摘 要：為達(dá)到自動(dòng)監(jiān)控渠道水量和流量的目的，本文利用金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)對(duì)安裝于南水北調(diào)中線干渠分水閘處的超聲波流量計(jì)進(jìn)行了流量率定，依據(jù)金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)實(shí)測(cè)的流量與分水閘處超聲波流量計(jì)流量擬合相關(guān)關(guān)系模型，并對(duì)相關(guān)關(guān)系進(jìn)行三性檢驗(yàn)和誤差分析。分析結(jié)果表明，所建立的相關(guān)關(guān)系滿足定線整編的規(guī)范要求，具有良好的代表性，達(dá)到了流量計(jì)精度改善和提高準(zhǔn)確性的目的。

 

    金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)是唐山匯中儀表股份有限公司研制生產(chǎn)的一種采用外夾式多聲路換能器測(cè)量封閉管道內(nèi)液體流量的儀表，是以傳播速度差法（時(shí)差法）為基本原理的超聲波流量測(cè)量?jī)x表。該儀表由測(cè)量主機(jī)、SCL流量顯示分析儀、換能器及緊固裝置等部分組成。該流量計(jì)具有不需要停水安裝、安裝操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高、對(duì)各種復(fù)雜流態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)、可連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

 

    測(cè)量介質(zhì)是充滿被測(cè)管道的水、污水及其他均質(zhì)液體（懸浮含量≤10g/L），測(cè)量管徑為80～2 000mm，測(cè)量流速范圍為 0.2～12.0m/s，準(zhǔn)確度達(dá)到 0.5 級(jí)。該流量計(jì)符合《給排水用超聲波流量計(jì)》（CJ/T 3063—1997）、《管道式電磁流量計(jì)在線校準(zhǔn)要求》（CJ/T 364—2011）、《超聲流量計(jì)》（JJG 1030—2007）的要求。2018 年，利用國(guó)家認(rèn)定并經(jīng)過(guò)質(zhì)檢部門鑒定后的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)對(duì)安裝于南水北調(diào)中線干渠的某分水閘處的超聲波流量計(jì)進(jìn)行了率定，并通過(guò)所建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)分水閘處的超聲波流量計(jì)進(jìn)行了必要的修正，對(duì)測(cè)驗(yàn)資料及成果進(jìn)行分析與整編，以期改善分水閘處流量測(cè)驗(yàn)成果，得到高精度自動(dòng)監(jiān)控渠道水量和流量。 

 

    1 測(cè)量原理

    金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)以測(cè)量聲波在流動(dòng)均質(zhì)液體中的傳播時(shí)間與流量為測(cè)量依據(jù)。通常認(rèn)為，聲波在均質(zhì)液體中的實(shí)際傳播速度是由均質(zhì)液體靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度 cƒ 和流體軸向平均流速 vm 在聲波傳播方向上的分量組成。如圖1所示。順流和逆流傳播時(shí)間與各分量之間的關(guān)系公式如下：

 

 

    式中，tdown 為超聲波在均質(zhì)液體中順流的傳播時(shí)間； tup 為超聲波在均質(zhì)液體中逆流的傳播時(shí)間；L 為聲路長(zhǎng)度；cf 為超聲波在均質(zhì)液體中的傳播速度；vm 為流體軸向平均流速；ϕ 為聲路角

 

 

 

    2 率定實(shí)施情況

    2.1 基本情況

    南水北調(diào)中線干渠分水閘處與下游配套工程由地下暗涵和管道連接，為管道自流輸送，中間沒有明渠，率定過(guò)程中采用傳統(tǒng)的流速儀無(wú)法施測(cè)流量，且流量率定不能影響地方配套工程輸水管道已安裝內(nèi)置式（時(shí)差法）流量計(jì)，只能在輸水管道通過(guò)外夾超聲波管道流量計(jì)來(lái)施測(cè)流量。 

 

    2.2 儀器安裝工作

    安裝前需要收集確定安裝管路參數(shù)及安裝方式，明確管路外徑、管壁厚度、管壁材料、管內(nèi)襯厚度和管內(nèi)襯（防腐）材料，目前常用“Z方式”安裝；確定儀器安裝位置，量測(cè)水溫，設(shè)置參數(shù)，計(jì)算安裝距離；安裝管道上畫線確定“Z方式”安裝位置，在擬安裝探頭位置對(duì)管道表面防腐層進(jìn)行除銹和拋光，安裝并固定四聲路外夾探頭等；在SCL 流量分析界面進(jìn)行數(shù)字調(diào)試和波形調(diào)試，滿足儀器安裝質(zhì)量控制規(guī)定要求［1］。 

 

    2.3 率定方案

    率定期間，分水閘閘門開啟度保持在1 000mm；按輸水的流量級(jí)來(lái)布置測(cè)次，進(jìn)行同一時(shí)間段內(nèi)流量測(cè)驗(yàn)，收集同一固定安裝位置、不同流量級(jí)的30組實(shí)測(cè)流量資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相關(guān)關(guān)系模型，進(jìn)行精度檢驗(yàn)和流量改善分析；地方配套工程調(diào)流時(shí)，宜保持每個(gè)流量級(jí)穩(wěn)定2.0h，再調(diào)節(jié)下個(gè)流量級(jí)；采集時(shí)間間隔與分水閘超聲波流量計(jì)一致，均為15s一組數(shù)據(jù)，分析時(shí)流量單位均統(tǒng)一為m3/s。

 

    2.4 率定時(shí)間與資料范圍

    率定時(shí)間為 2018 年 6 月，實(shí)測(cè)有效流量測(cè)次為 231個(gè)，相應(yīng)流量級(jí)變化范圍為0.60～2.50m3/s。 

 

    2.5 相關(guān)模型的建立與分析

    2.5.1 分析方法。先繪制同期流量過(guò)程線對(duì)照?qǐng)D， 確定穩(wěn)定流量期，消除因水流傳播時(shí)間產(chǎn)生的延時(shí)；確定分水閘處流量計(jì)的流量與金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)施測(cè)的流量穩(wěn)定期時(shí)段，使用同期穩(wěn)定時(shí)段流量，建立相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。

 

 

    2.5.2 建立相關(guān)關(guān)系模型。資料分析采用時(shí)需要對(duì)偽值進(jìn)行剔除，為減少瞬時(shí)數(shù)據(jù)波動(dòng)，將數(shù)據(jù)按照30min平均，進(jìn)行平滑處理后，將本次收集的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量和分水閘處超聲波流量計(jì)數(shù)據(jù)，采用Excel線性回歸方程建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，利用相關(guān)關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)訂正，并進(jìn)行分析計(jì)算，如圖3所示。

 

 

    從圖 3 可以看出，兩者呈線性關(guān)系，相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為0.999 788 80。

 

 

    3 誤差分析

    根據(jù)已建立的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）和《水文資料整編規(guī)范》（SL247—2012）的規(guī)定［2，3］，計(jì)算擬合曲線符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)、曲線偏離的標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度，檢驗(yàn)已建立的數(shù)據(jù)模型是否能滿足規(guī)范的規(guī)定要求。

 

    由表 1 檢驗(yàn)結(jié)果可知，所擬定的關(guān)系曲線合理且有代表性，符合定線整編的要求。經(jīng)計(jì)算，改正前系統(tǒng)誤差為-1.5%，經(jīng)過(guò)所擬定的關(guān)系曲線改善后，標(biāo)準(zhǔn)差為0.6%，隨機(jī)不確定度為1.2%，系統(tǒng)誤差為0.0%。

 

    鑒于流量小、精度高的實(shí)際特點(diǎn)，所擬定的關(guān)系曲線符合《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）和《水文資料整編規(guī)范》（SL 247—2012）中二類精度水文站單一曲線法定線精度指標(biāo)的要求，即系統(tǒng)誤差≤2.0%，隨機(jī)不確定度≤10.0%。 

 

    4 結(jié)論

    分水閘處流量計(jì)率定采用外夾式SCL-83便攜式超聲波流量計(jì)，這是較為理想的方法之一，達(dá)到了南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局編制的《流量計(jì)率定項(xiàng)目實(shí)施工作方案（草案）》中“方案可行、精度可靠、成果可控”的要求。本次率定是在分水閘開啟度為1 000mm的狀態(tài)下進(jìn)行的，流量改善公式的適用范圍為：分水閘開啟度保持在1 000mm，流量保持在0～3.0m3/s。