大型引黃灌區(qū)超聲波流量計
摘 要：為提高超聲波流量計在大口徑、高含沙引黃灌區(qū)應(yīng)用過程中的計量精度，基于超聲波流量計的原理，通過提高聲源信號強(qiáng)度、減小傳播衰減損失、修正溫度曲線等方法對超聲波流量計進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果表明：頻率為1MHz 的傳感器聲強(qiáng)強(qiáng)度及接收質(zhì)量與 0.5MHz、0.2MHz 的傳感器相比較低，信號中斷嚴(yán)重；聚醚醚酮聲導(dǎo)材料與聚砜聲導(dǎo)材料相比聲衰減較??；管道管徑越大聲衰減越大，大口徑管道超聲波流量計安裝宜采用單聲程模式；溫度及泥沙等對計量精度有一定影響，且夏季偵測失敗率較其他季節(jié)高；采用數(shù)字信號處理（DSP）可增加源信號處理量，縮短有效計算周期，消除由于泥沙含量變化所帶來的散射聲源損失；溫度修正曲線能減小溫度對測量精度的影響。研究結(jié)果可為大管徑超聲波流量計對黃河水的計量提供一定的技術(shù)支撐。
引黃灌區(qū)是我國重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地之一，在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有不可替代的重要作用[1]。但引黃灌區(qū)也是我國水資源極度緊缺的地區(qū)，黃河水作為灌區(qū)的主要水源，是保證引黃灌區(qū)工農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。對灌區(qū)引水量實時監(jiān)測對于合理規(guī)劃與配置灌區(qū)水資源，優(yōu)化灌區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有重要作用[2]。
灌區(qū)引水量的監(jiān)測常采用流量計的方法，基于聲學(xué)原理的超聲波流量計因具有應(yīng)用范圍廣、適用性強(qiáng)、測量精度高等優(yōu)點，被廣泛地用于灌區(qū)引水量的實時監(jiān)測，有效地提高了灌區(qū)水資源管理水平。但在大型引黃灌區(qū)，由于引水量大，引水管道口徑大，聲波的長行程衰減往往會產(chǎn)生無信號能力工作；
此外黃河水在春夏秋冬四季當(dāng)中泥沙及滋生物含量不同，超聲波的信號強(qiáng)度也會受到影響；同時因為雜質(zhì)對聲波的阻斷和散失會丟失一部分原始數(shù)據(jù)，產(chǎn)生無信號狀態(tài)或測量標(biāo)準(zhǔn)大幅度降低；不同季節(jié)黃河水溫度和雜質(zhì)含量也會呈現(xiàn)差別，超聲波的實際傳導(dǎo)速度與驅(qū)動及計算傳導(dǎo)速度在介質(zhì)變化條件下也會有一定區(qū)別而影響其測量結(jié)果的穩(wěn)定性；聲衰減或聲吸收的發(fā)生會對測量精度產(chǎn)生重大影響[3]。
大口徑管道及高濁度水源導(dǎo)致超聲波流量計在大型引黃灌區(qū)的應(yīng)用受到限制，不利于引黃灌區(qū)實現(xiàn)水資源高效利用和灌區(qū)信息化水平及水資源管理水平的提高。
根據(jù)測量原理，超聲波流量計的測量方法分為時差法、多普勒效應(yīng)法、相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法等，其中時差法的應(yīng)用***廣泛[4]。影響超聲波流量計時差法計量精度的因素主要有超聲波傳感器安裝精度、超聲波流量計的流量積分誤差和超聲波流量計的測流誤差 3 個方面，其中測流誤差是***主要的因素，如何提高測流精度也是時差法超聲波流量計的核心技術(shù)[5]。
目前國內(nèi)外針對超聲波流量計測量精度的提高， 開展了大量研究，例如：孟華等根據(jù)時差法超聲波流量計的基本原理，提出了一種多脈沖法的設(shè)計方案[4]； 段允等采用 53H 的改進(jìn)算法能有效剔除由混響、電磁干擾等引起的誤差計量[6]；國外研究人員采用過零檢驗電路和互相關(guān)算法等減少超聲波的傳播時間[7]。此外， 相關(guān)算法[8-9]、雙閾值比較法[10]、能量變化率法[11]等也被用來提高超聲波流量計的測量精度。但大多數(shù)研究仍然處于仿真試驗階段，實際應(yīng)用較少，且計算量較大。如何提高引黃灌區(qū)大口徑、高濁度等復(fù)雜條件下超聲波流量計的監(jiān)測精度是一個迫切需要解決的科學(xué)問題。
目前國內(nèi)外大部分的用于水介質(zhì)計量的超聲波流量計針對的介質(zhì)往往為單一純凈介質(zhì)，同時所使用的傳感器膜片由于驅(qū)動限制，很難保證在大口徑
工程引水管道尺寸大、水質(zhì)濁度高、溫度等因素復(fù)雜的特點，以景電灌區(qū)為例，采用工程措施和技術(shù)手段， 有針對性的改進(jìn)和提高超聲波流量計的計量精度，并進(jìn)行觀測驗證；在此基礎(chǔ)上，采用粒子群算法，利用粒子群對延遲時間進(jìn)行搜索的方法，對大口徑，高濁度條件下超聲波流量計計量精度進(jìn)行了研究，取得了較好的應(yīng)用效果，改善了傳統(tǒng)延估計中步長因子選擇和計算量大的問題，提高了超聲波流量計的計量精度， 為灌區(qū)水資源高效利用、灌區(qū)信息化及水資源管理提供了科學(xué)依據(jù)。
1、材料與方法：
1.1、研究區(qū)概況：
研究區(qū)位于甘肅省白銀市景電灌區(qū)，多年平均降水量 180 mm，多集中在七、八、九三個月，而年平均蒸發(fā)量 3338 mm，冬春兩季多風(fēng)，年平均風(fēng)速為3.7 m/s，八級以上大風(fēng)年均 29 天。灌區(qū)日溫差大、日照長、蒸發(fā)量大、降水少，屬于典型的干旱大陸性氣候。景電灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠黃河提灌，整個景電灌區(qū)設(shè)計提水流量 28.6 m3/s，加大流量 33.0 m3/s， 泵站 43 座，裝機(jī)容量 25.97 萬千瓦，***高揚程 713 m， 設(shè)計年提水量 4.75 億 m3。且夏季灌溉水源-黃河水含沙量較大。
1.2、時差法超聲波流量計工作原理：
時差法超聲波流量計的原理是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發(fā)超聲波，通過測量超聲波在介質(zhì)中隨超聲波傳播速度而變化的逆流與順流的時間差△t 來確定被測流體的流速的，再通過流速來計算流量，時間差△t 與流速成正比關(guān)系，其比例系數(shù)即為流量修正系數(shù)。其工作原理如圖 1 所示。其中管道的內(nèi)徑為 D，超聲波行走的路徑長度為 L,超聲波順流速度為 tu,逆流速度為 td,超聲波的傳播方向與流體的流動方向加角為 θ。
圖 1 時差法超聲波流量計工作原理
Fig.1 Schematic diagram of transit time ultrasonic flowmeter principle
其時間差可用下式表示：
（>DN1000mm)管路中信號的強(qiáng)度要求（如信號弱、信號中斷等）；溫度、粘度、濃度等補(bǔ)償因素在現(xiàn)有的產(chǎn)品上也沒有很好、很規(guī)范的應(yīng)用。因此，本文在傳統(tǒng)的***小均方差時延估計的基礎(chǔ)上，針對引黃灌區(qū)由公式 1 和公式 2 可得，時間差為：
Δt » 2VX
c2
即液體的流速為：
(3)
式中：qsij 為
由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。
則流量 Q 可以表示為：
1.3、計量評價指標(biāo)：
計量校準(zhǔn)是量值傳遞和量值溯源***重要的手段， 而測量不確定度是評價計量校準(zhǔn)質(zhì)量的重要指標(biāo)。參考 << 中華人民共和國計量檢定規(guī)程 JJG 1030-2007>>標(biāo)準(zhǔn)；流量點測量相對示值誤差、對比流量計相對示值誤差和對比流量計重復(fù)性的本構(gòu)方程計算公式如下：
a. 單次測量相對示值誤差
式中：Ei 為對比流量計標(biāo)準(zhǔn)表第 i 流量點相對示值誤差。
c. 對比流量計標(biāo)準(zhǔn)表相對示值誤差
E = ± Ei max
式中：Ei max 為對比流量計標(biāo)準(zhǔn)表各流量點相對示值誤差中***大值。
d.對比流量計標(biāo)準(zhǔn)表重復(fù)性
1.4、時差法流量計改進(jìn)措施與方法：
由公式（4）～公式（6）可知，超聲波流量計測得的流速與時間差和路徑有關(guān)，流量與管徑有關(guān)；要提高超聲波流量計的計量精度，需要從以下幾個方面改進(jìn)：
（1）提高超聲波流量計的信號強(qiáng)度
由于西北引黃灌區(qū)景電灌區(qū)為電力提灌灌區(qū)，多采用管道有壓輸水，灌溉引水量大，主干管管道多為大口徑管道，超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)對聲波的吸收、散射以及超聲波束自身的擴(kuò)散因素，其強(qiáng)度隨傳播距離的增加會逐漸減弱，直徑越大的管道意味著強(qiáng)度的衰減會越嚴(yán)重，因此，保證超聲波流量計的信號強(qiáng)度能力是提高測量精度的基礎(chǔ)。聲強(qiáng)衰減的原因分為:介質(zhì)對聲波能量的吸收而引起的衰減，即吸收衰減;介質(zhì)中顆粒對聲波能量的散射引起的衰減，即散射衰減；由于聲波波束擴(kuò)散而引起的衰減稱為擴(kuò)散衰減；前兩類衰減取決于介質(zhì)的特性，而后一類則由聲源的特性而引起。但由于傳播介質(zhì)（黃河水）無法改變，因此只能通過改變聲源的特性來提高信號強(qiáng)度。
圖 2 換能器安裝方法與方式示例
因超聲波傳播行程相對較長時信號穩(wěn)定性相對較好，但同時產(chǎn)生信號強(qiáng)度衰減量增加；行程相對較短時，信號強(qiáng)度就相對較高，但不利于信號的穩(wěn)定。但景電引黃灌區(qū)引水管道尺寸較大，超聲波單聲程距離也較大，因此，為減少超聲波傳播過程中的衰減，兼顧信號的穩(wěn)定性，宜采用單行程的安裝方法（圖 2（3）所示），以提高計量精度。
選取 DN1400mm/1700mm 兩種管道直徑，1MHz、0.5MHz 和 0.2MHz 三種頻率的壓電陶瓷片超聲波流量計及德國弗萊克森 F601 便攜式超聲波流量計(通過檢定，精度為 0.5%；線性為 0.15%)對管道內(nèi)的流量、聲強(qiáng)、介質(zhì)聲速、信號噪聲、信號波動幅度和偵測失敗率進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測時段共 20 個月，
2、結(jié)果與分析 ：
2.1、頻率對傳感器聲強(qiáng)的影響分析 ：
但以一較高頻率對結(jié)構(gòu)松散、密度差的介質(zhì)作聲波探測時，由于該介質(zhì)中存在著折射、繞射以及可能出現(xiàn)的多次反射和散射等現(xiàn)象，至使高頻率聲波無法按原有射線方向傳播，聲速衰減快，探測無法進(jìn)行。如降低探測聲波的頻率，使波長加大，其聲波便可穿透較大距離，從而使聲強(qiáng)衰減變小，因此可通過降低探測聲波的頻率，保證信號的質(zhì)量，提高計量的精度。此外，由表 1 也可以看出，隨著管徑的增大，聲強(qiáng)有所降低。
表 1 管徑與壓電陶瓷片頻率的聲強(qiáng)對比
表 2 不同頻率壓電陶瓷傳感器的驗證分析表
2.2 、介質(zhì)特性對超聲波計量的影響與修正分析：
由表 3 可以看出，夏季偵測失敗率較其他季節(jié)高，其他三個季節(jié)差異較??；信號波動幅度和信號噪聲在四個季節(jié)中基本一致，信號噪聲和信號波動幅度，基本趨于穩(wěn)定，完全可以滿足測量精度要求。因此，夏季水質(zhì)對超聲波的影響***大。
表 3 不同季節(jié)灌溉水介質(zhì)特性對超聲波計量的影響
偵測失敗率，代表驅(qū)動和接收之間的損失量級比例，如果全部作為核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的依據(jù)，則該比例明顯大于測量精度的使用要求。為了避免或盡量減少這種可能，將原有 KRCFLO MMC 的核心處理器由原來的單片機(jī)+CPLD+FPGA 方式調(diào)整為單片機(jī)+ CPLD + DSP;通過數(shù)字信號處理 DSP 的介入來增加更多的源信號處理量，并縮短一個有效計算周期的時間；通過改進(jìn)，有效采樣頻率由原來 500ms 縮短為 200ms，單位時間內(nèi)的有效采樣數(shù)量提高了 2.5 倍，從而盡可能消除由于泥沙含量變化所帶來的散射聲源損失，提高了計量精度。
表 4 考慮介質(zhì)溫度影響的聲速修正分析表
針對不同季節(jié)水溫對計量精度的影響，采取的改進(jìn)措施是在變送器的嵌入式軟件中加入溫度曲線修正作為補(bǔ)償，同時將實測到的介質(zhì)內(nèi)傳播聲速作為聲速修正參考值，對傳感器測量的聲速進(jìn)行修正；結(jié)果如表 4。經(jīng)溫度曲線修正后，變送器計算的聲波傳導(dǎo)聲速更接近實際值。
設(shè)備調(diào)整改進(jìn)后，以 DN1700 mm 管線四個不同季節(jié)的灌溉水量進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果見表 5。 
表 5 改進(jìn)后超聲波計量結(jié)果驗證分析表
選擇安裝有已校驗的 0.5%標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計的管道進(jìn)行對比試驗，包括單臺大機(jī)和機(jī)組（一臺大機(jī)+一臺小機(jī)）工作狀態(tài)下的流量監(jiān)測。采用 RS485 通訊方式將各采集點流量計數(shù)據(jù)集中到采集平臺進(jìn)行記錄，并配備時間定時器以保證***小同步時間差，采集間隔為 10 min，采集時長為 60 min；采集量以累積量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，結(jié)果見表 6，可以看出，設(shè)備的相對誤差（準(zhǔn)確度）得到了大幅度提升；為了驗證設(shè)備在不同流量點的重復(fù)性，增加一臺機(jī)組繼續(xù)進(jìn)行對比，以驗證設(shè)備的穩(wěn)定性。
表 6 改進(jìn)后超聲波計量在單臺大機(jī)上的應(yīng)用
由表 7 可以看出，設(shè)備的相對誤差范圍沒有因為流速和機(jī)組的改變而發(fā)生變化，其重復(fù)性較好。
表 7 改進(jìn)后超聲波計量的應(yīng)用
對表 2、表 5 和表 6 誤差進(jìn)一步分析可知，調(diào)整后和調(diào)整前的誤差范圍以及平均誤差均得到大幅度減小，平均誤差降低了 0.3%，修正誤差減小了 60%；測量誤差不確定波動范圍減小了 50%以上，重復(fù)性趨于穩(wěn)定；在保證測量信號能力的前提下，更接近實際測量的真實值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見表 8。 
表 8 改進(jìn)前誤差及重復(fù)性評價表
3、結(jié)論 ：
針對引黃灌區(qū)引水量大，引水管道口徑大，灌溉水泥沙含量大及季節(jié)性變化大等特點對超聲波流量計計量精度造成的不利影響，本文基于超聲波流量計的原理、材料和計算等技術(shù)對其進(jìn)行了研究與改進(jìn)，并通過監(jiān)測試驗對改造結(jié)果進(jìn)行了驗證和評價。得到主要結(jié)論有：
（1）采用低頻率，并更換聲導(dǎo)材料可以有效提高聲源的聲強(qiáng)質(zhì)量，減少聲衰減；
（2）管道管徑越大，聲衰減越大，大口徑管道超聲波流量計安裝宜采用單聲程模式；
（3）夏季偵測失敗率較其他季節(jié)高，DSP 的介入可增加源信號處理量，并縮短有效計算周期的時間，從而消除由于泥沙含量變化所帶來的散射聲源損失，提高計量精度?？刹捎脺囟刃拚€減小溫度對測量精度的影響；