化、精细化、标准化管理水平。

3）该系统的实施应用，实现了大中型调水泵站超声波流量计在线测验、检定、率定的目标，大大降低了调水工程中流量测验人为因素的干扰和影响，开创了超声波流量计流量测验和率定的自动化方案，为调水工程数字调度和精细化管理提供了技术支撑。

4）解决了工程原采用的人工率定方案造成的精度低、效率低、消耗大量人工参与费用高、成果稳定性差等问题（南水北调中线类似工程节制闸率定费用80万元，试验室单次率定报价约30万元）。而创新的该系统全部投资不到20万元，在线测验精度、效率、稳定性却远远高于人工测验和率定的水平，经济、效率和效益显著。本系安装后可长期适用开展超声波流量计流量测验和率定工作，不需反复投资。

4 结语

自主开发的大型调水工程超声波流量计自动测回率定装置，结合固定缆道系统、PLC数控变频调速控制和走航式ADCP测流的特点优化组合，通过开发的六定功能解决了影响ADCP流量测验、检验精度的岸边距、入水深度、测船航迹、超声波测向、测船航时和测船不稳、抖动等问题，实现了大型调水工程超声波流量计现场在线测验、检定、率定的目标。测流中节省了大量测验人工，降低了测验成本，提升了测验精度，提高了检定、率定效率，解决了大型调水工程跨流域调水总流量计量纠纷测验和检验问题，为大型调水工程调度运行数字化、精细化、标准化管理提供了坚实技术支撑。