摘要：論述了超聲波流量計(jì)在張掖市甘州區(qū)西浚灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造量測(cè)水設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)中的應(yīng)用，利用超聲波原理對(duì)地表水明渠水量進(jìn)行分層測(cè)流，精確計(jì)量明渠的實(shí)時(shí)過水流量，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量水的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行情況良好，具有推廣價(jià)值。

　　1工程概況

　　張掖市甘州區(qū)西浚灌區(qū)地處河西走廊中部的黑河中游左岸，甘州區(qū)西端，距城區(qū)37km。灌區(qū)東北以黑河為界，西南與肅南縣相連，西北和臨澤縣接壤，南北長約60km，東西寬約25km，總土地面積98.79萬畝。灌區(qū)內(nèi)綠洲與戈壁相間，地勢(shì)由東南向西北方向傾斜，海拔1453～1700m之間，屬祁連山前沖洪積平原區(qū)。灌區(qū)現(xiàn)有干、支渠47條，其中在大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目建設(shè)中修建無喉段量水槽8處，其余均為標(biāo)準(zhǔn)斷面測(cè)水。

　　2項(xiàng)目區(qū)地表水計(jì)量現(xiàn)狀及存在的問題分析

　　1）目前灌區(qū)干、支渠量測(cè)水方式均采用標(biāo)準(zhǔn)斷面量水，利用現(xiàn)狀渠道的標(biāo)準(zhǔn)斷面，設(shè)置水尺，采取人工多次讀取數(shù)據(jù)的方式，率定測(cè)流斷面的水位流量關(guān)系，以此來測(cè)量渠道水量，這種量水方式人力、物力耗費(fèi)大、且測(cè)量精度低。

　　2）灌區(qū)干、支渠多數(shù)建于上世紀(jì)六、七十年代，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低。經(jīng)過多年的運(yùn)行，渠道凍賬變形嚴(yán)重，水流不穩(wěn)、測(cè)量精度低、水量計(jì)量爭議大，水費(fèi)征收困難的情況嚴(yán)重。

　　3）現(xiàn)有的量測(cè)水方式自動(dòng)化程度低，不能適時(shí)觀測(cè)流量，且不符合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。為此，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水量的持續(xù)增長以及水資源嚴(yán)重不足的矛盾，灌區(qū)地表水明渠計(jì)量除人工配合外，還有通過自動(dòng)化量水設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸和存儲(chǔ)已勢(shì)在必行。

　　2018年，結(jié)合大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造量測(cè)水設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)，甘州區(qū)在西浚灌區(qū)建設(shè)超聲波明渠流量計(jì)量水19處。通過超聲波明渠流量計(jì)的建設(shè)使灌區(qū)部分渠道水量得到精確計(jì)量，量水得到了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　3項(xiàng)目區(qū)地表水計(jì)量方案比選

　　目前水利行業(yè)均采用水位法測(cè)流。此種測(cè)流方式具有測(cè)流精度低，管理難度大的缺點(diǎn)。我國大部分灌區(qū)均采用這種方式進(jìn)行測(cè)流，而在節(jié)水型社會(huì)和新時(shí)代的背景下，提高計(jì)量精度和降低管理難度將是大勢(shì)所趨。近年來，隨著灌區(qū)信息化建設(shè)進(jìn)程的加快，利用超聲波流量計(jì)測(cè)量明渠渠道的過水流量，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量水的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在越來越多的地方得到應(yīng)用。為此，本次設(shè)計(jì)量測(cè)水設(shè)施采用超聲波法與流速儀法兩種方式綜合比較。流速儀法測(cè)流是國內(nèi)外使用非常基本的方法，也是非常廣泛的測(cè)流方法。也是評(píng)定和衡量各種測(cè)流新方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。流速儀法測(cè)流基于速度面積法，測(cè)流時(shí)必須在斷面上布設(shè)測(cè)速垂線和測(cè)速點(diǎn)，以測(cè)量斷面面積和流速，測(cè)速方法一般采用積點(diǎn)法。用超聲波來測(cè)量明渠的流量實(shí)質(zhì)上是測(cè)量明渠水流的流速。當(dāng)明渠水流流速向量與聲波方向平行時(shí)，聲波的波速將發(fā)生變化，即當(dāng)聲波向上游傳播時(shí)波速降低，聲波向下游傳播時(shí)波速增加。

　　在明渠中，一定高程的水流平均流速是通過測(cè)量兩個(gè)換能器之間傳播的歷時(shí)差來確定的。通過兩種方法的比較可以看出：超聲波明渠測(cè)流通過高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片對(duì)超聲波傳輸時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，有效克服零點(diǎn)漂移、小流量測(cè)量誤差大等問題；綜合利用頻差法和時(shí)差法，使用實(shí)時(shí)聲速、溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)償；人機(jī)接口畫面豐富，支持多種通信方式；測(cè)量精度高，方法簡單，操作安全，不影響渠道水流狀態(tài)，可直接與計(jì)算機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)傳送，為灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和現(xiàn)代化管理打下了基礎(chǔ)。

　　4超聲波明渠流量計(jì)應(yīng)用

　　超聲波明渠流量計(jì)專為明渠方涵流量測(cè)量而設(shè)計(jì)。該設(shè)備采用先進(jìn)的超聲波時(shí)差法進(jìn)行分層測(cè)量，精確計(jì)量方涵的實(shí)時(shí)過水流量，又可以以30ma低功率進(jìn)行正常運(yùn)行。明渠流量測(cè)水箱具有GPRS無線傳輸功能同時(shí)也可以進(jìn)行以太網(wǎng)局有線傳輸，且不需外接電源，自帶鋰電池可以長時(shí)間不間斷工作，解決了方涵野外測(cè)量不精準(zhǔn)，施工困難的實(shí)時(shí)計(jì)量難題。聲波矩陣進(jìn)行流量測(cè)量，可以有效的避免因水流流態(tài)的不穩(wěn)定、建筑物不標(biāo)準(zhǔn)而引起的無法精準(zhǔn)測(cè)量問題。使用實(shí)時(shí)聲速、溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)償；人機(jī)接口畫面豐富，支持多種通信方式；具有計(jì)量精度高、操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。支持多聲道測(cè)量（默認(rèn)八聲道），有效提高了儀表在復(fù)雜流體狀態(tài)中的測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性；

　　綜合采用頻差法和時(shí)差法測(cè)量技術(shù)，聲速自動(dòng)補(bǔ)償，時(shí)間分辨率達(dá)到45皮秒，有效避免零點(diǎn)漂移，提高了小流量測(cè)量精度；支持RS485通信，與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成更加方便；支持AC220V、DC12V、市電、太陽能電源等輸入方式；主機(jī)與探頭類型多樣化，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求搭配使用，能夠滿足特殊環(huán)境的安裝與測(cè)量；人機(jī)界面豐富，使用操作便捷。使用場(chǎng)合：污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)化工液體、廢水排放渠道、水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道、泄洪閘門等場(chǎng)合流量測(cè)量。施測(cè)點(diǎn)必須有移動(dòng)3G、4G信號(hào)。

　　4.1工作原理、8通道測(cè)量示意

　　超聲波流量計(jì)通過上、下游傳感器相互發(fā)送及接收112kHZ-1Mhz超聲波，當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，液體的流動(dòng)將使傳播時(shí)間發(fā)生微小變化，并且其傳播時(shí)間的變化正比于液體的流速，如圖1所示。

　　聲道超聲波流量計(jì)通過8組傳感器測(cè)量渠道內(nèi)各層的實(shí)際流速，模擬實(shí)際運(yùn)行流速分布情況，解決線速度V轉(zhuǎn)換為面速度V的準(zhǔn)確性以提高儀表整體的計(jì)量精度。

　　4.2傳感器結(jié)構(gòu)

　　傳感器分8個(gè)層次，測(cè)量8層次的水流流速。傳感器結(jié)構(gòu)示意：如圖2所示。

　　4.3系統(tǒng)組成部分（如圖3所示）

　　4.4技術(shù)參數(shù)

　　流速

　　流速精度：1%；流速范圍：5m/s；測(cè)量線性度:優(yōu)于0.5％，重復(fù)性精度:優(yōu)于0.2%；時(shí)差測(cè)量分辨率：20皮秒。防護(hù)等級(jí)：IP67；溫度范圍：-20℃～80℃；測(cè)水精度：90%以上(0一10%）；流量范圍：0.1m3/s～2.0m3/s。非常大采樣率1Hz，波束頻率：112kHz-1MHz；通道數(shù)：8通道（同時(shí)測(cè)量，非循環(huán)測(cè)量）

　　水位（壓阻式液位計(jì)或超聲波）

　　采用壓阻式傳感器；量程：0～3m；精度：≤0.3%FS；分辨率:0.3%FS；線性度、重復(fù)性0.03%FS；溫度測(cè)量精度：1.0℃；溫度補(bǔ)償范圍：-5℃至+45℃；工作溫度：-25℃至+70℃；防護(hù)等級(jí)：ip68

　　聲波矩陣控制器

　　能同時(shí)采集多個(gè)實(shí)時(shí)流速；能實(shí)時(shí)采集水位數(shù)據(jù)；根據(jù)水力學(xué)模型結(jié)算斷面流量；能顯示水位、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、水量值；工作溫度：-30℃～+70℃。通訊模塊支持三大營運(yùn)商（2G/3G/4G）信號(hào)，符合ETSI、GSM標(biāo)準(zhǔn)；具備RS-232/422/485接口?；騎TL電平接口，使用方便、靈活、可靠。數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線；具備固定數(shù)據(jù)中心域名和IP地址，數(shù)據(jù)傳輸支持單通道單中心或多通道多中心；可遠(yuǎn)程設(shè)置和修改IP地址等配置參數(shù)；具備主備數(shù)傳輸通道，支持多數(shù)據(jù)通道。

　　4.5土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　為保證水流平穩(wěn)，需要對(duì)現(xiàn)狀渠道進(jìn)行改建，本次設(shè)計(jì)改建現(xiàn)狀渠道24m，其中上游漸變段6.0m，矩形段渠道10.0m，下游漸變段8.0m，漸變段設(shè)計(jì)為C20細(xì)粒砼砌石結(jié)構(gòu)，矩形段為C20現(xiàn)澆砼重力式結(jié)構(gòu)，頂寬0.2m，外坡比1:0.2。測(cè)水箱安裝在矩形段渠道下游6.0m處，在安裝測(cè)水箱的位置向外擴(kuò)出7.5cm，以便測(cè)水箱安裝后與上下游渠道相平。

　　立桿、儀表箱安裝：預(yù)埋地籠，澆筑混凝土，預(yù)埋DN50進(jìn)出線管到傳感器，儀表箱立桿抱箍安裝。

　　4.6數(shù)據(jù)傳輸與軟件

　　通過構(gòu)建報(bào)汛通信網(wǎng)，把地域上十分分散的自動(dòng)采集的水情信息，利用通信信道，自動(dòng)、準(zhǔn)確、及時(shí)地傳輸?shù)焦鄥^(qū)渠道監(jiān)測(cè)平臺(tái)，作為灌區(qū)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)現(xiàn)有通信狀況以及可利用的通信資源，自動(dòng)超聲波水位流量站中，使用GSM/GPRS作為信息傳輸信道,所有新建站安裝位置均有公網(wǎng)信號(hào)，使用GSM-GPRS作為數(shù)據(jù)傳輸方式，GSM-SMS作為命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫溆梅绞?，在GSM-GPRS功能出現(xiàn)故障時(shí)，遙測(cè)終端自動(dòng)切換到GSM-SMS方式，同時(shí)將水情數(shù)據(jù)發(fā)送到本地灌區(qū)信息化平臺(tái)，并接受監(jiān)測(cè)預(yù)警中心遠(yuǎn)程設(shè)置。

　　5結(jié)語

　　該項(xiàng)目于2018年12月建設(shè)完成，項(xiàng)目建成后灌區(qū)地表水計(jì)量精度顯著提高，用水管理實(shí)現(xiàn)了信息化、自動(dòng)化和智能化，超聲波測(cè)流技術(shù)必將成為準(zhǔn)確測(cè)量明渠流量的一種新方法并以推廣應(yīng)用。