大型引黃灌區(qū)超聲波流量計(jì)的改進(jìn)與應(yīng)用研究

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，上海自?xún)x公司是保證引黃灌區(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)精確監(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。

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)用非常廣泛。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)流誤差是非常主要的因素，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)。

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；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；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。此外，相關(guān)算法、雙閾值比較法、能量變化率法等也被用來(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（>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)的非常小均方差時(shí)延估計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)引黃灌區(qū)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)。

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?？刹捎脺囟刃拚€(xiàn)減小溫度對(duì)測(cè)量精度的影響；

（4）通過(guò)一系列技術(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，證明技術(shù)改進(jìn)方案可以有效地減少測(cè)量誤差，實(shí)現(xiàn)在大口徑黃河水應(yīng)用上超聲波的檢測(cè)信號(hào)能夠長(zhǎng)時(shí)間的取得并提供基礎(chǔ)測(cè)量量級(jí)需要。

綜上所述，上海自?xún)x公司所進(jìn)行的技術(shù)改進(jìn)為大管徑黃河含沙水精確測(cè)量與應(yīng)用奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。