工控摘要：水是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略性資源之一。加強(qiáng)對水資源的計(jì)量管理對水資源的科學(xué)管理有著重要的意義。本文通過對天津市引灤隧洞管理處進(jìn)口水文站的瑞士產(chǎn)超聲波流量計(jì)與流速儀測流兩種計(jì)量手段的分析對比。驗(yàn)證超聲波流量計(jì)的流量測驗(yàn)精度，推廣超聲波流量計(jì)在輸水明渠的測驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

1、實(shí)驗(yàn)測站簡介

天津市引灤隧洞進(jìn)口水文站是天津市引灤工程輸水渠道上的*個(gè)水文站，肩負(fù)著引灤輸水計(jì)量任務(wù)。設(shè)立于1983年8月，1994年3月經(jīng)天津市*批準(zhǔn)為國家二級水文站，進(jìn)行水位觀測和流量測驗(yàn)。進(jìn)口水文站與大黑汀水文站共用個(gè)測流斷面，同時(shí)進(jìn)行觀測，以保證輸水計(jì)量的精度和一致性?，F(xiàn)在的測流斷面位于大黑汀水庫分水閘下200m的人津渠明渠段，始建于1994年底。斷面上游為彎道，斷面處在彎道以下100m處的平直渠道上，其下為隧洞暗渠進(jìn)口。

輸水明渠為砼矩形渠道，測流斷面處渠寬5.7m，一般輸水時(shí)水深3～4m。測流斷面形狀規(guī)整，無沖淤變化。

2、瑞士產(chǎn)超聲波流量計(jì)測流原理及方法

設(shè)超聲波在靜水中傳播速度為C，聲路長為Lw，水流速度平均速度為。

進(jìn)口水文站明渠兩側(cè)分別裝有八個(gè)換能器（探頭），換能器為壓電晶體，壓電晶體具有聲能和電能相互轉(zhuǎn)換的特性，處理單元發(fā)送一個(gè)電信號給換能器1，換能器1把電能轉(zhuǎn)換為超聲波，換能器2接收到超聲波時(shí)，它能立即產(chǎn)生一個(gè)電動勢送到處理單元，處理單元便可測出超聲波的順流傳播時(shí)間t12，同理當(dāng)換能器2發(fā)射超聲波時(shí)，換能器l接收，可計(jì)測出超聲波的逆流傳播時(shí)間t21。

當(dāng)換能器1向換能器2發(fā)射超聲波時(shí)（順流），超聲波在順流中的曲1為靜水流速加上水流速度分量。

即V1=c+1cosφ

當(dāng)換能器2向換能器1發(fā)射超聲波時(shí)（逆流），超聲波在逆流中的速度v2為靜

水流速減去水流速度分量。即V2=c-cosφ。

根據(jù)聲路長Lw，可計(jì)算出超聲波順流傳播時(shí)間t12=Lw/v1

超聲波逆流傳播時(shí)間t21=Lw/v2

根據(jù)順流，逆流的傳播時(shí)間可計(jì)算出傳播時(shí)間差，然后設(shè)備根據(jù)該時(shí)間差可計(jì)算出水流的平均流速

為了減少不確定的流速剖面，同時(shí)為了即使在惡劣的流態(tài)條件下也能獲得高精度的流量數(shù)據(jù)，進(jìn)口水文站采用多聲路配置。進(jìn)口水文站共設(shè)置了8個(gè)聲路，在正常水位下能夠全部工作。

在多聲路測量中，使用“平均斷面法”，即測量從水表到渠底之間的若干層的流速進(jìn)行平均，總流量Qtot~根據(jù)下列關(guān)系式得出：

底部流量Qbottom是指zui低聲路之下的底部面積乘以底部流速得出的流量，其中底部流速是指通過渠底摩擦系數(shù)校正過的zui低聲路流速；頂部流量Qtop是指zui高聲路之上的頂部有效面積乘以頂部流速Vtop得出的流量，V（zi）代表第i路的流速，A（五）代表第i聲路之下的橫截面積。

3、使用流速儀測流方法

進(jìn)口水文站的主要測驗(yàn)設(shè)備為日記式自記水位計(jì)和流速儀測流纜道（跨渠鋼梁懸桿纜道）。懸桿纜道有定位準(zhǔn)確、無偏角影響、儀器不受干擾等優(yōu)點(diǎn)，其測寬、測深和流速儀定位誤差均控制在1cm之內(nèi)。規(guī)整的砼矩形斷面無沖淤變化，懸桿纜道定位準(zhǔn)確，易于將測寬和測深誤差控制在允許范圍內(nèi)。保證了測驗(yàn)精度。進(jìn)口水文站一直采用五條垂線、每條垂線上五個(gè)測點(diǎn)的方法。測點(diǎn)歷時(shí)lOOs，保證了流量測量的精度。流量測驗(yàn)中按《河流流量測驗(yàn)規(guī)范））GB50179—93執(zhí)行。根據(jù)實(shí)測流量，繪制水位流量關(guān)系曲線。進(jìn)口水文站水位流量關(guān)系基本保持穩(wěn)定。日輸水量采用自記水位計(jì)摘錄后面積加權(quán)法計(jì)算。

4、兩種測驗(yàn)成果比較

從理論上講超聲波流量計(jì)測量原理與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀法基本相同，都是將測流斷面而分成若于個(gè)子斷面，在每個(gè)子斷面內(nèi)分別測量垂線處多點(diǎn)流速并測量水深、從而得到子斷面內(nèi)的平均流速和流量.再將各子斷面的流量疊加得到整個(gè)斷面的流量。但不同的是轉(zhuǎn)子式流速儀測流時(shí)間長。修定水位*量關(guān)系曲線后，水位與流量成單一對應(yīng)關(guān)系。而超聲波測流時(shí)間快，每秒就測出一個(gè)流量。在一個(gè)水位就有多個(gè)流量，且多個(gè)流量間不斷發(fā)生變化。單就流量對比很難說明問題。但我們可以通過一段時(shí)期l的輸水量進(jìn)行對比。通過對天津市引灤入津隧洞進(jìn)口水文站2007年下半年的一次輸水過程的兩種測驗(yàn)手段測得的水量比較.從中可以看出兩種測驗(yàn)手段測得的日輸水量相對誤差相當(dāng)小，在0.3-3％之間。整個(gè)通水過程（2007年10月10日一2007年12月7日）總量的相對誤差為1.64％。

5、結(jié)語

本次比測研究結(jié)果表明：由瑞士產(chǎn)超聲波流量計(jì)測得的輸水量，與轉(zhuǎn)子式流速儀和日記式水位算得的流量相對誤差為1.64％。達(dá)到水文站的測驗(yàn)精度要求。超聲波流量計(jì)的測流原理及應(yīng)用方式具有廣泛的應(yīng)用前景，可以相信，隨著科技的進(jìn)步和新測流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，超聲波流量計(jì)能夠在水文測驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，充分發(fā)揮其“快速、準(zhǔn)確、及時(shí)、安全的優(yōu)點(diǎn)，勢必加快水文現(xiàn)代化的步伐，為今后水資源管理，為防訊抗旱、合理開發(fā)、利用、管理水資源和保護(hù)水環(huán)境發(fā)揮重要作用，對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展具有可利用的價(jià)值。