徐 冰

(大伙房水庫管理局，遼寧 撫順 113007)

基于大伙房水庫渾河閘超聲波流量計的應用與研究

徐 冰

(大伙房水庫管理局，遼寧 撫順 113007)

超聲波流量計應用于渾河閘，用于采集放水流量。文章以大伙房水庫渾河閘超聲波流量計為例，根據(jù)對其檢測的經(jīng)驗，將超聲波流量計的工作原理，檢測方法做以介紹。認為超聲波流量計測量原理比較科學，測速準確度高，是一種較好的流量自動測量儀器。

超聲波流量計；靜水實驗；動水實驗；工作原理

0 前 言

渾河閘工程主體由攔河閘、渾沙、渾蒲進水閘3大部分組成。

攔河閘為寬頂堰，孔高8.2m、寬10m共22孔攔河閘。

渾沙、渾蒲進水閘為開敞式，閘門高3.5m，寬6m平板閘門，各3孔。

攔河閘為4級消能，4級消力池長分別為8.5m、11.3m、18.5m、13.5m，消能防沖總長131.1m。

渾沙、渾蒲進水閘為1級消能，其下消力池長14.8m。渾河閘樞紐工程等別為Ⅰ等，規(guī)模為大(1)型，其相應的主要水工建筑物為1級。

主要水工建筑物有渾沙進水閘、渾蒲進水閘和攔河閘等。

超聲波流量計分別安裝在渾沙進水閘、渾蒲進水閘和攔河閘閘板后渠道墻壁上。

由于放水水位偏低，因此流量計一直未正常采集數(shù)據(jù)，為檢測流量計正常與否，現(xiàn)將所用的流量計工作原理以及檢測方式做以簡單介紹。

1 工作原理

1.1 單聲道工作方式

聲波在靜水中傳播時，有一恒定的速度。此傳播速度會隨水溫、鹽度、含沙量發(fā)生一些變化，但當水流狀況一定時，此傳播速度是一定的：

1)順水流傳播時，實際傳播速度為聲速加上水流速度。

2)逆水傳播時，實際傳播速度為聲速減去水流速度。于是，在河流上、下游兩固定點之間，聲波順水和逆水傳播所需時間有一差別，測出這時間差別就能測得水流速度[1]。

在上下游分別布置2只換能器P1和P2。其間距為L，流體流速為V，C為室溫下靜水中聲速。在水流的作用下，聲波沿正向傳播所經(jīng)歷的時間比逆向傳播所經(jīng)歷的時間要小。詳見圖1。

圖1 超聲波測流原理圖

正逆向傳播時間可以表示為：

(1)

(2)

式中：V為流體速度；L為聲路長；θ為聲波路徑與流向的夾角；C為靜水中的聲速。

由上述兩式可以導出在1條聲路上的流速表達式：

(3)

1.2 多層聲道工作方式

由上式計算出來的流速是超聲波傳播路徑上的線平均流速。

此工作方式為單聲道工作方式，只能測得垂直于過水斷面的流速分量，只是用于河流流速和斷面基本垂直的河段，而渾河閘開閘放水時，流態(tài)分布復雜多變，很難找出線平均流速和面平均流速間的關系。

在此情況下為了實現(xiàn)流量的高精度測量，渾河閘采用了平行多聲路交叉測流方法。采用對稱交叉聲路布置，由兩個交叉測量斷面構(gòu)成的8聲道流量計，能得到高出±1%的流量測量精度，甚至±0.5%的流量測量精度。

將各聲道測得的線平均流速進行加權(quán)積分求得面平均流速[2]。

(4)

由此求得流量：

(5)

式中:V為面平均流速；N為聲道數(shù)；Ki為第i聲道加權(quán)積分系數(shù)；Vi為第i聲遣線平均流速數(shù)；S為過流斷面面積；Q為斷面通過流量。

對于渾河閘放水時，流態(tài)也是呈不均勻分布，為了提高測量精度一般采用多聲路的布置方式，測量流速同時還要測量水位量。

對通過測量斷面流體的流速進行積分，得到通過測量斷面的流量，詳見圖2。

圖2 多聲路布置分布

流量計算公式為：

Q=QT+QI+QB

(6)

式中：Q為渠道斷面流量；QT為渠道上層流量；QI為渠道中間各層流量；QB為渠道底層流量。

2 流量計檢測

2.1 靜水實驗

為了檢測流量計是否完好，做靜水實驗時，先將閘門關閉，在閘板后流量計下游筑起1.2m高的圍堰，之后，將閘門微微提起，使水能夠從閘板底部緩緩流出，這樣做的目的是防止閘門開度較大時水流沖垮圍堰。

當將水蓄滿后，經(jīng)檢測，流量計能夠正常采集信號，則證明流量計完好。那么需要再做動水實驗檢測流量計在放水期間的工作狀態(tài)[3]。

2.2 動水試驗

將渾河閘水位蓄水至高程為34.5m，保證實驗時能沒過第二層換能器。然后開閘放水實驗。由于水的落差較大，換能器能完全沒過第一層換能器，而第二層換能器隨著波浪時隱時現(xiàn)。

在接收信號的時候，第一層換能器信號良好，而第二層換能器的信號時斷時續(xù)，產(chǎn)生這種效果的原因是水中的氣泡、顆粒漂浮物的雜亂回波，導致超聲波的信號很弱，還很離散，因此會產(chǎn)生第二層換能器采集信號的斷斷續(xù)續(xù)。

通過以上靜水實驗和動水實驗，證明了流量計的正常與否，也了解了超聲波流量計正常工作所需要的條件，這個條件就是超聲波流量計要完全淹沒在水中，而且水中氣泡、顆粒漂浮物等條件都會影響超聲波流量計的準確性。

3 結(jié) 語

超聲波流量計測量原理比較科學，測速準確度也高，是一種較好的流量自動測量儀器。我們依然會不斷地學習，在運行維護中，好好的總結(jié)經(jīng)驗，將所掌握的知識與大家共同交流，促進水利事業(yè)的發(fā)展。

[1]孫振華.超聲波流量計在大型泵站流量測試中的應用[J].中國農(nóng)村水利水電，2010(03)：130-131.

[2]張振光，劉曉臣，付慶.GPRS通訊、超聲波流量計在引嫩管理處流量采集中的應用[J].黑龍江水利科技，2008,36(05)：31-32.

[3]李友平，苗豫生，夏洲，鄭洪來.多聲路超聲波流量計校準及相關問題探討[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2007，31(05)：44-46.

1007-7596(2014)03-0060-02

2013-07-11

徐冰(1981-)，男，遼寧撫順人，工程師。

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