超声波明渠流量计的原理及其应用

　　　随着工业、农业和城市及农村的快速发展，各方面的用水量都在持续增长;加之，水资源污染越来越严重，能够直接使用的水资源缺口越来越大。

　　继南水北调工程全面启动后，我国各大、中城市相继开展了以解决城市饮用水为主的引水工程建设，农村也在大量兴建安全饮水工程。水已经成为制约经济发展和影响人民生活的重要商品，为了节约用水，渠道流量的准确计量就显得越来越重要。

　　测量渠道流量的方法有两类。①只测量液位的堰槽式测流，如薄壁堰、宽顶堰、巴歇尔量水堰、无喉道量水堰等。②同时测量流速、液位(截面积)的渠道式超声波流量计测流。传统的堰槽测流因为直接实测流速比较困难，所以在渠中设置适当的标准堰或槽来进行测量。这种测量方法只需在一定位置测出液位即可计算出流量。因为液位与堰或槽所流出的液体体积流量成函数关系，因此通过相应计算公式，就能算出液体的瞬时和累积流量。

　　本文述及的超声波明渠流量计，是通过测量液体的平均流速和液位(截面积)来计算流量值的超声波流量仪表。超声波明渠流量计可应用于如下场合：

　　①引水/输水工程;②雨水排放监测;③排污监测;④水利工程等。

　　1 工作原理

　　超声波明渠流量计计量原理比管道式流量计计量方法复杂。它要针对具有不同尺寸、不同材质的渠底、渠壁和自由液面，不但断面形状各异，而且水平和垂直流速分布不同，流态复杂。但是，也有共同点，就是都要通过测量平均流速和液位(截面积)来计算流量。平均流速的测量可采用多普勒法和时差法来测量。液位的测量方法可采用超声波液位计和声波液位计、压力式液位计、气泡式液位计。超声波液位计测量方法如图 1 所示。

　　目前国内外普遍采用超声脉冲回波法。由超声换能器向液面垂直发射声脉冲，声波遇液面返回，被同一换能顺路所接收，经放大器放大后，由一阈值电路检测出第一个回波周期到达的时间与发射脉冲间的时间间隔t，则液面与超声换能器的距离 l 按下式计算：

　　式中：c———空气中的声速，c=331.4+0.6T(m/s);T———摄氏温度，331.4 m/s 为 0 ℃时的声速。于是，液位 H=h-l。

　　超声波液位计所使用的超声换能器工作频率为 50～200kHz;量程为 0.2～(5～10)m;准确度为(0.25～0.5)%FS。

　　2 基本构成和基本技术性能

　　超声波明渠流量计通常有单声道、两声道和多声道(3声道以上)。由测流速换能器、液位换能器、接线盒、控制器及电缆组成(图 2)。断面形状及声道布置方式如图 3 所示。