[发明专利]超声测流方法和装置

说明书

本公开提供的超声测流方法及装置，包括：在测流箱的测流断面上安装多个超声测速探头，每个超声测速探头用于测量超声波传播方向上多个流速测点的水流流速，每个超声测速探头的超声波传播方向相互平行、共面且与水流方向倾斜相交，流速测点均匀分布在整个所述测流断面上；当测流箱满流时，根据测流断面上流速测点的数量、每个流速测点处实测的沿超声波传播方向的水流流速以及环绕相应流速测点四周的垂直于水流方向的过流断面面积，得到测流箱测得的流量。本公开提供的超声测流方法及装置，可以在测流箱内满流、流态稳定、平顺的条件下，实现流量的精准测量。

技术领域

本公开属于水利量测技术领域，特别涉及超声测流方法和装置。

背景技术

随着农业现代化进程的推进，实现水资源节约集约利用，用水计量是基本的技术保障。

渠道输水是农业灌溉的基础设施。现有的输水计量方法和检测仪器多种多样，精度参差不齐，但水量测量的理论基础一致：在检测断面，某一时段通过的水量等于时段长乘以该断面的流量。因此，水量测量的基础是流量检测，而流量等于流速沿过流断面的积分，或者过流断面面积乘以断面平均流速，可见过流断面的流速测量是流量及水量测量的关键。

对于目前使用较多的满流测流箱式渠道流量测量设备，可用的流速测量技术主要包括旋桨流速仪、激光流速仪、粒子图像流速仪和超声流速仪，其中超声流速仪可用于浑浊水体，含沙量较低时测量不受影响，成本可控，具有良好的开发前景。

图1为我国西北各省区大型灌区使用的流量测量设备的常规超声测流装置，包括测流箱1-1、第一超声探头1-2和第二超声探头1-3。其第一超声探头1-2和第二超声探头1-3在同一水平轴线1-4上，且第一超声探头1-2和第二超声探头1-3相向安装在测流箱1-1的两侧边壁，安装超声探头的测流箱边壁处预留三棱柱形凹槽1-5，,使超声探头前端面与凹槽1-5的一个斜面相互齐平。该超声测流装置采用时差法测量水流断面平均流速，工作时首先分别由第一超声探头1-2发射、第二超声探头1-3接收声波，并检测声波在两个超声探头之间的传播时间δt₁；再由第二超声探头1-3发射、第一超声探头1-2接收声波，并检测声波在两个超声探头之间的传播时间δt₂。设两个超声探头的距离为L，声速为C，水流流速为V，声波传播方向与水流流速夹角为θ，当声波逆流和顺流传播时，声波在水体中的传播速度分别为C₁＝C-Vcosθ和C₂＝C+Vcosθ，在水中传播时间分别为δt₁＝L/C+ Vcosθ和δt₂＝L/C-Vcosθ，则顺流与逆流传播的时间差Δt＝δt₁-δt₂为：

由于水中的声速C远大于水流速度V，上式可进一步近似为：

因此，利用每一对超声探头可根据式(2)测出其安装高度处流体的线平均流速。沿测流箱高度布设多对超声探头，测出不同高度的线平均流速，根据各流速的加权平均值得出断面平均流速，再乘以过流断面面积可测得流量。

根据上述测量原理，现有的超声测量装置精度易受多种因素影响。例如，水体温度、含沙量的变化导致声速变化引起的误差，两个超声探头的计时系统不同步导致顺流与逆流时间差不准确引起的误差；同时，每对超声探头测得的流速是声波传播路径上所有水体的综合速度，该综合速度与真实线平均流速之间存在与流速分布形式有关的复杂差异，这种差异使流量测量误差随流态和流场而变化；同理，将线平均流速加权平均计算面平均流速时，权重系数(流体动力学修正因子)也随流态和流场而变化，导致测量误差的产生。

发明内容

公开旨在解决上述问题之一。

为此，本公开实施例提供了可以在测流箱满流且测流段流线与测流箱轴线平行时满足高精度测量流量要求的超声测流方法，包括：