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多声道超声波明渠流量计在引水明渠中的测量应用

  多声路超声波流量计在实际流量测量中得到成功应用,至今已有40多年的历史。40多年来多声路超声波明渠流量计经历了多次的更新与发展,最早只能在局部得到应用,而目前已逐步被全面推广。尤其近几年各行业对计量要求越来越高,在水文方面对明渠及天然河道流量的计量要求也逐步提高,为了保证流量测量的精度,越来越多的明渠及天然河道引入了多声路时差式超声波流量计进行流量测量,本文将以新疆噶尔河流域三县引水明渠为例,对多声路超声波流量计在引水明渠上的应用进行相关的误差分析。

多声道超声波流量计

  在新疆噶尔河流域,一段时间以来一直沿用经验法和估算法完成对流量数据的统计,为了实现流量在线监测并实现精确的计量收费,在三县引水明渠上安装了一套多声路时差式超声波流量计,并直接与微机结合,成功地完成了数据实时的传送与分析,为了验证其测量精度,在该系统安装完成后对超声波流量测量系统的测量误差源进行了简单的分析。

1 超声波流量计的测量原理

对于明渠的流量测量,是通过测量被测水流的流速和水位,然后用相应的数学积分公式来计算流量。

流速由超声波流速换能器(2只换能器)构成的测量声路来测量。声路数的多少由被测水流条件和要求的测量精度所决定。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。

流速测量原理如图1所示,图中P2为测量断面上游侧换能器,P1为测量断面下游侧换能器。P1与P2的发射面之间的直线距离为L,大家称之为声路长。流体在流道内自身的流速为V,而某一频率的超声波在静态流体中的声速大家设为C。该频率的超声波沿流体流动方向传播所经历的时间大家设为T2,大家称这为正向传播时间,该频率的超声波沿流体流动的反方向传播所经历的时间大家设为T1,大家称这为逆向传播时间。

图1 流速测量原理示意图

通过该频率超声波顺着流体流动方向传播的时间与逆着流体流动方向传播时间的差,大家可以计算出流体自身的流速为:

其中:θ为超声波传播方向与流体流动方向之间的夹角,大家称之为声路角。

这部分原理就好比小船以一定的航速沿着一定的路线分别在顺水和逆水中飞行。

对于明渠和天然河道,由水力学可知在水中不同高程处的流态分布是不均匀的,为了提高测量精度一般采用多声路布置方式,以取得各个层面的平均流速,如图2所示。测量水位量就是为了得到测量断面的有效面积,并进行积分,得到平均流速和有效断面面积后即可得到测量断面的流量。

图2 明渠中多声路布置、积分原理示意图(符合ISO6416规程)

为了提高明渠和天然河道的流量测量精度,一般将流量组成部分进行细化,如图2中可以看出,一条明渠的总流量分成了顶层流量、中间层流量、底层流量。由此,可得出明渠的总流量的计算公式:

Q=QT+QM+QB

其中:Q为渠道断面总流量;QT为渠道顶层流量;QM为渠道中间各层流量;QB为渠道底层流量。

3 三县引水明渠超声波流量测量系统构成及安装情况

三县引水明渠的流量计安装断面,是一个梯形无压混凝土断面。为了达到设计精度(2%),在正常运行水位下安装了4对超声波流速换能器,构成4个声路,用于测量线平均流速(如图3)。同时安装了两个水位计,测量水位,两个水位计互为备用。

图3 现场安装示意图

安装时,通过激光经纬仪找出的换能器安装位置,结合每个声路的理论高程,确定出换能器的理论安装位置。将换能器固定后,为了保证测量精度,需再次用激光经纬仪进行角度复测,以得到换能器的实际声路角;并用钢卷尺准确测量出同一声路两换能器间的距离——声路长;由于每个声路的高程会直接影响到该声路是否能正常工作,因此,每个声路的高程也必须重新复测。

4 现场流量测量误差分析

根据多声路超声波流量计的测量原理,对超声波流量计流量测量造成测量误差的原因主要有以下几个方面:

(1)在测量声路长时产生的测量误差E1;

(2)在测量声路角时产生的测量误差E2;

(3)计算断面面积时所导致的测量误差E3;

(4)超声波换能器传播时间的测量误差;

(5)积分误差E4;

(6)换能器及电缆护管凸出流道内壁所导致的凸出误差E5;

(7)流道内产生横流对超声波测流的影响;

(8)流量读数所产生的随机误差E6。

4.1 在测量声路长时产生的测量误差E1

为了减少在测量过程的误差,每次采用多次测量取平均值的方式,现场测量数据如表1所示。

表1 现场声路长实测数据

由于用钢卷尺测量声路长,钢卷尺本身的精度为±3mm(0.05%),因此每个声路长的测量误差分别为:

第一声路:(3/8359)×100%=0.036%

第二声路:(3/9449)×100%=0.032%

第三声路:(3/10049)×100%=0.030%

第四声路:(3/10679)×100%=0.028%

由上面四组测量误差可以看出,通过多次测量取平均后声路长测量误差不会超过0.15%,由于该测量系统为四声路,所以由声路长测量误差所造成的流量误差EL为:

4.2 在测量声路角时产生的测量误差E2

声路角是用J2型激光经纬仪器测量的,而该经纬仪测量误差不会超过2〞,因此声路角的测量误差为:(((1/cos(65°0002〞))/(1/cos(65°0000〞))-1)×100%=0.0021%

所以因声路角测量误差造成的流量误差E2为:

4.3 计算断面面积时所导致的测量误差E3

在计算断面面积之前,需要测量层边界高程、层边界宽度、水位测量误差。

流量计的测量断面是一般有几个相对的梯形组成的,两个声路所在的面组成一个梯形,用该梯形面积近似该层的断面积。由声路组成的梯形的面积与对应的实际的梯形面积的最大误差为1.2%。

测量水位的测量精度为0.5%,由水位测量所影响到面积的误差为1%。

因此,断面面积误差造成的流量误差E3为:

4.4 超声波换能器传播时间的测量误差

传播时间误差主要指非液体部分的传播延时(电缆长度及电路传播时间),而电路所产生的传播时间误差主要指:时间基准误差、时间量化误差及正逆向信号检测点的差异(不对称)造成的误差。

非液体部分的传播延时,因为电缆长度是一定的,电路也是一定的,所以该部分延时是固定的,可以在流量计App中扣除。时间基准误差可通过选用高精度高稳定性的晶震来降低传播时间误差,误差一般控制在0.005%内。而时间量化和正逆向信号检测点的差异(不对称)造成的误差一般相对比较小,这方面的误差正常不会超过6.25ns,完全可以忽略不计。

4.5 积分误差E4

由上文的非满管/无压管道流量测量的原理可知,两个声路所在面所组成中间层的流量可以准确地计算出来,误差比较大的一般是最下层和最顶层的流量。积分时,加入底部内插系数及顶部的外插系数后,积分误差E4应该≤1%。

4.6 换能器及电缆护管凸出流道内壁所导致的凸出误差E5

由于超声波换能器自身有一定的尺寸,安装于流道后,有一定的凸出高度,影响了声路的线平均流速。另外,因固定换能器电缆,在安装断面附近敷设了PVC电缆护管,也将影响流态分布,产生测量误差。其中换能器高度为45mm,电缆护管采用Ф40的,在计算误差的时候以45mm进行计算,根据表2中的断面测量参数可得到实际的凸出误差:

(45/(16316.4+11597.2)/2)×100%=0.32%

因此可以看出凸出误差E5完全控制在0.5%以内。

表2 现场测量断面实测数据

4.7 横流对超声波流量测量的影响

横流产生的原因是因为超声波流量计安装断面的直管段比较短,流态不稳定,导致流速与断面的中轴线不平行造成的。为了消除这部分误差,在选择安装断面时,一定要保证在安装断面的上游和下游有足够长的长直管段,以保证流态相对平稳。当现场流态满足要求后可完全消除该误差。

4.8 流量读数的随机误差

为了降低该部分误差,采用多次测量取平均的方法,随机读数对超声波测流引起的误差E6大约在0.3%左右。

分析上述所有误差源后,该明渠的超声波测流系统的总误差E为:

所以,超声波明渠流量计在该明渠的流量测量误差E=1.951%<2%,根据所得到的流量测量误差说明该套多声路超声波流量计在该明渠上的测量完全符合原先的设计精度(2%)。

5 结束语

通过多声路时差式超声波流量计在明渠上的应用实例,对明渠流量测量的所有误差源的详细分析,进一步证明了多声路超声波流量计在明渠流道上流量测量的稳定性和可靠性。


 


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