超声测流方法和装置与流程

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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＝δt
1-δt2为：
[0006][0007]
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：
[0008][0009]
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。
[0010]
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。


技术实现要素：

[0011]
公开旨在解决上述问题之一。
[0012]
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：
[0013]
本公开第一方面实施例提供的超声测流方法，所述超声测流方法适于测流箱的超声测流，所述超声测流方法包括：
[0014]
在所述测流箱的测流断面上安装多个超声测速探头，每个所述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，每个所述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，所述流速测点均匀分布在整个所述测流断面上；
[0015]
当所述测流箱满流时，根据所述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。
[0016]
本公开第一方面实施例提供的超声测流方法，具有以下特点及有益效果：
[0017]
本公开第一方面实施例提供的超声测流方法，可以较为方便的安装在灌溉沟渠的测量断面，当测流箱满流且测流段流线与测流箱轴线平行时，实现流量的精准测量。
[0018]
在一些实施例中，所述测流箱测得的流量按照下式计算得到：
[0019][0020]
其中，q为测流箱测得的流量；n为测流断面上流速测点的数量；vi为第i个流速测点处实测的沿超声波传播方向的水流流速，i＝1,2,
…
,n，且距超声测速探头最近的流速测点编号为1，其余依次增大；ai为环绕第i个流速测点四周的垂直于水流方向的过流断面面积；θ为超声测速探头的超声波传播方向与水流方向的夹角。
[0021]
在一些实施例中，所述超声测速探头通过以下步骤测量超声波传播方向上多个流速测点的水流流速：
[0022]
在每一个工作周期，所述超声测速探头按照发射频率发射脉冲超声波序列，每个脉冲超声波序列中包含至少1个超声波脉冲；
[0023]
所述超声测速探头接收回波信号序列，将所述回波序列等间隔划分为n段回波信号，计算每段回波信号相对于发射脉冲超声波的多普勒频移量，根据多普勒频移量计算每段回波信号对应水体中固体颗粒沿超声波传播方向的速度，即各流速测点处沿超声波传播方向的水流流速。
[0024]
在一些实施例中，所述发射频率介于1～10mhz之间。
[0025]
在一些实施例中，通过所述超声测速探头测量超声波传播方向上多个流速测点的水流流速时，将相同流速测点在连续m个工作周期中的回波信号作为整体样本进行多普勒频移计算，或将m个工作周期分别测得的水流流速的统计值作为测量的水流流速。
[0026]
本公开第二方面实施例提供的超声测流装置，适于测流箱的超声测流，所述超声测流装置包括：
[0027]
超声测速组件，包括安装在所述测流箱的测流断面上的多个超声测速探头，每个所述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，每个所述超声测速探头的超声波传播方向相互平行、共面且与水流方向以一定角度倾斜相交，所述流速测点均匀分布在整个所述测流断面；和
[0028]
超声信号处理模块，用于在每一个工作周期，控制超声测速探头发射脉冲超声波序列并接收回波信号序列，每个脉冲超声波序列中包含至少1个超声波脉冲；将回波信号序列等间隔划分为与流速测点数相同的若干段回波信号，计算每段回波信号相对于发射脉冲超声波的多普勒频移量，根据多普勒频移量计算每段回波信号对应水体中固体颗粒沿超声波传播方向的速度，即各流速测点处沿超声波传播方向的水流流速。
[0029]
在一些实施例中，所述超声测速组件还包括安装架、封堵于所述安装架顶部的盖板和封堵于所述安装架底部的隔水膜，在所述安装架的上部与所述盖板之间形成上水腔，在所述安装架的下部与所述隔水膜之间形成下水腔，所述安装架上设有用于将所述下水腔和所述上水腔连通的通水孔；多个所述超声测速探头倾斜设置在所述安装架上，所述超声测速探头的发射端位于所述下水腔中，所述超声测速探头的信号线穿过所述上水腔后从所述盖板穿出并与所述超声信号处理模块连接。
[0030]
在一些实施例中，所述金属隔水膜具有外翻边，所述外翻边嵌入所述安装架下部预留的槽中，并通过隔水膜压条压紧。
[0031]
在一些实施例中，所述测流箱顶部预留有安装位，所述超声测流组件嵌入所述安装位中，且所述超声测流组件的下平面与所述测流箱顶部的下平面齐平。
附图说明
[0032]
图1为现有超声测流装置的结构示意图。
[0033]
图2为本公开第一方面实施例提供的超声测流中流速测点的布设示意图。
[0034]
图3为本公开第二方面实施例提供的超声测流装置的结构示意图。
[0035]
图4为图3所示超声测流装置中超声测速组件的俯视图。
[0036]
图5为图3所示超声测流装置中超声测速组件的截面图。
[0037]
图6的(a)、(b)、(c)为图3所示超声测流装置中隔水膜的结构示意图。
[0038]
附图标记：
[0039]
1：进口连接构件；2：测流箱顶部；3：测流箱底部；4：超声测速组件4，4-1：安装架，4-2：盖板，4-3：上水腔，4-4：通水孔，4-5：信号线，4-6：填充物，4-7：超声测速探头，4-8：下水腔，4-9：隔水膜压条，4-10：隔水膜，4-10a：外翻边。
具体实施方式
[0040]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
[0041]
相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术精髓和范围上做的替代、修改、
等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
[0042]
本公开第一方面实施例提供超声测流方法，包括：
[0043]
参见图2，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，各超声测速探头的超声波传播方向相互平行、共面且与水流方向以一定角度倾斜相交，流速测点均匀分布在整个测流断面上；
[0044]
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。
[0045]
在一些实施例中，超声探头安装在测流箱的两侧壁或顶板上。
[0046]
在一些实施例中，测流箱测得的流量按照下式计算得到：
[0047][0048]
其中，q为测流箱测得的流量；n为测流断面上流速测点的数量；vi为第i个流速测点处实测的沿超声波传播方向的水流流速，i＝1,2,
…
,n，且距超声测速探头最近的流速测点编号为1，其余依次增大；ai为环绕第i个流速测点四周的垂直于水流方向的过流断面面积；θ为超声测速探头的超声波传播方向与水流方向的夹角。
[0049]
在一些实施例中，通过超声测速探头测量各流速测点处沿超声波传播方向的水流流速，包括以下步骤：
[0050]
在每一个工作周期，超声测速探头按照发射频率发射脉冲超声波序列，每个脉冲超声波序列中包含至少1个超声波脉冲；
[0051]
超声测速探头接收回波信号序列(由于超声波在水体中传播时不断被水体中悬浮的固体颗粒反射，因此超声处测速探头可持续不断地接收到回波信号，形成回波信号序列)，将回波序列等间隔划分为n段回波信号，计算每段回波信号相对于发射脉冲超声波的多普勒频移量，根据多普勒频移量计算每段回波信号对应水体中固体颗粒沿超声波传播方向的速度，即各流速测点处沿超声波传播方向的水流流速。
[0052]
在一些实施例中，发射频率介于1～10mhz之间。
[0053]
在一些实施例中，设超声测速探头前端沿超声波传播方向到对侧测流箱壁面的距离为 l，超声波在水中的传播速度为c，则超声测速探头接收的回波序列历时为：t＝l/c。
[0054]
在一些实施例中，按照下式计算每段回波信号对应水体中固体颗粒沿超声波传播方向的速度(设固体颗粒速度与水流流速一致)，即第i个流速测点处实测的沿超声波传播方向的水流流速vi为：
[0055][0056]
其中，fd为每段回波信号相对于发射脉冲超声波的多普勒频移量；fs为脉冲超声波的发射频率，第i个流速测点与超声测速探头前端面的距离li为：
[0057][0058]
在一些实施例中，为了提高流速测量精度，可将相同流速测点在连续m个工作周期中的回波信号作为整体样本进行多普勒频移计算，或将m个工作周期分别测得的水流流速的统计值(如进行平均)作为测量的水流流速。设超声测速探头发射声波脉冲的重复频率为 f，则测得的水流流速及流量采样频率为f/m。
[0059]
作为本公开的一个优选实施例，在测流箱测流断面的顶板安装8个超声测速探头，每个超声测速探头可测量超声波传播方向上10个流速测点的水流流速，超声测速探头的超声波传播方向与水流流向的夹角为45
°
。根据上述布置方法，测流断面上的流速测点数量n 等于80，则通过测流箱的流量为：
[0060][0061]
本实施例使用的超声探头发射频率fs为5mhz，每个脉冲超声波序列包含9个超声波脉冲，超声测速探头发射声波脉冲的重复频率f为100hz。测流箱顶部与底板的垂直距离为40cm，超声波传播方向与水流方向的夹角θ为45
°
，则超声测速探头前端沿超声波传播方向到对侧测流箱壁面的距离l为56.6cm。超声波在水体中的传播速度c＝1450m/s，则每个工作周期内每个超声测速探头接收的回波序列历时t＝390.3μs。将每个超声测速探头的回波序列划分为10段回波信号，利用快速傅里叶变换算法求得每段回波信号的多普勒频移量fd，则每段回波信号对应水体中固体颗粒沿超声波传播方向的平均速度为：
[0062][0063]
该速度对应的流速测点与超声测速探头之间的距离为：
[0064][0065]
为了提高流速测量精度，将相同流速测点在连续100个工作周期中的回波信号作为整体样本进行多普勒频移计算，对应的流速及流量采样频率1hz。
[0066]
本公开第二方面实施例提供的一种超声测流装置，适于测流箱的超声测流，参见图3，本公开实施例的超声测流装置包括：
[0067]
超声测速组件4，包括安装在测流箱的测流断面上的多个超声测速探头，每个超声测速探头可测量超声波传播方向上多个流速测点的水流流速，各超声测速探头的超声波传播方向相互平行、共面且与水流方向以一定角度倾斜相交，流速测点均匀分布在整个测流断面；和
[0068]
超声信号处理模块5，用于在每一个工作周期，控制超声测速探头发射脉冲超声波序列并接收回波信号序列，每个脉冲超声波序列中包含至少1个超声波脉冲；将回波信号序列等间隔划分为与流速测点数相同的若干段回波信号，计算每段回波信号相对于发射脉冲超声波的多普勒频移量，根据多普勒频移量计算每段回波信号对应水体中固体颗粒沿超声波传播方向的速度，即各流速测点处沿超声波传播方向的水流流速。
[0069]
本公开第二方面实施例提供的超声测流装置适于安装在测量箱上，测量箱包括测
流箱顶部2、测流箱底部3和两个侧壁，测流箱的进口端为与水工构筑物连接的矩形法兰盘，出口端与测流箱顶板3及底板4焊接为一体。测流箱顶板2、底板3和两个侧壁封闭形成矩形棱柱形过流腔体，测流箱顶板2、底板3和两个侧壁均为不锈钢板，腔体内壁平顺光滑，测流箱顶板2下游段预留超声测速部件4安装孔。
[0070]
在一些实施例中，参见图4和图5，超声测速组件4还包括安装架4-1、封堵于安装架 4-1顶部的盖板4-2和封堵于安装架4-1底部的隔水膜4-10，在安装架4-1的上部与盖板4-2 之间形成上水腔4-3，在安装架4-1的下部与隔水膜4-10之间形成下水腔4-8，安装架4-4 上设有用于将下水腔4-8和上水腔4-3连通的通水孔4-4；多个超声测速探头4-7倾斜设置在安装架4-1上，超声测速探头4-7的发射端位于下水腔4-8中，超声测速探头4-7的信号线4-5穿过上水腔4-3后从盖板4-2穿出并与超声信号处理模块5连接。
[0071]
在一个实施例中，测流箱顶部2预留有安装位，超声测流组件4嵌入该安装位中，超声测流组件4的下平面与测流箱顶部2的下平面齐平，实现超声测流组件4的固定。
[0072]
在一个实施例中，位于上水腔4-3和下水腔4-8之间的安装架4-1上设有8个直径均为1cm的超声测速探头4-4安装孔，各超声测速探头4-4斜向放置在相应的安装孔中，各超声测速探头4-4与相应安装孔的孔壁之间设有填充物4-6，以固定超声测速探头。各超声测速探头4-4的发射端均位于下水腔4-8中，超声波传播方向指向测流箱入口并与测流箱的轴线斜交。各超声测速探头的导线4-5穿过上水腔4-3并从盖板4-2上预留的相应通孔中引出，接入超声信号处理模块5。
[0073]
在一个实施例中，连接于上水腔4-3和下水腔4-8之间的通水孔4-4的直径为5mm，通过设置通水孔4-4，可保证本装置工作过程中，下水腔4-8始终处于充水状态，从而使超声波始终在同一种介质中传播。
[0074]
在一些实施例中，为避免下水腔4-8内产生平轴旋涡影响测量精度，在超声测速部件 4的下平面镶嵌一层不易变形、耐磨、不易锈蚀的金属、高分子材料或复合材料隔水膜4-10，形成封闭的下水腔4-8。优选地，金属隔水膜4-10的厚度为超声测速探头4-4发射的超声波波长的1/2，超声波将无反射地全穿透。在一个实施例中，超声波频率为5mhz，超声波波长为0.29mm，金属隔水膜4-10的厚度为0.145mm。
[0075]
在一些实施例中，金属隔水膜4-10的形状如图6所示，由不锈钢加工为具有外翻边 4-10a的矩形皿，将外翻边4-10a嵌入安装架4-1下部预留的槽中，再用图6所示的隔水膜压条4-9粘贴压紧，成型后的下平面与测流箱顶部2的下平面齐平。
[0076]
超声测速组件4封装完成后将其倾斜放置，从低端的通水孔4-4往下水腔4-8充水，完全排除下水腔4-8内的气体后将超声测速组件4放平，再将上水腔4-3充满水，加盖板 4-2密封。在盖板4-2上预留的信号线4-5通孔不做水密处理，可以自然调节水腔内的压力而又尽量减少水体蒸发。
[0077]
在一些实施例中，超声信号处理模块5包括电源子模块、脉冲发射子模块、回波接收子模块和信号处理子模块，与安装在安装架4-1上的各超声测速探头4-4通过信号线4-5 连接，以驱动超声测速探头4-4收发超声波信号，并根据超声波信号计算出每个流速测点的流速大小。
[0078]
进一步地，信号处理子模块还根据侧得的每个流速测点的流速大小，结合预设的测流箱尺寸计算通过测流箱的流量值，并将流量值实时存储和上传调度平台。
[0079]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0080]
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。