時(shí)差法多聲道流量計(jì)引水工程中的應(yīng)用

  1 前言

      多聲道流量計(jì)測(cè)流精度高，一般來說一臺(tái)四聲道流量計(jì)在充滿水的管道中其測(cè)流精度可達(dá)±0.5%，在明渠中其測(cè)流精度可控制在±1%~±1.5%之間。多聲道流量計(jì)的核心部件是一臺(tái)微處理器（微型計(jì)算機(jī)），因此它能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線自動(dòng)連續(xù)測(cè)量，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。近年來生產(chǎn)的多聲道流量計(jì)，由于采用了大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路和高可靠性電子元器件，加上換能器的質(zhì)量保證已達(dá)到了的高度，因此使它一般具有10年以上的可用壽命。

      在實(shí)際使用中， 四聲道流量計(jì)已能滿足大多數(shù)用戶對(duì)測(cè)流精度的要求，而且投資適中。因此，筆者所涉及的內(nèi)容以四聲道流量計(jì)為主。

      2 多聲道流量計(jì)的測(cè)流原理

      先，分析一下單聲道即一對(duì)換能器流量計(jì)的情況。其測(cè)流原理，如圖1所示。

      設(shè)換能器、與水流方向的夾角為θ，水的流速為且不考慮橫流的影響，聲道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，在靜水中的聲速為C。當(dāng)p₁發(fā)射P₂接收時(shí)，的順流傳播時(shí)間為：     

                   （1）

      當(dāng)發(fā)射P₂發(fā)射P₁接收時(shí)，的逆流傳播時(shí)間為：

                   （2）

      逆順向傳播的時(shí)間差為：

                   （3）

      因?yàn)镃OSθ≤1而且V²<C²，所以

                      （4）

      受水溫變化的影響，聲速C在淡水中會(huì)在1400~1500m/s之間發(fā)生變化，為了消除溫度變化的影響，將C用L和T₁、T₂代換。

      因?yàn)?/span>

      這里

      由式（4）可得：

                   （5）

      由（5）式計(jì)算出來的流速是傳播路徑上的線平均流速。對(duì)于測(cè)流斷面很小而且流態(tài)很好的場(chǎng)合，如對(duì)于有很長(zhǎng)直管段的小口徑管道，當(dāng)流速在一定范圍內(nèi)時(shí)，可以求出線平均流速和面平均流速之間的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而求得流量。但對(duì)于測(cè)流斷面較大、流量也比較大而且流態(tài)分布比較復(fù)雜的情況而言，很難找出線平均流速和面平均流速之間的相關(guān)系數(shù)。在這種情況下，就必須用多聲道流量計(jì)進(jìn)行測(cè)流。

      圖2為在充滿液體的圓形管道中采用平行四聲道流量計(jì)的測(cè)流原理示意圖。

      對(duì)于圖中的每一條聲道，由式（5）求出線平均流速，再用加權(quán)積分計(jì)算出面平均流速和流量，即：

                     （6）

                          （7）

      式中：為面平均流速；K_i 為第i 聲道加權(quán)積分系數(shù)（i=1，2，3，4）；V_i 為第i 聲道線平均流速（i=1，2，3，4）；S為管道橫截面面積；Q為測(cè)流斷面流量。

      3 誤差源分析和誤差控制

      將式（5）中的用T₁、T₂進(jìn)行代換并近似處理后，可得單聲道線流速公式：

                   （8）

      由式（7）和式（8）可以看出，造成流量測(cè)量誤差的因素主要有如下幾個(gè)方面：

      3.1 安裝測(cè)量誤差

      （1）聲道長(zhǎng)度L測(cè)不準(zhǔn)引起的誤差：因?yàn)榫€流速V與聲道長(zhǎng)度L成線性關(guān)系，所以L的任何誤差都將給V帶來相同的誤差。

      （2）聲道角θ測(cè)不準(zhǔn)引起的誤差：因?yàn)榕cCOSθ成反比，所以θ的測(cè)量誤差也會(huì)引起線流速的誤差。如當(dāng)θ=45°時(shí)，θ角有1°的誤差將會(huì)造成1.7%的線流速誤差。

      （3）測(cè)流截面積誤差：截面積的大小很少能測(cè)得十分。如，對(duì)于大截面的圓管來說，在大多數(shù)情況下，截面都不很圓。由于流量誤差與截面積誤差成線形關(guān)系，所以S 的任何誤差都將給流量Q帶來與之成比例的誤差。如，0.1%的半徑測(cè)量誤差將國(guó)產(chǎn)生0.2%的流量誤差。

      3.2  順逆向傳播時(shí)間T₁、T₂測(cè)不準(zhǔn)引起的誤差

      流量誤差與T₁、T₂的誤差成線性關(guān)系。造成T₁、T₂測(cè)量不準(zhǔn)的主要原因有：

      （1）由計(jì)數(shù)器中晶振頻率引起的時(shí)基誤差。

      （2）與流動(dòng)液體無關(guān)的傳播延時(shí)。包括信號(hào)電纜、邏輯電路與檢波器延時(shí)；與換能器窗有關(guān)的聲波延時(shí)以及當(dāng)換能器與流場(chǎng)分離（如，當(dāng)換能器被安裝在凹進(jìn)過流管道內(nèi)壁）時(shí)，聲波在靜止液體中的傳播延時(shí)。

      上述時(shí)間誤差只能使增加而并不改變△T 的值，顯然會(huì)造成線流速V和流量Q的誤差。

      3.3 橫流誤差

      當(dāng)流線方向與測(cè)量斷面軸線不平行時(shí)，類似于聲路角的測(cè)量誤差將表現(xiàn)在流速中。這一效應(yīng)稱為橫流誤差，通常是由上游有彎曲流道、流道形狀及大小的變化或者障礙物離測(cè)量斷面太近引起的。

      3.4 聲信號(hào)強(qiáng)度變化引起的誤差

      沿任一聲道傳播的信號(hào)除正常傳播損失外，還會(huì)由于液體中夾帶汽泡、泥沙，或者由于換能器表面磨損、換能器表面附著水生物，或者掛上雜物等而國(guó)產(chǎn)生衰減和失真。元器件的性能退化也會(huì)國(guó)產(chǎn)生類似的影響。當(dāng)聲信號(hào)強(qiáng)度過弱或嚴(yán)重失真時(shí)，如果接收機(jī)不能保證正確地識(shí)別每一個(gè)輸入脈沖的同一點(diǎn)（如脈沖的個(gè)前沿），那么對(duì)流量計(jì)的精度將國(guó)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

      3.5 積分誤差

      積分誤差被定義為通過對(duì)實(shí)際流速分布的準(zhǔn)確積分而獲得的流量與流量計(jì)測(cè)得的離散流速數(shù)值積分而獲得的流量之差。流速分布與雷諾數(shù)和管道粗糙度有關(guān)。

      3.6 溫度和壓力變化引起的誤差

      溫度和壓力的變化會(huì)引起3種截然不同的潛在性誤差。先是溫度和壓力對(duì)聲速的影響；二是溫度和壓力的變化會(huì)引起管道尺寸的變化：三是溫度的變化會(huì)引起流速分布的變化。

      3.7 脈動(dòng)流引起的誤差

      3.8 其他誤差

      如，量化誤差等。

      對(duì)于上述8種誤差源，只要在流量計(jì)的設(shè)計(jì)制造及現(xiàn)場(chǎng)安裝中采取預(yù)防措施，就能很好地予以控制，使流量計(jì)的總誤差符合實(shí)際測(cè)流的要求具體措施如下：

     （1）在流量計(jì)的安裝過程中，采用安裝測(cè)量工具或使用高精度的經(jīng)緯儀、鋼尺對(duì)每一對(duì)換能器的聲道長(zhǎng)度進(jìn)行多次測(cè)量取平均值作為準(zhǔn)確值，這樣可使聲道長(zhǎng)度誤差保持在0.1%以下。采用高精度激光經(jīng)緯儀對(duì)換能器定位，可使聲道角的測(cè)量誤差小于0.03°。在測(cè)流段的多個(gè)相鄰斷面上多次測(cè)量管道的截面積并用其平均值作為準(zhǔn)確值，可基本上保證流量誤差小于0.2%。在有條件的地方，例如對(duì)于直管段很長(zhǎng)的鋼管，當(dāng)其半徑不很大而且具備施工條件時(shí)，可在鋼管上安裝“測(cè)量管”，測(cè)量管的內(nèi)徑與被測(cè)管道的內(nèi)徑*相同。由于測(cè)量管是經(jīng)精密機(jī)械加工而成而且換能器的安裝也是在測(cè)量管上預(yù)先進(jìn)行的，這樣就避免了測(cè)流現(xiàn)場(chǎng)安裝誤差可能會(huì)較大的情況發(fā)生，其代價(jià)是增加了工程投資。

     （2）為了保證聲波逆順向傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性，多聲道流量計(jì)在設(shè)計(jì)制造時(shí)，采取了以下措施：① 計(jì)數(shù)器電路中采用80MHz以上的高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器，時(shí)基誤差控制在±12.5 ns以下。② 在實(shí)驗(yàn)室中，準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)電纜、邏輯電路和檢波器等儀器硬件的延時(shí)并在實(shí)際安裝現(xiàn)場(chǎng)予以合理的測(cè)算，然后從總傳播時(shí)間中扣除。③從流量計(jì)面板上輸入有效聲道長(zhǎng)度系數(shù)，對(duì)存在靜止液體的聲道進(jìn)行修正。

     （3）對(duì)于橫流誤差，可以采取兩種方法予以控制：① 將聲道定位在盡可能遠(yuǎn)離測(cè)量流道的彎曲部。當(dāng)這一條件不具備時(shí)，應(yīng)將聲道定位在與彎曲部的平面垂直的位置，以盡量減少橫流誤差。② 另一種可選擇的辦法是在與原聲道相同的高程上增加同等數(shù)量的聲道，但安裝的角度相反，如圖3所示。

      假設(shè)：兩個(gè)聲道長(zhǎng)度都等于L，原聲道角=θ=Ф=45°，實(shí)際流速方向角=θ'=43°、Ф'=47°，實(shí)際流速=V，測(cè)得：

      這里K = 2VL/C²

      正確值應(yīng)為：ΔT = KCOSθ

      ∴相對(duì)誤差   

      若設(shè)置第二個(gè)交叉聲道，則第二個(gè)測(cè)量值為ΔT =ΔT'=KCOSФ'

      ∴相對(duì)誤差

      平均相對(duì)誤差為

      E=（E₁+E₂）/2 ≈-0.0012

      可見，在采用交叉聲道測(cè)流時(shí)，橫流誤差可被恰當(dāng)?shù)氐窒?/span>

     （4）對(duì)于由流量計(jì)本身電子元器件老化而引起的聲信號(hào)強(qiáng)度衰減現(xiàn)象，由流量計(jì)內(nèi)部的聲信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)電路和自動(dòng)增益控制電路（AGC）予以解決。對(duì)于外部因素（換能器掛上雜物等）造成的衰減和失真除了由信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)電路負(fù)責(zé)剔除不可靠信號(hào)外，在有條件的地方，可以通過清除換能器表面雜物等方法予以解決。

     （5）積分誤差是很難*消除的，但是由于多聲道流量計(jì)所獲得的流速分布的形狀是在多點(diǎn)上連續(xù)采樣的結(jié)果，這就使流量積分的精度很高，而且多聲道流量計(jì)的積分公式經(jīng)過了嚴(yán)格的理論驗(yàn)證和實(shí)際測(cè)流檢定，其積分誤差可控制在小于0.1%。

     （6）對(duì)于由溫度和壓力變化而造成的誤差，其解決方法有3種：① 在線流速公式中，用順逆向傳播時(shí)間T₁、T₂ 代替靜水中的聲速C，消除了溫度變化造成的線流速測(cè)量誤差。② 采用內(nèi)敷式（濕式）換能器，聲信號(hào)不經(jīng)過中間介質(zhì)而直接射入流體中，消除了介質(zhì)中聲速變化造成的誤差。③ 溫度和壓力對(duì)管道尺寸的影響和對(duì)流速分布造成的影響是很微小的，在實(shí)際中可以忽略。

     （7）對(duì)于脈動(dòng)流的影響，可通過流量計(jì)的智能化予以解決。由于多聲道流量計(jì)采用了微處理器（微型計(jì)算機(jī)），并且整套裝置沒有機(jī)械慣性，所以可快速采樣，用很短時(shí)間內(nèi)多次采樣的平均值計(jì)算出來的流量可以消除脈動(dòng)流的影響。

     （8）其他誤差可通過流量計(jì)的設(shè)計(jì)安裝以及軟件來予以修正和補(bǔ)償。為了保證四聲道流量計(jì)在有壓管道上達(dá)到±0.5%的精度，要求被測(cè)管道測(cè)流斷面的上游少應(yīng)有10倍直徑的直管段、下游必須有2倍直徑以上的直管段，否則就應(yīng)考慮采用交叉8聲道的辦法。

      事實(shí)證明，四聲道流量計(jì)的誤差控制方法*可以使其達(dá)到規(guī)定的精度。如，1996年天津市水利局從美ORE公司進(jìn)口的7500型四聲道流量計(jì)，在天津市計(jì)量技術(shù)研究所的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（準(zhǔn)確度±0.2%）DN1000mm管道上采用容積法檢測(cè)，檢定其基本誤差為±0.43%.并頒發(fā)了具有法定計(jì)量效力的檢定證書（熱流字第961115號(hào)）。

      4 四聲道流量計(jì)在引水工程中的應(yīng)用

      近幾年來，多聲道流量計(jì)在引水工程上的應(yīng)用越來越普遍。如，引黃濟(jì)青工程、京密引水工程和引灤入津工程的水量計(jì)量都使用了四聲道流量計(jì)。現(xiàn)以UF-911A型四聲道流量計(jì)為例，介紹其在引灤入津工程暗渠中的使用情況。

      UF-911A型四聲道流量計(jì)由南京南瑞自動(dòng)控制有限公司生產(chǎn)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

      4.1 外接電源

      交流電：220V±10%，50Hz

      4.2 被測(cè)水流條件

      水溫：0~50℃
      水中不溶物含量：≤2%（體積比）
      換能器限工作水壓：≤5MPa（500m水壓）
      明渠換能器限工作水壓：≤2MPa（200m水壓）

      4.3 被測(cè)管道條件

      管道直徑：0.5~15m
      渠道寬度：1~100m
      管壁材料：不限

      4.4 測(cè)量誤差

      有壓圓管或方涵：±0.5%（4或8聲道）
                              ±1.5%（2聲道）

      無壓管道或明渠：±1.5% ~±2%（4或8聲道）
                              ±2% ~±5%（2聲道）

      4.5 輸出方式

      彩色液晶顯示（color_TFT）
      漢字打印機(jī)輸出口
      RS-232（485）串行通訊口
      4~20mA模擬量輸出口（可選）

      4.6 主機(jī)和擴(kuò)展箱工作環(huán)境

      環(huán)境溫度：-10~40℃
      空氣相對(duì)濕度：≤90%（不凝露）

      圖4和圖5為UF-911A型流量計(jì)構(gòu)成示意圖，它由主機(jī)箱和裝于被測(cè)流道上的換能器構(gòu)成。換能器和主機(jī)之間用同軸射頻電纜來傳遞聲信號(hào)。一臺(tái)UF-911A流量計(jì)配置不同數(shù)量和類型的換能器可測(cè)量一條或同時(shí)測(cè)量多條管道、渠道。

      流量計(jì)的主機(jī)箱內(nèi)裝有微型計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)和發(fā)射、接收系統(tǒng)。微機(jī)系統(tǒng)的主要功能有：進(jìn)行上電自檢，控制看門狗電路，進(jìn)行周期性的系統(tǒng)檢驗(yàn)；管理面板上的顯示器和小鍵盤；提供存儲(chǔ)器單元的掉電保護(hù)；控制所有換能器的工作；計(jì)算流量及累積流量；對(duì)流速和流量進(jìn)行可靠性校驗(yàn)；內(nèi)插由于信號(hào)丟失等原因而丟掉的數(shù)據(jù)；響應(yīng)所有的系統(tǒng)輸入，驅(qū)動(dòng)所有的系統(tǒng)輸出及報(bào)警；控制系統(tǒng)的診斷。

      發(fā)射、接收系統(tǒng)的主要功能有：控制換能器發(fā)射聲波信號(hào)；檢測(cè)并處理來自接收換能器的信號(hào)并識(shí)別其個(gè)負(fù)脈沖；調(diào)節(jié)每個(gè)聲道每個(gè)方向的自動(dòng)增益控制（AGC）設(shè)定；檢驗(yàn)每次測(cè)量中信號(hào)的完整性；更新每次測(cè)量中的狀態(tài)信息；計(jì)算一個(gè)或一組聲道的聲信號(hào)傳播時(shí)間，或者由微機(jī)控制管理系統(tǒng)將若干個(gè)連續(xù)的測(cè)量計(jì)算值進(jìn)行平均；向微機(jī)控制管理系統(tǒng)回送每次測(cè)量的傳播時(shí)間和狀態(tài)；進(jìn)行周期的閉環(huán)自檢。

      UF-911A型流量計(jì)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)使用要求靈活組配。除了基本流量測(cè)量和調(diào)試軟件外，為了提高流量計(jì)的測(cè)量精度和可靠性，還配備了一些特殊功能軟件，主要有：聲波信號(hào)質(zhì)量甄別和處理軟件、自檢和在線診斷軟件、軟件濾波、與看門狗相適應(yīng)的自恢復(fù)程序等。

      UF-9l1A型流量計(jì)的16對(duì)換能器裝在入津暗渠的雙孔3.35m×3.35m鋼筋混凝土方涵中，安裝測(cè)流斷面位置按照天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院SJ-04和SJ-05圖紙的要求進(jìn)行，45°內(nèi)敷式換能器的安裝按照南京南瑞自動(dòng)控制有限公司《內(nèi)敷式換能器安裝操作手冊(cè)》的要求進(jìn)行，對(duì)誤差源進(jìn)行了有效控制，從而保證了流量計(jì)的出廠精度。

      5 結(jié)語

      時(shí)差法多聲道流量計(jì)由于較好地解決了實(shí)際流態(tài)分布、信號(hào)處理和測(cè)流現(xiàn)場(chǎng)安裝等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了大流量的穩(wěn)定準(zhǔn)確測(cè)量，因而是大型引供水工程水量計(jì)量和水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的理想流量監(jiān)測(cè)儀器，得到了越來越廣泛的使用。