大型引黃灌區(qū)超聲波流量計(jì)
摘 要：為提高超聲波流量計(jì)在大口徑、高含沙引黃灌區(qū)應(yīng)用過(guò)程中的計(jì)量精度，基于超聲波流量計(jì)的原理，通過(guò)提高聲源信號(hào)強(qiáng)度、減小傳播衰減損失、修正溫度曲線等方法對(duì)超聲波流量計(jì)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(hào)中斷嚴(yán)重；聚醚醚酮聲導(dǎo)材料與聚砜聲導(dǎo)材料相比聲衰減較小；管道管徑越大聲衰減越大，大口徑管道超聲波流量計(jì)安裝宜采用單聲程模式；溫度及泥沙等對(duì)計(jì)量精度有一定影響，且夏季偵測(cè)失敗率較其他季節(jié)高；采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）可增加源信號(hào)處理量，縮短有效計(jì)算周期，消除由于泥沙含量變化所帶來(lái)的散射聲源損失；溫度修正曲線能減小溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。研究結(jié)果可為大管徑超聲波流量計(jì)對(duì)黃河水的計(jì)量提供一定的技術(shù)支撐。
引黃灌區(qū)是我國(guó)重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地之一，在我國(guó)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(guó)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(duì)灌區(qū)引水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)常采用流量計(jì)的方法，基于聲學(xué)原理的超聲波流量計(jì)因具有應(yīng)用范圍廣、適用性強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地用于灌區(qū)引水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(zhǎng)行程衰減往往會(huì)產(chǎn)生無(wú)信號(hào)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(hào)強(qiáng)度也會(huì)受到影響；同時(shí)因?yàn)殡s質(zhì)對(duì)聲波的阻斷和散失會(huì)丟失一部分原始數(shù)據(jù)，產(chǎn)生無(wú)信號(hào)狀態(tài)或測(cè)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(huì)呈現(xiàn)差別，超聲波的實(shí)際傳導(dǎo)速度與驅(qū)動(dòng)及計(jì)算傳導(dǎo)速度在介質(zhì)變化條件下也會(huì)有一定區(qū)別而影響其測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性；聲衰減或聲吸收的發(fā)生會(huì)對(duì)測(cè)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(jì)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(shí)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(cè)量原理，超聲波流量計(jì)的測(cè)量方法分為時(shí)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(shí)差法的應(yīng)用***廣泛[4]。影響超聲波流量計(jì)時(shí)差法計(jì)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(jì)的流量積分誤差和超聲波流量計(jì)的測(cè)流誤差 3 個(gè)方面，其中測(cè)流誤差是***主要的因素，如何提高測(cè)流精度也是時(shí)差法超聲波流量計(jì)的核心技術(shù)[5]。
目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的提高， 開(kāi)展了大量研究，例如：孟華等根據(jù)時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本原理，提出了一種多脈沖法的設(shè)計(jì)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(jì)量[6]；國(guó)外研究人員采用過(guò)零檢驗(yàn)電路和互相關(guān)算法等減少超聲波的傳播時(shí)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(lái)提高超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度。但大多數(shù)研究仍然處于仿真試驗(yàn)階段，實(shí)際應(yīng)用較少，且計(jì)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(jì)的監(jiān)測(cè)精度是一個(gè)迫切需要解決的科學(xué)問(wèn)題。
目前國(guó)內(nèi)外大部分的用于水介質(zhì)計(jì)量的超聲波流量計(jì)針對(duì)的介質(zhì)往往為單一純凈介質(zhì)，同時(shí)所使用的傳感器膜片由于驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，以景電灌區(qū)為例，采用工程措施和技術(shù)手段， 有針對(duì)性的改進(jìn)和提高超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度，并進(jìn)行觀測(cè)驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上，采用粒子群算法，利用粒子群對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行搜索的方法，對(duì)大口徑，高濁度條件下超聲波流量計(jì)計(jì)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(jì)中步長(zhǎng)因子選擇和計(jì)算量大的問(wèn)題，提高了超聲波流量計(jì)的計(jì)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(gè)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(jí)以上大風(fēng)年均 29 天。灌區(qū)日溫差大、日照長(zhǎng)、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(gè)景電灌區(qū)設(shè)計(jì)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(wàn)千瓦，***高揚(yáng)程 713 m， 設(shè)計(jì)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(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理：
時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理是利用一對(duì)超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)測(cè)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(shí)間差△t 來(lái)確定被測(cè)流體的流速的，再通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量，時(shí)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(zhǎng)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(dòng)方向加角為 θ。
圖 1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理
Fig.1 Schematic diagram of transit time ultrasonic flowmeter principle
其時(shí)間差可用下式表示：
（>DN1000mm)管路中信號(hào)的強(qiáng)度要求（如信號(hào)弱、信號(hào)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(méi)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(shí)延估計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)引黃灌區(qū)由公式 1 和公式 2 可得，時(shí)間差為：
Δt » 2VX
c2
即液體的流速為：
(3)
式中：qsij 為
由此可見(jiàn)，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比。
則流量 Q 可以表示為：
1.3、計(jì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)：
計(jì)量校準(zhǔn)是量值傳遞和量值溯源***重要的手段， 而測(cè)量不確定度是評(píng)價(jià)計(jì)量校準(zhǔn)質(zhì)量的重要指標(biāo)。參考 << 中華人民共和國(guó)計(jì)量檢定規(guī)程 JJG 1030-2007>>標(biāo)準(zhǔn)；流量點(diǎn)測(cè)量相對(duì)示值誤差、對(duì)比流量計(jì)相對(duì)示值誤差和對(duì)比流量計(jì)重復(fù)性的本構(gòu)方程計(jì)算公式如下：
a. 單次測(cè)量相對(duì)示值誤差
式中：Ei 為對(duì)比流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表第 i 流量點(diǎn)相對(duì)示值誤差。
c. 對(duì)比流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表相對(duì)示值誤差
E = ± Ei max
式中：Ei max 為對(duì)比流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表各流量點(diǎn)相對(duì)示值誤差中***大值。
d.對(duì)比流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表重復(fù)性
1.4、時(shí)差法流量計(jì)改進(jìn)措施與方法：
由公式（4）～公式（6）可知，超聲波流量計(jì)測(cè)得的流速與時(shí)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(jì)的計(jì)量精度，需要從以下幾個(gè)方面改進(jìn)：
（1）提高超聲波流量計(jì)的信號(hào)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(shí)，由于介質(zhì)對(duì)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(huì)逐漸減弱，直徑越大的管道意味著強(qiáng)度的衰減會(huì)越嚴(yán)重，因此，保證超聲波流量計(jì)的信號(hào)強(qiáng)度能力是提高測(cè)量精度的基礎(chǔ)。聲強(qiáng)衰減的原因分為:介質(zhì)對(duì)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(duì)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(wú)法改變，因此只能通過(guò)改變聲源的特性來(lái)提高信號(hào)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(duì)較長(zhǎng)時(shí)信號(hào)穩(wěn)定性相對(duì)較好，但同時(shí)產(chǎn)生信號(hào)強(qiáng)度衰減量增加；行程相對(duì)較短時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度就相對(duì)較高，但不利于信號(hào)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(guò)程中的衰減，兼顧信號(hào)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(jì)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(jì)及德國(guó)弗萊克森 F601 便攜式超聲波流量計(jì)(通過(guò)檢定，精度為 0.5%；線性為 0.15%)對(duì)管道內(nèi)的流量、聲強(qiáng)、介質(zhì)聲速、信號(hào)噪聲、信號(hào)波動(dòng)幅度和偵測(cè)失敗率進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)段共 20 個(gè)月，
2、結(jié)果與分析 ：
2.1、頻率對(duì)傳感器聲強(qiáng)的影響分析 ：
但以一較高頻率對(duì)結(jié)構(gòu)松散、密度差的介質(zhì)作聲波探測(cè)時(shí)，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(wú)法按原有射線方向傳播，聲速衰減快，探測(cè)無(wú)法進(jìn)行。如降低探測(cè)聲波的頻率，使波長(zhǎng)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(guò)降低探測(cè)聲波的頻率，保證信號(hào)的質(zhì)量，提高計(jì)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(duì)比
表 2 不同頻率壓電陶瓷傳感器的驗(yàn)證分析表
2.2 、介質(zhì)特性對(duì)超聲波計(jì)量的影響與修正分析：
由表 3 可以看出，夏季偵測(cè)失敗率較其他季節(jié)高，其他三個(gè)季節(jié)差異較小；信號(hào)波動(dòng)幅度和信號(hào)噪聲在四個(gè)季節(jié)中基本一致，信號(hào)噪聲和信號(hào)波動(dòng)幅度，基本趨于穩(wěn)定，完全可以滿足測(cè)量精度要求。因此，夏季水質(zhì)對(duì)超聲波的影響***大。
表 3 不同季節(jié)灌溉水介質(zhì)特性對(duì)超聲波計(jì)量的影響
偵測(cè)失敗率，代表驅(qū)動(dòng)和接收之間的損失量級(jí)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(cè)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(lái)的單片機(jī)+CPLD+FPGA 方式調(diào)整為單片機(jī)+ CPLD + DSP;通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理 DSP 的介入來(lái)增加更多的源信號(hào)處理量，并縮短一個(gè)有效計(jì)算周期的時(shí)間；通過(guò)改進(jìn)，有效采樣頻率由原來(lái) 500ms 縮短為 200ms，單位時(shí)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(lái)的散射聲源損失，提高了計(jì)量精度。
表 4 考慮介質(zhì)溫度影響的聲速修正分析表
針對(duì)不同季節(jié)水溫對(duì)計(jì)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(shí)將實(shí)測(cè)到的介質(zhì)內(nèi)傳播聲速作為聲速修正參考值，對(duì)傳感器測(cè)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(jì)算的聲波傳導(dǎo)聲速更接近實(shí)際值。
設(shè)備調(diào)整改進(jìn)后，以 DN1700 mm 管線四個(gè)不同季節(jié)的灌溉水量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表 5。 
表 5 改進(jìn)后超聲波計(jì)量結(jié)果驗(yàn)證分析表
選擇安裝有已校驗(yàn)的 0.5%標(biāo)準(zhǔn)超聲波流量計(jì)的管道進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，包括單臺(tái)大機(jī)和機(jī)組（一臺(tái)大機(jī)+一臺(tái)小機(jī)）工作狀態(tài)下的流量監(jiān)測(cè)。采用 RS485 通訊方式將各采集點(diǎn)流量計(jì)數(shù)據(jù)集中到采集平臺(tái)進(jìn)行記錄，并配備時(shí)間定時(shí)器以保證***小同步時(shí)間差，采集間隔為 10 min，采集時(shí)長(zhǎng)為 60 min；采集量以累積量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表 6，可以看出，設(shè)備的相對(duì)誤差（準(zhǔn)確度）得到了大幅度提升；為了驗(yàn)證設(shè)備在不同流量點(diǎn)的重復(fù)性，增加一臺(tái)機(jī)組繼續(xù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證設(shè)備的穩(wěn)定性。
表 6 改進(jìn)后超聲波計(jì)量在單臺(tái)大機(jī)上的應(yīng)用
由表 7 可以看出，設(shè)備的相對(duì)誤差范圍沒(méi)有因?yàn)榱魉俸蜋C(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(jì)量的應(yīng)用
對(duì)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(cè)量誤差不確定波動(dòng)范圍減小了 50%以上，重復(fù)性趨于穩(wěn)定；在保證測(cè)量信號(hào)能力的前提下，更接近實(shí)際測(cè)量的真實(shí)值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見(jiàn)表 8。 
表 8 改進(jìn)前誤差及重復(fù)性評(píng)價(jià)表
3、結(jié)論 ：
針對(duì)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(diǎn)對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量精度造成的不利影響，本文基于超聲波流量計(jì)的原理、材料和計(jì)算等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了研究與改進(jìn)，并通過(guò)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)對(duì)改造結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。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(jì)安裝宜采用單聲程模式；
（3）夏季偵測(cè)失敗率較其他季節(jié)高，DSP 的介入可增加源信號(hào)處理量，并縮短有效計(jì)算周期的時(shí)間，從而消除由于泥沙含量變化所帶來(lái)的散射聲源損失，提高計(jì)量精度。可采用溫度修正曲線減小溫度對(duì)測(cè)量精度的影響；
