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一、前言
超声波测流是一门新兴的测量技术。近年来，利用超声波流量计测量明渠渠道的过水流量，实现灌区量水的远程实时监测，在许多地方得到越来越多的应用。新疆喀什噶尔河流域管理处引进新技术，在库山河三县引水明渠，安装了一套申瑞公司生产的GER9000型超声波流量计，使测配水科学管理有了新的突破。本文就GER9000型超声波流量计在库山河三县引水渠中试运行其间，通过超声波法与流速仪法实际测流数据比较对超声波流量计应用谈几点粗浅的意见。
二、超声波法测流
1.超声波流量测量系统的测量原理
超声波流量计是一种以超声波为媒介进行流量测量的流量系统。用超声波来测量流体的流量实质上是测量流体的流速。当流体流速向量与声波方向平行时，声波的波速将发生变化，即当声波向下游传播时波速增加，声波向上游传播时波速降低。在明渠中，一定高程的流体平均流速是通过测量两个换能器之间传播的历时差来确定的。测量原理示意图如图1所示。T1是安装于渠道上游侧的换能器，T2是安装于下游侧的换能器，两个换能器构成一个测量声路。
图1 测量原理示意图
假设超声波在静水中的传播速度为C，水流速度为V，两个换能器T1、T2间的距离为L，两换能器T1、T2所构成的声传播路径与管轴线的夹角为θ。
当换能器T1发射，T2接收时，超声波从T1到T2的传播时间t12为：
t12=L/（C+VCosθ）；（1）
当换能器T1发射，T2接收时，超声波从T2到T1的传播时间t21为：
t21=L/（C-V×Cosθ）；（2）
由（1），（2）可得管道中该声路处的线平均流速：
V=L/（2×Cosθ）×（1/t21–1/t12）；（3）
对所得的流速进行面积积分，即可获得流量。
Q=S×V（4）
2.流量计算
库山河三县引水渠渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化较大，一般采用多声道超声波流量计进行分层测流。如图2所示。在测量流速同时还需要测量水位量，然后用测的流速对有效断面进行积分，即可得到通过测量断面的流量。
图2 明渠中多声路布置
流量计算公式：
Q=QT+QM+QB （5）
其中：Q=渠道断面总流量；
QT=渠道顶层流量；
QM=渠道中间各层流量；
QB=渠道底层流量。
如图2所示，QT、QM和QB又分别由下面各式计算求得：
 （6） 其中：
V4=最顶层工作声路测的流速（四声路而言）；
Vi，Vi+1=第i，i+1声路的流速；
V1=最底层工作声路测的流速（四声路而言）；
H=当前水位；
kt=渠道表层流速系数；
kb=渠底流速系数；
h4=最顶层工作声路高程（四声路而言）；
hi=第i声路高程；
h1=最底层工作声路高程；
h0=渠底高程；
W4=最顶层工作声路处的渠宽（四声路而言）；
WT=渠道水流表层处的渠宽；
W1=最底层工作声路处的渠宽；
Wb=渠底宽度。
三、流速仪法测流
流速仪法测流是国内外使用最广泛的方法，也是最基本的测流方法。该方法也是评定和衡量各种测流新方法精度的标准。流速仪法测流基于速度面积法，测流时必须在断面上布设测速垂线和测速点，以测量断面面积和流速，测速方法一般采用积点法。
1.选择断面，确定测线及测点
测流断面应选择在渠段平直、水流均匀、无漩涡或回流的地方，前后平直段应满足测试规范的要求（大于20倍水面宽度），断面与水流方向垂直。测速垂线及测点数目应能充分反应横断面流速分布。
2.平均流速计算
测流的过水断面平均流速及流量计算参考水利部《灌溉管理手册》有关规定进行。为提高测流精度，测线平均流速Vm均采用六点法计算：
 （7） 式中：v0.0、v0.2、v0.4、v0.6、v0.8、v1.0、分别代表垂线流速分布曲线水面、相对水深为0.2m、0.4m、0.6m、0.8m及河底的测点流速。
渠边部分平均流速
V1＝ZVmi或Vn=ZVmn （8）
式中：vmi、vmn分别为自渠边起第一条、最末一条测线平均流速；a为渠边流速系数，通常斜坡渠边取0.70，陡坡渠边取0.80。
3.流量计算
断面流量Q为各部分流量的代数和
 （9） 四、测流比较
1．测流地点的确定
三县引水明渠的流量计安装断面，是一个梯形无压混凝土断面。具体尺寸：渠底宽：8.9m；顶宽19m；边坡为1∶1.5；最大水深：约1.5m；最小水深：0.12m；常水位：0.4~0.6m；混凝土板衬砌，设计流量Q＝30m3/s，在距渠底约0.50m处有约0.4m宽的平台，且在平台上方的渠边坡与平台下方的边坡不同。该渠段符合明渠超声波流量计的安装要求及流速仪的布置。
2.测流比较方法
测流比较采用流速仪法与超声波法同步测流的方法。为保证测流结果的可靠性，测试流量的范围从渠道最小流量到最大流量，进行多个工况的测流比较。
三县引水明渠监测站水面较宽，约在10~12m，本次实测采用3部旋浆式流速仪，6人3组同时测量。断面设8条测速垂线，从渠道中间向两侧每隔1.1~1.4m设一条，在每条测速垂线上设2~6个测速点。为提高测量精度，每一部流速仪每一测次的测量时间不小于120s，每一个工况点测取3~4组读数，最后取其算术平均值作为测试结果。
超声波流量计选用一台明渠超声波4声道GER9000型超声波流量计，它由8只超声波流速传感器构成4个声道和两套声波水位计组成，精度±1.0%。明渠超声波流量计实际安装占用渠段长7m，监测站内同时安装二次仪表、数据采集等其它设备，水深、流速、瞬时流量、累积流量实时直接监测测出。正式测流前对超声波流量计进行了调试，主要是在渠道有水的情况（所有的换能器必须全部淹没于水中）下，进行流量计自检，然后检查各声道的工作情况。检查在静水和动水的情况下分别进行，而且静水检查非常重要，因为此时流量计测出的水流流速应为零，可以间接地检查流量计的准确性。一切正常后，流量计便可进入正常的测量状态，在最大测流工况时4声道工作，最小测流工况时为2声道工作。
图3 现场安装示图
明渠超声波流量计测流结果采用与流速仪法对应测流时段的累计水量值进行计算。
3.测流结果
流量测试结果表明，两种测流方法绝大多数工况的流量相对偏差小于-2%。且超声波法测量值均小于流速仪法测量值。
五、结语
通过两种方法的实测表明：超声波测流技术测量精度高，不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、性能稳定可靠、测量范围宽，操作安全，不影响渠道水流状态，可直接与微机结合，实现水情数据的实时监测和实时传送，为灌区水资源的优化配置和现代化管理打下了基础。
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