新型超聲波方形量水槽測流誤差試驗研究

付博，何新林*，陳金水，趙麗，鄧小來，辛博

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000;2.河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院，江蘇 南京 210006;3.北京聯(lián)創(chuàng)思源測控技術(shù)有限公司，北京 102200)

農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的61.3%～62.4%，農(nóng)田灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水總量的87.7%.因此，灌溉節(jié)水就成了國家節(jié)水的重中之重[1-3].為了有效管理并控制灌溉用水量，國家制定了一系列政策和措施對灌溉用水從水源至末級受水單元建立精準量水體系.“量準水”就成為灌區(qū)發(fā)展的重要建設(shè)內(nèi)容之一，對于新型量水設(shè)施的研發(fā)與改進是目前灌區(qū)能夠“量準水”的重點[4].謝崇寶等[5]認為目前對精度高、水頭損失小、經(jīng)濟、適用性強的新型量水設(shè)施的研發(fā)和推廣力度還不夠.

末級明渠量水主要有2種方式：堰槽量水和儀器儀表量水[6-7].堰槽的發(fā)展自1888年BAZIN研制出長喉道量水槽[8]以來，量水槽種類越來越多，且測流精度能夠得到保證，但也存在一些問題，以目前應(yīng)用最為廣泛的巴歇爾槽為例，SKOGERBOE等[8]指出巴歇爾槽與其他量水槽一樣，安裝時無論縱向還是橫向都要保持一定的水平，才可以達到較好的量水效果.ABT等[9]指出由于量水設(shè)備的自身重量以及基礎(chǔ)土壤經(jīng)年累月的沉積，可能會導(dǎo)致巴歇爾槽的沉降對測流精度產(chǎn)生影響.ABT等[10]計算了縱向沉降對巴歇爾槽量水精度的影響，結(jié)果表明縱向沉降引起的坡度變化對巴歇爾槽測流精度有較大影響，當縱向坡度的變化范圍為±5%時，巴歇爾槽流量曲線的最大相對誤差為 28%；當橫向坡度的變化范圍為±5%時，巴歇爾槽流量曲線的最大相對誤差為10%.PECK對淹沒流情況下巴歇爾槽的一些參數(shù)進行整理，并發(fā)現(xiàn)當淹沒度比較高時，流量和淹沒度之間會呈現(xiàn)一種不連續(xù)性[11]，導(dǎo)致測流精度降低.儀器儀表量水方法中，以目前較為熱門的超聲波時差法量水為例，超聲波時差法測流最早由德國RUTTEN提出[11]，其最大的特點是無接觸式測量，這決定了它相比于其他傳統(tǒng)流量計具有精度高、對水流流場影響小的優(yōu)勢[12].Instromet和Daniel等公司的產(chǎn)品測流誤差(管道)小于0.5%，國內(nèi)大連海峰的產(chǎn)品測流誤差(管道)小于1%[13].王雪峰[14]認為超聲波流量計對流場狀態(tài)十分敏感，研究流場是提高精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，然而國外對流場狀態(tài)的研究較為完備.目前超聲波測流研究在管道中應(yīng)用較為廣泛，而對明渠測流涉及較少，其主要原因在于明渠水流流場復(fù)雜多變.上述分析表明，堰槽量水的2個弊端：安裝條件要求較高且實際施工難度大[15];量水槽在淹沒出流條件下測流精度低[16].對超聲波時差法測流而言，流場條件是影響測流精度的關(guān)鍵因素[17].

方形槽加設(shè)收縮段后測流的優(yōu)點如下：① 方形槽的測流原理是流速面積法，可以避免量水槽在淹沒出流條件下測流精度低的問題.② 收縮段具有提高過槽水流流場穩(wěn)定性的優(yōu)點，進而可提高聲波的測流精度.

文中通過對比試驗研究方形槽測流誤差來源，并通過收縮段和水力學(xué)公式來提高新型超聲波方形量水槽在非淹沒出流條件下測流精度.期望為超聲波方形量水槽在灌區(qū)的實際應(yīng)用提供理論支撐，為灌區(qū)量水提供新思路.

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 超聲波方形量水槽結(jié)構(gòu)與工作原理

超聲波方形量水槽由矩形鋁合金殼體和超聲波換能器等主要部件構(gòu)成，超聲波方形量水槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 超聲波方形量水槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of ultrasonic square measu-ring flume

圖2為超聲波時差法工作原理圖.超聲波方形槽的測流方法采用流速面積法Q=VA.流速測量部分，在矩形箱體內(nèi)設(shè)置8層16個超聲波換能器，每層換能器利用超聲波時差法測量該層流速，8層流速取平均值后得到斷面平均流速；水位測量部分，在矩形箱體側(cè)面設(shè)置電容液位計，上方設(shè)置超聲波水位計測量2組水位數(shù)據(jù)，在計算機上利用中位值濾波法得到斷面平均水位.最后利用流速-面積法得出斷面平均流量.

如圖2所示，超聲波換能器A，B是1對可輪流發(fā)射或接收超聲波脈沖的換能器.設(shè)超聲波信號在被測流體中的速度為c，順流從A到B時間為t1，逆流從B到A時間為t2，外界傳輸延遲總時間為t0.則由幾何關(guān)系可知

圖2 超聲波時差法工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic time difference method

(1)

(2)

由于c>>v2cos2θ，則

(3)

(4)

式中：c為超聲波信號在被測流體中的速度，m/s；Δt為順流、逆流換能器接收信號的時差，s；D為渠寬，m；v為斷面平均流速，m/s；t1為順流從A到B時間，s；t2為逆流從B到A時間，s；t0為外界傳輸延遲總時間，s.

1.2 收縮段流量公式推導(dǎo)

試驗中發(fā)現(xiàn)流量小于0.1 m3/s時有收縮段的方形槽測流誤差仍較大，為解決這一問題，利用文丘里原理推導(dǎo)出收縮段流量計算公式代替此流量條件下的方形槽測流.圖3為試驗布置與收縮段水力學(xué)公式計算斷面劃分示意圖.恒定出流條件下標準收縮段出流，滿足實際液體恒定總流能量方程和連續(xù)方程.

如圖3所示，對斷面1-1，2-2列能量方程與連續(xù)方程

圖3 試驗布置與收縮段水力學(xué)公式計算斷面劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of test arrangement and section division by hydraulic formula calculation of contraction section

(5)

A1v1=A2v2,

(6)

(7)

聯(lián)立(5),(6),(7)，得出斷面2-2處斷面平均流速，即

(8)

(9)

進而得出流量公式，即

(10)

2 試驗設(shè)計與方法

2.1 試驗設(shè)計

為探究新型超聲波方形量水槽測流誤差來源，試驗于2019年6月在某智慧灌溉中心測控一體化閘門檢測站進行.恒定出流條件下，渠道水流滿足實際液體連續(xù)方程和能量方程，并且標準收縮段可利用式(9)進行測流.本試驗在保證渠道恒定出流的條件下進行如下3組對比試驗：有無收縮段方形槽與三角堰測流誤差對比試驗；收縮段公式計算流量與三角堰流量誤差對比試驗.單組試驗重復(fù)3次，對流量、水位、流速等數(shù)據(jù)取平均值后進行對比分析.

智慧灌溉中心測控一體化閘門檢測站具有完整的水循環(huán)系統(tǒng)，可保證閘門恒定出流.新型超聲波方形量水槽測流誤差試驗布置如圖3所示，試驗渠道坡度為0、斷面底寬0.80 m、上口寬1.94 m、高0.80 m的梯形渠道，沿水流方向依次布設(shè)2個800 mm×800 mm超聲波方形量水槽及標準直三角堰，1號方形槽前后設(shè)置收縮角度為30°的收縮段，2號方形槽無收縮段.1號方形槽與閘門間距4 m；1號方形槽與2號方形槽間距4 m；2號方形槽與三角堰間距5 m.為滿足不同流量條件下標準流量的監(jiān)測，三角堰設(shè)置可更換的卡槽式安裝方式，針對0.02～0.20 m3/s不同流量范圍下，選擇GB/T 21303—2007中3種不同規(guī)格的三角堰.

2.2 測定方法

2.2.1 收縮段流量公式計算相關(guān)物理量測量方法

測量斷面1-1，2-2水位時，取水面寬度的3個等分點，用帶橡皮套的鋼尺測量每個點的水位，并取平均值后得到該斷面平均水深；斷面2-2水面寬利用卷尺測得；測量斷面1-1，2-2平均流速時，用LJ20旋槳式流速儀采用“三點”取樣法計算斷面平均流速，單點測量次數(shù)重復(fù)5次.

2.2.2 方形槽和三角堰測流相關(guān)物理量測量方法

根據(jù)閘門開啟高度確定直角三角堰尺寸，待水流穩(wěn)定后進行相關(guān)物理量的記錄和測量.方形槽的顯示面板可自動記錄流量、水位、流速等物理量，抄錄即可.計算三角堰標準流量需要測量堰上水頭(自由出流)，上下游水位(淹沒出流)等物理量由水尺直接讀取獲得.

3 流量誤差結(jié)果對比分析

3.1 無收縮段方形槽與三角堰流量誤差分析

6次不同閘門開度(6次不同的流量)條件下方形槽(無收縮段)與三角堰的流量誤差曲線見圖4a.無收縮段方形槽的整體測量誤差較大，方形槽測流誤差隨流量的增大而減小.流量大于0.14 m3/s時方形槽測流誤差低于8%，滿足明渠堰槽量水測流誤差要求.不同流量條件下，方形槽監(jiān)測的槽內(nèi)的流速分布見圖4b,圖中Qj為三角堰測流流量，Qf為無收縮段的方形槽測流流量，E為三角堰與方形槽的測流誤差，h閘門為閘門開啟的高度，Q為來水流量，n為方形槽的第n層換能器，t為時間，h液為水位高.

圖4 2號方形槽試驗數(shù)據(jù)分析圖Fig.4 Analysis of No.2 square groove test data

流量小于0.08 m3/s時流速分布曲線與水力學(xué)二元明渠紊流流速分布(對數(shù)分布)相差較大，表明流速分布不均勻.流量大于0.08 m3/s時流速分布曲線與對數(shù)分布較為接近，表明流速分布較為均勻.橫向觀察圖4曲線發(fā)現(xiàn)，隨著流量的增大，流速出現(xiàn)不變的現(xiàn)象，表明換能器測流出現(xiàn)延遲現(xiàn)象.根據(jù)流速分布的均勻程度以及與三角堰的測流誤差大小，水位變化選擇3種流量條件(0.04，0.08，0.14 m3/s)監(jiān)測，水位變化曲線見圖4c.無收縮段方形槽內(nèi)在同一流量條件下5 min內(nèi)液位變化幅度大，且隨流量的加大，液位變化幅度有減少的趨勢.

分析流速、水位、誤差3組曲線，發(fā)現(xiàn)隨著流量的增大，流速分布更為均勻，水位趨于穩(wěn)定，相對應(yīng)的測流誤差也有減小的趨勢.表明無收縮段方形槽測流誤差來自于流速分布不均勻，水位波動性大以及不穩(wěn)定的水位流速條件導(dǎo)致?lián)Q能器測速出現(xiàn)延遲問題.

3.2 有收縮段方形槽與三角堰流量誤差分析

6次不同閘門開度(6次不同的流量)條件下方形槽(有收縮段)與三角堰的流量誤差曲線見圖5a，圖中Qg為有收縮段方形槽的測流流量.方形槽的測流誤差隨流量的增大而減小，并且有收縮段的1號方形槽測流的整體誤差較無收縮段的2號方形槽有明顯的減少，整體誤差低于16%.流量大于0.1 m3/s時測流誤差低于8%，滿足明渠堰槽量水測流誤差低于8%的規(guī)范要求.方形槽槽內(nèi)的流速分布圖見圖5b.方形槽內(nèi)不同流量條件下的流速分布均與對數(shù)分布曲線接近，認為流速分布均勻.隨著流量的增大，換能器的流速監(jiān)測無不變的現(xiàn)象，認為換能器正常工作.水位變化曲線見圖5c.有收縮段的1號方形槽內(nèi)在同一流量條件下5 min內(nèi)水位變化幅度明顯減少，且0.14 m3/s流量條件下水位趨于定值，但小流量條件下水位波動仍較大.

圖5 1號方形槽試驗數(shù)據(jù)分析圖Fig.5 Analysis of No.1 square groove test data

分析流速、水位、誤差3組曲線發(fā)現(xiàn)，加設(shè)收縮段的方形槽的流速分布明顯更加均勻，水位穩(wěn)定性也明顯提高，表明收縮段可較好地提高方形槽內(nèi)流速分布均勻度，減少了流場因素對換能器工作的影響.但流量小于0.1 m3/s時水位波動仍較大，此時的測流誤差也不滿足明渠堰槽量水誤差低于8%的規(guī)范要求，水位波動問題仍未得到解決.

3.3 收縮段公式計算流量與三角堰流量誤差分析

加設(shè)收縮段的1號方形槽在流量大于0.1 m3/s的條件下，將方形槽的測流誤差降低到8%以內(nèi)，滿足了明渠堰槽量水誤差低于8%的規(guī)范要求.但在流量小于0.1 m3/s的條件下，由于水位波動，方形槽的測流誤差仍不滿足明渠堰槽量水誤差應(yīng)低于8%的規(guī)范要求.

計算流量與三角堰流量存在一定誤差.通過水力學(xué)文丘里管道測流原理，推導(dǎo)出收縮段測流公式(式9).表1為流量公式計算表，表中W1-1為斷面1-1水面寬，h1-1，h2-2分別為斷面1-1,2-2平均水深，Q計為水力學(xué)公式計算流量.

表1 流量公式計算表Tab.1 Flow formula calculation table

計算流量誤差曲線見圖6.在流量小于0.12 m3/s的條件下公式計算流量誤差低于8%以內(nèi)，滿足了明渠堰槽量水誤差低于8%的規(guī)范要求.但隨著流量的增大，收縮段出現(xiàn)淹沒出流時，公式計算流量精度難以保證.

圖6 公式計算流量與三角堰流量誤差對比圖Fig.6 Comparison diagram of flow error between for-mula calculation and triangle weir

3.4 不同閘門開度下3種測流形式流量差異分析

不同閘門開度下3種測流形式的流量對比見表2，表中Qf,Qg分別為無、有收縮段方形槽流量；Q計為水力學(xué)公式計算流量；Ef,Eg，E計分別為無收縮段方形槽、有收縮段方形槽以及水力學(xué)公式計算的流量與三角堰流量的誤差.無收縮段的方形槽在閘門開度50～150 mm(標準流量低于0.1 m3/s)測流誤差大.通過流速分布和水位曲線分析，表明此流量范圍下流速分布不均勻；水位波動大以及由于流場不穩(wěn)定導(dǎo)致的換能器出現(xiàn)不工作或延遲記錄流速的現(xiàn)象是方形槽測流誤差大的主要影響因素.

表2 不同閘門開度下3種測流形式的流量對比Tab.2 Flow comparison of three flow measurement forms under different gate openings

閘門開度大于200 mm(標準流量大于0.14 m3/s)時出現(xiàn)淹沒出流現(xiàn)象，水位因素不再影響方形槽測流.分析此流量范圍下的流速分布曲線，表明均勻的流速分布提高了方形槽測流精度.在不同閘門開度下，有收縮段方形槽相比于無收縮段方形槽的測流誤差明顯降低，通過流速分布和水位曲線分析，表明收縮段能夠提高槽內(nèi)流場穩(wěn)定性；但在閘門開度小于150 mm(流量小于0.08 m3/s)時收縮段不能較好地解決水位波動大的問題，導(dǎo)致方形槽測流誤差偏大.閘門開度大于250 mm后，由于出現(xiàn)淹沒出流現(xiàn)象，水力學(xué)公式計算流量誤差偏大.

4 結(jié) 論

1) 無收縮段的方形槽在淹沒出流條件下測流誤差低于8%；有收縮段方形槽在流量大于0.1 m3/s時，測流誤差低于8%；流量小于0.1 m3/s時，收縮段流量公式計算誤差小于5%.

2) 收縮段提高了方形槽內(nèi)流速分布均勻度和水位穩(wěn)定性，進而改善了換能器的工作環(huán)境；但流量小于0.1 m3/s時，流場對方形槽測流精度的影響仍較大，可利用收縮段測流公式計算代替方形槽測流來解決此問題.

3) 槽內(nèi)流速分布均勻度、水位穩(wěn)定性和換能器的工作狀態(tài)是非淹沒出流條件下新型超聲波方形量水槽測流誤差的主要影響因素.