摘 要：為達(dá)到自動監(jiān)控渠道水量和流量的目的，本文利用金屬管轉(zhuǎn)子流量計對安裝于南水北調(diào)中線干渠分水閘處的超聲波流量計進行了流量率定，依據(jù)金屬管轉(zhuǎn)子流量計實測的流量與分水閘處超聲波流量計流量擬合相關(guān)關(guān)系模型，并對相關(guān)關(guān)系進行三性檢驗和誤差分析。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)到了流量計精度改善和提高準(zhǔn)確性的目的。

 

    金屬管轉(zhuǎn)子流量計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量封閉管道內(nèi)液體流量的儀表，是以傳播速度差法（時差法）為基本原理的超聲波流量測量儀表。該儀表由測量主機、SCL流量顯示分析儀、換能器及緊固裝置等部分組成。該流量計具有不需要停水安裝、安裝操作簡便、測量精度高、對各種復(fù)雜流態(tài)適應(yīng)性強、可連續(xù)工作時間長等優(yōu)點。

 

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

 

    1 測量原理

    金屬管轉(zhuǎn)子流量計以測量聲波在流動均質(zhì)液體中的傳播時間與流量為測量依據(jù)。通常認(rèn)為，聲波在均質(zhì)液體中的實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間； tup 為超聲波在均質(zhì)液體中逆流的傳播時間；L 為聲路長度；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，率定過程中采用傳統(tǒng)的流速儀無法施測流量，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（時差法）流量計，只能在輸水管道通過外夾超聲波管道流量計來施測流量。 

 

    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，量測水溫，設(shè)置參數(shù)，計算安裝距離；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管道表面防腐層進行除銹和拋光，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；按輸水的流量級來布置測次，進行同一時間段內(nèi)流量測驗，收集同一固定安裝位置、不同流量級的30組實測流量資料數(shù)據(jù)進行分析，建立相關(guān)關(guān)系模型，進行精度檢驗和流量改善分析；地方配套工程調(diào)流時，宜保持每個流量級穩(wěn)定2.0h，再調(diào)節(jié)下個流量級；采集時間間隔與分水閘超聲波流量計一致，均為15s一組數(shù)據(jù)，分析時流量單位均統(tǒng)一為m3/s。

 

    2.4 率定時間與資料范圍

    率定時間為 2018 年 6 月，實測有效流量測次為 231個，相應(yīng)流量級變化范圍為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。先繪制同期流量過程線對照圖， 確定穩(wěn)定流量期，消除因水流傳播時間產(chǎn)生的延時；確定分水閘處流量計的流量與金屬管轉(zhuǎn)子流量計施測的流量穩(wěn)定期時段，使用同期穩(wěn)定時段流量，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。資料分析采用時需要對偽值進行剔除，為減少瞬時數(shù)據(jù)波動，將數(shù)據(jù)按照30min平均，進行平滑處理后，將本次收集的金屬管轉(zhuǎn)子流量計的流量和分水閘處超聲波流量計數(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)系進行系統(tǒng)訂正，并進行分析計算，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)《河道流量測驗規(guī)范》（GB 50179—2015）和《水文資料整編規(guī)范》（SL247—2012）的規(guī)定［2，3］，計算擬合曲線符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗、曲線偏離的標(biāo)準(zhǔn)差和隨機不確定度，檢驗已建立的數(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)計算，改正前系統(tǒng)誤差為-1.5%，經(jīng)過所擬定的關(guān)系曲線改善后，標(biāo)準(zhǔn)差為0.6%，隨機不確定度為1.2%，系統(tǒng)誤差為0.0%。

 

    鑒于流量小、精度高的實際特點，所擬定的關(guān)系曲線符合《河道流量測驗規(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%，隨機不確定度≤10.0%。 

 

    4 結(jié)論

    分水閘處流量計率定采用外夾式SCL-83便攜式超聲波流量計，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《流量計率定項目實施工作方案（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。