大型引黃灌區超聲波流量計的改進與應用研究

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，上海自儀公司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。

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?？刹捎脺囟刃拚€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，上海自儀公司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。