浅谈超声波测流技术在南水北调工程中的应用

张大朋

摘要：在南水北调工程中，流量测量设备是自动化监测系统重要组成部分。采取科学合理的流量测量技术，能够提高流量测量的准确性和可靠性，从而为南水北调工程的顺利实施奠定坚实的基础。本文主要分析了超声波测流技术在南水北调工程中的应用。明确了超声波测流技术的具体原理和使用的思路，并在实践中分析了南水北调工程中如何使用超声波测流技术，希望能够为今后的类似施工提供参考和借鉴。

关键词：超声波测流技术；南水北调；应用

前言

大型水利工程传统的流量计量方式是人工测量，测量数据以人工记录为主，统计和查询不便，数据没有得到充分的利用。现有的大流量测量方法很多，但很难做到实时在线、测量精确度高且运行性能稳定。超声波流量计采用多声道测流速加权积分测流技术，较好地解决了流态分布，信号处理和现场安装等技术难题，实现了大流量的稳定准确测量，是大型输水供水工程的理想流量监测手段。所以在南水北调工程中，运用超声波测流技术是极为有必要的。

1超声波测流技术

1.1超声波流量计的构成

目前应用于明渠测量的超声波流量计主要有两类，即多谱勒式超声波流量计和时差式超声波流量计。它们都采用了高精技术来处理超声波信号，都应用了超声波的相关声学特性，但其工作原理及应用场合等方面仍有很大不同，根据实际情况进行选择。时差式超声波流量计是由主机、一对或几对超声波换能器和一个水位换能器构成。系统结构如图1所示：

1.2超声波流量计的工作方式

超声波流换能器是浸在水中工作的，声路数的多少由被测水流条件和要求的测量精度决定。按照IEC41规程，根据精度要求，可采用二声路、四声路、八声路。我们采用的UF-911流量计属于时差式超声波流量计，它是通过测量被测水流的流速和水位来计算流量的。它采取的是多声道测流速加权积分测流技术，而不是声道平均流速。工作过大致程为：主机发命令使流速换能器震动发出超声波，每个声路通过测量超声波顺流和逆流的传播时间差来算出流速；同时水位换能器发射超声波，利用水位换能器的超声波发出、返回可知水深；人为输入给主机的渠道矩阵面积，再利用流量仪器进行分析，可在1分钟内计算出流量。由此三项即可计算出此时渠道的流量。为了正确选型和合理使用超声波流量计，并且对实际应用中出现的问题进行分析、总结和解决，需要详细了解一下工作原理。

1.3超声波流量计测量原理

时差式超声波流量计的两个探头装在待测流体管道或明渠的上游和下游，对于小口径管道，装在管道一侧，为V方式，对于大口径管道（直径大于200mm）则装在两侧，为Z方式。一对探头（即换能器）都可以发射和接收超声波信号。由于液体流速的作用，从上游侧探头发向下游的声速将增加；反之减小。时差法超声波流量计其原理是根据超声波信号顺逆流传播时间之差来计算流量，即首先根据顺流传播时间和逆流传播时间之差计算出流速，再根据测量断面面积计算出流量。如图2所示：

2超声波测流技术的关键点

2.1超声波传播时间的检测技术

由于超声波的速度很快（在水中为1457m/s左右），在管道内传播的时间很短，顺、逆流传播时间差Δt就更小。例如：管径D=300mm，流体流速ν=1.33m/s，超声波声速c=1457m/s，那么Δt为10-6us，要保证测量达到1%的精度，要求测量的时间差就要达到10-8us，在测量低流速时要求则更高。所以，提高时间分辨率至关重要，目前的超声波流量计采用高速集成电路和合理的数学模式，把时间差的分辨率提高到50ps（50×10-12s），使得测量的准确性和稳定性大大提高。

2.2声波的分辨与检测技术

超声波在液体中传播，受管道材质、衫里及流体的影响，当从管道一侧传播到另一侧时，信号不可避免地衰减，发生形变。同时工程现场的管道噪声和变频设备的电噪声等干扰信号与超声波信号一起被超声流量计的换能器所接收，这样，准确地分辨和检测超声波信号便成为超声波流量计的一大关键技术。早期的超声波流量计采用跟踪声波最大峰值来检测声波信号并进行流量测量，这样，当声波通过管壁和流体发生形变，或干扰信号较强时，容易发生声波检测错误进而造成流量测量错误。

UF-911超声波流量计采用零点分析法从根源克服了这种缺陷。换能器接收到超声波信号时，将在电极两端产生电信号，cos（2πf0t+φ）为超声波信号，其值为“0”时刻点称为零点，r（t）为流体对超声波调制函数。超声波在流体中传播时，环境噪声主要影响调制信号r（t）部分，对cos（2πf0t+φ）部分没有影响，超声波信号零点不受y（t）幅值波动而变化。在信号较弱、波动较大以及干扰强烈的情况下，传统阈值法无法工作时，零点法都能准确测量出超声波信号在流体中的顺逆流传播时间，极大地提高了时差法超声波流量计的可靠性和稳定性。

2.3超声波换能器的粘接剂材料技术

传统的超声波流量计所用的换能器声楔材料由塑料制成，性能不稳定，寿命短。随着新材料技术的发展，超声波流量计采用了钢化陶瓷作为声楔材料，提高了传感器的抗磨损、抗腐蚀性能，并且易与压电陶瓷粘结。在粘结剂的使用上，也用金属合金粉末代替了传统的有机粘结剂，使整个换能器的各个部分膨胀系数基本一致，提高了整体性能，延长了使用寿命，更加适合在工业现场的长期稳定运行。

3超声波测流技术在南水北调工程中的应用

3.1工程运行与控制

南水北调中线工程从长江支流汉江上的丹江口水库引水，沿伏牛山和太行山山前平原布置，以明渠结合倒虹吸和渡槽自流输水，进入北京境内经大型泵站加压后改以地下PCCP管道和暗涵形式输水，终点为北京颐和园团城湖。其中京石段工程南起石家庄古运河节制闸，北至北京团城湖，全长307km，已于2008年10月建成并投入运行，经过近一年的试供水运行，从河北的王快、黄碧庄水库共计向北京输水约3.3×108m3，产生了良好的社会与经济效益。

为了实现对渠道水位和流量的控制，在渠道中倒虹吸出口设置一定数量的节制闸，整个渠道由节制闸分隔为一个个短的渠段，每个渠段类似于一个小水库，长距离的输水渠道即由这些小水库串联而成，通过控制这些小水库来控制整个渠道水流。此外，在渠道沿线设置若干分水闸门，用于向沿途地区供水，在河北与北京交界处设置大型泵站一座，用于向北京加大流量供水。工程采用倒虹吸出口节制闸、分水口闸、退水闸进行输水控制，全线共有闸（阀）67个，分为六类：节制闸10个、分水闸22个、退水闸13个、排冰闸1个、倒虹吸工作闸12个、泵站1座和其他类型8个。

闸门控制与渠道水力学过程有关，在保证水位变化率在允许值范围内实现输水，因此选用“下游常水位”（即闸前常水位）方式作为渠道的运行控制方式，以流量作为控制输出。中线总干渠现阶段通水设计流量为21～25m3/s。

3.2设备选型

南水北调中线京石段水源取自水库，水质较清，选用时差式超声波流量计。引水流道水工结构形式主要为明渠和PCCP管道（混凝土预应力管）。依据全线闸门的重要程度及功能区分，分别选择8声道、4声道和2声道换能器，在部分小管径分水口处设置电磁式流量计。

3.3设备组成及技术指标

一套流量计设备由主机、换能器、水位计、连接电缆等组成。主机采用单片机结构，配备触摸显示屏，显示瞬时流量、累计流量、各层流速、水温、水深等参数，IP65防护等级，电源范围AC230VAC（±10%）/45～65Hz或DC24～48VDC，功率不大于50W。输出信号：4路4～20mA模拟输出和4路脉冲/继电器输出，一个RS232/RS485接口，可与计算机或PLC进行通信。适应环境温度范围-30℃～+70℃。换能器工作环境温度为-10℃～+50℃，测量范围能适于渠宽100m范围，流速测量范围为0.02～20m/s。电缆采用SYV-50-3-T专用同轴电缆，可长期防水。配套用投入式水位计。对于渠道安装流量计，其测量精度为2%，管道安装流量计测量精度可达0.5%。

3.4流量计的安装与调试

超声波流量计的安装调试主要包括换能器的安装、主机的安装、信号电缆连接以及系统的调试等。

（1）换能器安装

换能器的安装中最主要的是定位，即在渠道两边或钢管壁找出安装换能器的准确位置。通常采用激光经纬仪定位，换能器与渠道中心线的夹角（声路角）一般选择45°比较好。其次，安装好换能器后，要准确测出换能器的实际安装参数，即声路长、声路角、声路高程以及水位计的安装高程等。

（2）主机安装

主机安装主要是信号电缆（射频电缆）和电源线的正确连接。信号电缆在铺设时，电缆的两头应做出识别标记，以避免连接出错。电源要保证供电电压波动在设备要求的范围内，否则容易损坏主机。南水北调惠南庄泵站在安装初期，因为暂时使用施工电源，其电压稳定性较差，因此在电源进线端增加了稳压电源。

流量计主机与计算机监控系统通过串口连接，由计算机监控系统进行数据自动采集流量数据。

（3）系统调试

第一步，按照说明书的要求，利用LED显示屏人机界面，或利用便携式电脑和调试软件在逐级菜单项目下输入实测的安装参数。

第二步，在渠道有水的情况下（所有的换能器必须全部淹没于水中），进行流量计自检，然后检查各声路的工作情况。检查应在静水和动水的情况下分别进行，而且静水检查非常重要，因为此时流量计测出的水流流速应为零，可以间接检查流量计的准确性。

第三步，检查流量计输出的工作情况，如打印机、模拟量、开关量的输出情况等。若一切正常，流量计便可进入正常的测量状态。

第四步，通过串口与计算机监控系统进行通信测试，在计算机端设置好相应的通信规约，检查数据格式与内容的准确性与完整性。

4超声波测流技术的误差分析及校验

4.1流量计的测量误差分析

从超声波流量计的测量原理分析，可给出其测量误差主要分量为：①时间信号测量误差E1：指流量计测量时差存在的误差；②安装测量误差E2：指声道长、声道角等测量误差；③水位测量误差E3：主要指水位计误差，与仪器精度有关；④积分误差E4：指积分公式计算误差，其值是固定的；⑤流态分布畸变误差E5：属于随机误差，可采用多声路加权积分消减。

4.2流量计的校验

大型超声波流量计的校验是目前工程实践中的一项难题。原因就在于“直接而理想的”标准校验设备和设施难以在工程上实现，这里既有技术方面的原因，也有成本方面的原因。目前较常用的方法有：

（1）结合工程实际，运用体积比对法；（2）利用上下游同类仪器或总管分管仪器交叉比对；（3）使用传统仪器比对。

例如，在南水北调中线京石段明渠流速仪与超声波流量计的比对校验，在山西省万家寨引黄工程运用水库容积法对安装在泵站压力钢管的超声波流量计进行比对校验工作。从试验数据分析表明，对于明渠情况，如果过流断面为几何规则形状，流速均匀，流态稳定，且上、下游平直段距离满足流量计换能器的布置要求，4声路（及以上）超声波流量计的测量误差可以控制在±2%左右。对于万家寨引黄工程泵站压力管道情况，因实际安装条件同时没有满足长下游直管段距离要求及远离水泵和阀门要求，尽管采用的固定容积水库法取得的间接流量测量精度达到了1%，但比对结果显示流量计精度远未能达到仪器标称的0.5%，这也反证了超声波流量计测量精度对于安装条件的极大依赖。

5超声波测流技术应用过程中需要注意的问题

换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和安装方式的选择两个问题。

换能器的安装位置首先要保证足够的上、下游直管段，通常情况下要求上游有十倍以上管径长度的直管段，存在阀门、弯头、变径等情况时要求的直管段更长，下游的直管段长度一般不少于五倍的管径。其次要注意换能器的安装位置要尽量避开有变频调速器，电焊机等污染电源的场合，以避免对超声波信号产生干扰，影响测量。

换能器的安装方式主要有V方式、Z方式二种。通常情况下，管径小于300mm时，采用V方式安装，管径大于300mm时，采用Z方式安装。对于既可以用V方式又可以用Ｚ方式安装的换能器，尽量选Ｚ方式。实践表明，Ｚ方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好。

6结束语

综上所述，运用超声波测流技术的过程中，一定要正确科学地进行研究，并探讨在使用技术的过程中，需要明确的方法和流程，结合南水北调工程的实际情况，进一步优化技术的各个体系，才能够提高技术的使用效果。

参考文献：

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[2]雷大俊.超声波测流技术在电站水力监测中的应用分析[J].水电厂自动化，2016，03：50-54.