引黃灌區是我國重要的農產品生產基地之一，在我國農業發展中具有不可替代的重要作用[1]。但引黃灌區也是我國水資源極度緊缺的地區，黃河水作為灌區的主要水源，是保證引黃灌區工農業持續發展的關鍵。對灌區引水量實時精確監測對于合理規劃與配置灌區水資源，優化灌區產業結構具有重要作用。

 

    灌區引水量的監測常采用流量計的方法，基于聲學原理的超聲波流量計因具有應用范圍廣、適用性強、測量精度高等優點，被廣泛地用于灌區引水量的實時監測，有效地提高了灌區水資源管理水平。但在大型引黃灌區，由于引水量大，引水管道口徑大，聲波的長行程衰減往往會產生無信號能力工作；此外黃河水在春夏秋冬四季當中泥沙及滋生物含量不同，超聲波的信號強度也會受到影響；同時因為雜質對聲波的阻斷和散失會丟失一部分原始數據，產生無信號狀態或測量標準大幅度降低；不同季節黃河水溫度和雜質含量也會呈現差別，超聲波的實際傳導速度與驅動及計算傳導速度在介質變化條件下也會有一定區別而影響其測量結果的穩定性；聲衰減或聲吸收的發生會對測量精度產生重大影響[3]。大口徑管道及高濁度水源導致超聲波流量計在大型引黃灌區的應用受到限制，不利于引黃灌區實現水資源高效利用和灌區信息化水平及水資源管理水平的提高。

 

    根據測量原理，超聲波流量計的測量方法分為時差法、多普勒效應法、相關法、噪聲法、波束偏移法等，其中時差法的應用非常廣泛。影響超聲波流量計時差法計量精度的因素主要有超聲波傳感器安裝精度、超聲波流量計的流量積分誤差和超聲波流量計的測流誤差3 個方面，其中測流誤差是非常主要的因素，如何提高測流精度也是時差法超聲波流量計的核心技術。

 

    目前國內外針對超聲波流量計測量精度的提高，開展了大量研究，例如：孟華等根據時差法超聲波流量計的基本原理，提出了一種多脈沖法的設計方案；段允等采用 53H 的改進算法能有效剔除由混響、電磁干擾等引起的誤差計量；國外研究人員采用過零檢驗電路和互相關算法等減少超聲波的傳播時間。此外，相關算法、雙閾值比較法、能量變化率法等也被用來提高超聲波流量計的測量精度。但大多數研究仍然處于仿真試驗階段，實際應用較少，且計算量較大。如何提高引黃灌區大口徑、高濁度等復雜條件下超聲波流量計的監測精度是一個迫切需要解決的科學問題。

 

    目前國內外大部分的用于水介質計量的超聲波流量計針對的介質往往為單一純凈介質，同時所使用的傳感器膜片由于驅動限制， 很難保證在大口徑（>DN1000mm)管路中信號的強度要求（如信號弱、信號中斷等）；溫度、粘度、濃度等補償因素在現有的產品上也沒有很好、很規范的應用。因此，本文在傳統的非常小均方差時延估計的基礎上，針對引黃灌區工程引水管道尺寸大、水質濁度高、溫度等因素復雜的特點，以景電灌區為例，采用工程措施和技術手段，有針對性的改進和提高超聲波流量計的計量精度，并進行觀測驗證；在此基礎上，采用粒子群算法，利用粒子群對延遲時間進行搜索的方法，對大口徑，高濁度條件下超聲波流量計計量精度進行了研究，取得了較好的應用效果，改善了傳統延估計中步長因子選擇和計算量大的問題，提高了超聲波流量計的計量精度，為灌區水資源高效利用、灌區信息化及水資源管理提供了科學依據。

 

1 材料與方法

1.1 研究區概況

    研究區位于甘肅省白銀市景電灌區，多年平均降水量僅有180 mm，多集中在七、八、九三個月，而年平均蒸發量3338 mm，冬春兩季多風，年平均風速為3.7 m/s，八級以上大風年均29 天。灌區日溫差大、日照長、蒸發量大、降水少，屬于典型的干旱大陸性氣候。景電灌區工農業生產主要依靠黃河提灌，整個景電灌區設計提水流量28.6 m3/s，加大流量33.0 m3/s，泵站43 座，裝機容量25.97 萬千瓦，非常高揚程713 m設計年提水量4.75 億m3。且夏季灌溉水源-黃河水含沙量較大。

 

1.2 時差法超聲波流量計工作原理

    時差法超聲波流量計的原理是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發超聲波，通過測量超聲波在介質中隨超聲波傳播速度而變化的逆流與順流的時間差△t 來確定被測流體的流速的，再通過流速來計算流量，時間差△t 與流速成正比關系，其比例系數即為流量修正系數。其工作原理如圖1 所示。其中管道的內徑為D，超聲波行走的路徑長度為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方向加角為θ。

 

 

 

    其時間差可用下式表示：

 

 

 

    由公式1 和公式2 可得，時間差為：

 

 

    式中：C 是聲波在非流動介質中的聲速，V 是流體=介質的流動速度，X 是兩個換能器在管線方向上的間距。與超聲波的聲速相比，液體流速一般遠遠小于聲速，因此V/C 近似為0，上式可進一步簡化為：

 

 

    即液體的流速為：

 

 

    由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。

    則流量Q 可以表示為：

 

 

1.3 計量評價指標

    計量校準是量值傳遞和量值溯源非常重要的手段，而測量不確定度是評價計量校準質量的重要指標。參考<< 中華人民共和國國家計量檢定規程JJG1030-2007>>標準；流量點測量相對示值誤差、對比流量計相對示值誤差和對比流量計重復性的本構方程計算公式如下：

    a.單次測量相對示值誤差

 

 

    式中： ij q 為第i 流量點第j 次校準時的對比流量計表示值（瞬時值）； s ij (q ) 為第i 流量點第j 次校準時的對比流量計流量示值（瞬時值）； ij E 為第i 流量點第j 次校準時對比流量計相對示值誤差。

    b.流量點相對示值誤差

 

 

    式中： i E 為對比流量計標準表第i 流量點相對示值誤差。

    c.對比流量計標準表相對示值誤差

 

 

 

    式中：Ei max 為對比流量計標準表各流量點相對示值誤差中非常大值。

    d.對比流量計標準表重復性

 

 

    式中：(Er)i 為標準表第i 流量點重復性。

    對比流量計測量偏差技術要求：

    a.流量系數計算

 

 

    式中： qsij為第i流量點第j次校準TP3 流量示值；qij為第i流量點第j次校準標準表流量示值；Fij為第i流量點第j次校準的流量系數。

    b.與TP3裝置相比，標準表測量偏差計算

 

 

    式中： Fi為本次檢驗得到的第i 流量點標準表流量系數平均值；F0i為上次檢驗得到的第i 流量點標準表流量系數平均值；ei為標準表第i流量點測量偏差。

 

1.4 時差法流量計改進措施與方法

    由公式（4）～公式（6）可知，超聲波流量計測得的流速與時間差和路徑有關，流量與管徑有關；要提高超聲波流量計的計量精度，需要從以下幾個方面改進：

    （1）提高超聲波流量計的信號強度

    由于西北引黃灌區景電灌區為電力提灌灌區，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，超聲波在介質中傳播時，由于介質對聲波的吸收、散射以及超聲波束自身的擴散因素，其強度隨傳播距離的增加會逐漸減弱，直徑越大的管道意味著強度的衰減會越嚴重，因此，保證超聲波流量計的信號強度能力是提高測量精度的基礎。聲強衰減的原因分為:介質對聲波能量的吸收而引起的衰減，即吸收衰減;介質中顆粒對聲波能量的散射引起的衰減，即散射衰減；由于聲波波束擴散而引起的衰減稱為擴散衰減；前兩類衰減取決于介質的特性，而后一類則由聲源的特性而引起。但由于傳播介質（黃河水）無法改變，因此只能通過改變聲源的特性來提高信號強度。

    本研究從兩方面改變聲源的特性：1）聲源強度的提高，通過改變聲源的頻率改變聲源的強度。采用不同的頻率流量計，對比分析了不同管徑聲強的大小，信號驅動及接受處理變送器采用KRCFLO MMC 智能型作為接受判斷端設備；進而選擇合適的聲源的諧振頻率，以提高信號強度。2）改變聲源聲導材料，減少聲源聲強損失。國內普遍使用的聲導材料為聚砜，將聚砜替換成聚醚醚酮(peek)，在特性上peek 中的聲速值更接近金屬材質中的聲速，這樣就可以減小進入介質前的聲速能量損失，并在核心計算上考慮更小的偏差折射因素。同時為了保證聲楔內壓電陶瓷與粘合膠之間的耦合程度，采用螺紋封蓋來實現陶瓷片擠壓貼合。

 

    （2）選擇合適的換能器安裝方式

    根據聲路數量（1、2、3、4 條聲路），換能器安裝方式與方法可分為Z 法、V 法、N 法和W 法。奇數聲程（對角線模式，Z 法、N 法）中，傳感器應安裝在管路的相對側；偶數聲程（反射模式，V 法、W 法）中，傳感器應安裝在管路的同一側。如圖2 所示。

 

 

 

    因超聲波傳播行程相對較長時信號穩定性相對較好，但同時產生信號強度衰減量增加；行程相對較短時，信號強度就相對較高，但不利于信號的穩定。但景電引黃灌區引水管道尺寸較大，超聲波單聲程距離也較大，因此，為減少超聲波傳播過程中的衰減，兼顧信號的穩定性，宜采用單行程的安裝方法（圖2（3）所示），以提高計量精度。

 

1.5 試驗監測與數據收集

    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及德國弗萊克森F601 便攜式超聲波流量計(通過檢定，精度為0.5%；線性為0.15%)對管道內的流量、聲強、介質聲速、信號噪聲、信號波動幅度和偵測失敗率進行了監測，監測時段共20 個月，6 個周期，包括1 個春灌、2 個夏灌、2 個秋灌、一個冬灌。在傳感器上內置入溫度傳感器PT100 以取得一定范圍內的溫度指示值。采用RS485 通訊方式將各采集點流量計數據集中到采集平臺進行記錄。

 

2 結果與分析

2.1 頻率對傳感器聲強的影響分析

    通過對頻率為1MHz、0.5MHz 和0.2MHz 的壓電陶瓷片，管徑為DN1400 mm/1700 mm 兩種管路內的超聲波聲強進行監測，結果見表1。實際測試結果表明，1MHz 的傳感器除了強度及接收質量相對較低，難以保證測量的需要，在試驗過程中信號中斷也比較嚴重；0.5MHz 及0.2MHz 完全沒有中斷，而且接收強度及質量也非常穩定。因為對于同一介質，聲波頻率越低，傳播距離則越遠。但以一較高頻率對結構松散、密度差的介質作聲波探測時，由于該介質中存在著折射、繞射以及可能出現的多次反射和散射等現象，至使高頻率聲波無法按原有射線方向傳播，聲速衰減快，探測無法進行。如降低探測聲波的頻率，使波長加大，其聲波便可穿透較大距離，從而使聲強衰減變小，因此可通過降低探測聲波的頻率，保證信號的質量，提高計量的精度。此外，由表1 也可以看出，隨著管徑的增大，聲強有所降低。

 

表1 管徑與壓電陶瓷片頻率的聲強對比

 

    為進一步分析不同頻率及聲導材料更換改進后的超聲波流量計對測量結果的影響，以德國弗萊克森F601 便攜式超聲波流量計(通過檢定，精度為0.5%；線性為0.15%)為參照；將改進后的流量計和參照流量計在管道直徑DN1700mm，材質為碳鋼的引水管道上進行應用驗證，結果見表2。可以看出，改進后的兩種傳感器信號強度持續穩定，可以保證設備工作的要求，沒有出現信號源中斷情況。

 

表2 不同頻率壓電陶瓷傳感器的驗證分析表

 

    綜上所述，針對大型引黃大型灌區大口徑引水管道內流量的監測，超聲波流量計改進措施包括改變聲導材料，減少聲源聲強損失；采用低頻率傳感器器件，減少超聲波在傳播介質中的聲強衰減。

 

2.2 介質特性對超聲波計量的影響與修正分析

    黃河水自身的水質變化在各個灌溉時間，差距也比較大；尤其夏季黃河水含泥沙量增大，同時夏季水中滋生物也會增多；所以夏季黃河水的水質非常差。春夏秋冬四季水溫也有一定差異，從而導致了流量計計量可能存在較大偏差，為了了解不同季節條件下黃河水特性對超聲波計量的影響，對春灌、夏灌、秋灌和冬灌進行了流量監測，結果見表3。由表3 可以看出，夏季偵測失敗率較其他季節高，其他三個季節差異較小；信號波動幅度和信號噪聲在四個季節中基本一致，信號噪聲和信號波動幅度，基本趨于穩定，完全可以滿足測量精度要求。因此，夏季水質對超聲波的影響非常大。

 

表3 不同季節灌溉水介質特性對超聲波計量的影響

 

    偵測失敗率，代表驅動和接收之間的損失量級比例，如果全部作為核算基礎數據的依據，則該比例明顯大于測量精度的使用要求。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的單片機+CPLD+FPGA 方式調整為單片機+ CPLD +DSP;通過數字信號處理DSP 的介入來增加更多的源信號處理量，并縮短一個有效計算周期的時間；通過改進，有效采樣頻率由原來500ms 縮短為200ms，單位時間內的有效采樣數量提高了2.5 倍，從而盡可能消除由于泥沙含量變化所帶來的散射聲源損失，提高了計量精度。

    為了分析不同季節介質溫度對超聲波的影響，對比分析了實測介質聲速和實際聲速，見表4，可以看出，秋季及冬季由于水溫較低，所測量的聲速與實際聲速差異較大，春季和夏季差異相對較小，但整體上看測量的介質聲速與實際聲速相比均偏低。

 

表4 考慮介質溫度影響的聲速修正分析表

 

    針對不同季節水溫對計量精度的影響，采取的改進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償，同時將實測到的介質內傳播聲速作為聲速修正參考值，對傳感器測量的聲速進行修正；結果如表4。經溫度曲線修正后，變送器計算的聲波傳導聲速更接近實際值。

     設備調整改進后，以DN1700 mm 管線四個不同季節的灌溉水量進行了監測，結果見表5。

 

表5 改進后超聲波計量結果驗證分析表

 

    由表5 可以看出，信號的波動幅度大幅度減小，偵測失敗率也大幅度降低。信號更加穩定，測量結果得到了有效改善。

 

2.3 改進后超聲波流量計應用與測評研究

    選擇安裝有已校驗的0.5%標準超聲波流量計的管道進行對比試驗，包括單臺大機和機組（一臺大機+一臺小機）工作狀態下的流量監測。采用RS485 通訊方式將各采集點流量計數據集中到采集平臺進行記錄，并配備時間定時器以保證非常小同步時間差，采集間隔為10 min，采集時長為60 min；采集量以累積量標準進行對比，結果見表6，可以看出，設備的相對誤差（準確度）得到了大幅度提升；為了驗證設備在不同流量點的重復性，增加一臺機組繼續進行對比，以驗證設備的穩定性。

 

表6 改進后超聲波計量在單臺大機上的應用

 

    由表7 可以看出，設備的相對誤差范圍沒有因為流速和機組的改變而發生變化，其重復性較好。

 

表7 改進后超聲波計量的應用

 

    對表2、表5 和表6 誤差進一步分析可知，調整后和調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%；測量誤差不確定波動范圍減小了50%以上，重復性趨于穩定；在保證測量信號能力的前提下，更接近實際測量的真實值標準，結果見表8。

 

表8 改進前誤差及重復性評價表

 

3 結 論

    針對引黃灌區引水量大，引水管道口徑大，灌溉水泥沙含量大及季節性變化大等特點對超聲波流量計計量精度造成的不利影響，本文基于超聲波流量計的原理、材料和計算等技術對其進行了研究與改進，并通過監測試驗對改造結果進行了驗證和評價。得到主要結論有：

   （1）采用低頻率，并更換聲導材料可以有效提高聲源的聲強質量，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安裝宜采用單聲程模式；

   （3）夏季偵測失敗率較其他季節高，DSP 的介入可增加源信號處理量，并縮短有效計算周期的時間，從而消除由于泥沙含量變化所帶來的散射聲源損失，提高計量精度。可采用溫度修正曲線減小溫度對測量精度的影響；

   （4）通過一系列技術試驗數據比對，證明技術改進方案可以有效地減少測量誤差，實現在大口徑黃河水應用上超聲波的檢測信號能夠長時間的取得并提供基礎測量量級需要。

    綜上所述，本文所進行的技術改進為大管徑黃河含沙水精確測量與應用奠定了科學基礎。