[导读] 着重介绍超声波用于明渠流量的基本原理，结合赵山渡引水工程沿途流量测量、控制现场实际，讲述了超声波流量计的原理、测量方法、及流量计安装标定等问题，可供从事流量测量设计及现场维护检修人员参考。
1 测量基本理论
1.1 流速基本计算公式
由明渠基本理论，对于明渠恒定均匀流，已知沿水深方向有下列对数形式的点流速u的计算公式
式中，u———点流速
u∗———摩阴流速
C———常数
H———断面水深
h———点流速处深度
△———渠壁绝对粗糙度。
1.2 超声换能器工作原理
超声换能器测量工作原理，采用时差法进行测量。也就是通过测量超声波在“顺流”和“逆流”的传播时间差，求得该超声换能器所在流层的流速，再根据流速基本公式（1）和断面数据求得流量。如图1所示，在渠道内斜向设置一对超声换能器P1P2，设两换能器之间的距离为L，由其形成的声路路径和水流流向的夹角为θ。
当P1发射超声波，P2接收时，超声波的传播时间（正向传播时间）。
图1 测理原理示意图
式中，c———静水中的超声波流速
u———流层流速
同理，当P2发射超声波P1接收时，超声波的传播时间（逆向传播时间）
正向和逆向传播的时间差为
因静水中的超声波速度与温度有关，根据（2）、（3）两式将c用t1和t2替代得
由（5）式可见，只要能测出超声波正向和逆向的传播时间t1和t2，就能计算换能器所在的流层的流速u，进而与已测得的其它流层的流速一起，计算流量。
1.3 测量方法
根据上述测量基本理论，结合现场实际，决定对每条渠道采用四组超声换能器进行流速的测量，一台超声水位计测量水位。流速换能器、水位井及水位计换能器在水渠中的安装位置见图2。在测量出水位和各流层的流速后，可由下式计算出断面平均流速。
图2 换能器现场安装示意图
式中，ui———某流层流速
Ki———加权系数
由平均速度计算流量
式中，b———渠道断面宽
h———断面水深。
图中1、2、3、4、5、6、7、8示意水渠中换能器安装位置。数字9为水位井及水位计超声换能器安装位置。1～5；2～6；3～7；4～8号换能器分别组成4个互为发射接收的层流速测量组，分别测量不同层面的流速。图中H示意水位方向，S示意水流方向。
2 现场安装及存在问题
2.1 机械安装
流量计应固定在换能器至主机或远程流量变送器的电缆不超过300英尺或100米的地方。
另外，流量计需要交流电源插座，还要求与压力传感器和现场处理控制系统连接的插座。流量计须垂直固定在墙上或一块能够承受100磅的板子上，用3/8英寸（10mm）的方头螺钉或方额螺栓固定。
如果需连接PC机，先准备好一张台子或架子。
2.2 现场安装造成测量误差的因素
（1）测量断面上几何参数测量不准。
①声路长L测量不准；
②声路角φ测量不准；
③渠道截面积S测量不准。
（2）流态分布畸变引起的测量误差。
（3）脉动流引起水位的测量误差。
2.3 安装中对误差控制所采取的措施
（1）采用科学的安装方法和准确的测量工具，保证换能器的准确定位。
①应用经纬仪在渠道内进行换能器定位，使声路角φ的测量误差控制在0.01°以内。
②在渠道内用专用测量工具实测量路长，使声路长的测量准确度达到毫米级。
③在测量多个断面上测量渠宽，求平均值，以保证截面积计算正确。
（2）选择最加测量点。
在换能器上下游选取足够长的执行段，以保证测量区流态稳定，理论上通常上游取10个渠宽，下游取1个渠宽。在实际安装中，换能器上游执行段约大于15个渠宽，下游约大于2个渠宽。优于理论取值。
2.4 解决流速脉动问题
（1）建立水位井测量水位的高度，有效控制水流表面波引起的高度测量误差。
（2）超声波流量计没有机械惯性，可以快速采样，用多次采样平均计算出的流量可以消除流速脉动造成的问题。
3 超声波流量计调试
设备调试由以下几个步骤组成，首先对已经安装的8个断面的流量计逐一进行了设备的连接和通电，然后我们逐一将每个断面的参数进行了设置，在我们的系统诊断下我们发现了有３个断面有电缆断裂的情况，有2个断面的水位计工作不正常。针对这部分不正常的断进行了断面的检修恢复计划。
调试过的8处流量计量系统的调试结果说明如下：
调试后声路工作状况如图3所示。
图3
4 结语
（1）要根据测量对象及现场实际情况有针对性地制定测量方案，才有可能达到测量目的，满足测量要求。
（2）选准测量位置，要充分保障测量点上下执行段的长度，以保证测量点流态稳定，比如在赵山渡进水口安装的超声波流量计由于水流不稳定，造成测量结果波动较大。
（3）精确校准测量系统各通道的传输延迟时间，正确设定测量系统内部参数。
（4）精确测量执行渠道断面的几何参数，换能器的安全位置，牢固安装水下设备。