摘 要:为提高超声波流量计在大口径、高含沙引黄灌区应用过程中的计量精度,基于超声波流量计的原理,通过提高声源信号强度、减小传播衰减损失、修正温度曲线等方法对超声波流量计进行了改进。结果表明:频率为1MHz 的传感器声强强度及接收质量与 0.5MHz、0.2MHz 的传感器相比较低,信号中断严重;聚醚醚酮声导材料与聚砜声导材料相比声衰减较小;管道管径越大声衰减越大,大口径管道超声波流量计安装宜采用单声程模式;温度及泥沙等对计量精度有一定影响,且夏季侦测失败率较其他季节高;采用数字信号处理(DSP)可增加源信号处理量,缩短有效计算周期,消除由于泥沙含量变化所带来的散射声源损失;温度修正曲线能减小温度对测量精度的影响。研究结果可为大管径超声波流量计对黄河水的计量提供一定的技术支撑。
引黄灌区是我国重要的农产品生产基地之一,在我国农业发展中具有不可替代的重要作用[1]。但引黄灌区也是我国水资源极度紧缺的地区,黄河水作为灌区的主要水源,是保证引黄灌区工农业持续发展的关键。对灌区引水量实时监测对于合理规划与配置灌区水资源,优化灌区产业结构具有重要作用[2]。
灌区引水量的监测常采用流量计的方法,基于声学原理的超声波流量计因具有应用范围广、适用性强、测量精度高等优点,被广泛地用于灌区引水量的实时监测,有效地提高了灌区水资源管理水平。但在大型引黄灌区,由于引水量大,引水管道口径大,声波的长行程衰减往往会产生无信号能力工作;
此外黄河水在春夏秋冬四季当中泥沙及滋生物含量不同,超声波的信号强度也会受到影响;同时因为杂质对声波的阻断和散失会丢失一部分原始数据,产生无信号状态或测量标准大幅度降低;不同季节黄河水温度和杂质含量也会呈现差别,超声波的实际传导速度与驱动及计算传导速度在介质变化条件下也会有一定区别而影响其测量结果的稳定性;声衰减或声吸收的发生会对测量精度产生重大影响[3]。
大口径管道及高浊度水源导致超声波流量计在大型引黄灌区的应用受到限制,不利于引黄灌区实现水资源高效利用和灌区信息化水平及水资源管理水平的提高。
根据测量原理,超声波流量计的测量方法分为时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等,其中时差法的应用***广泛[4]。影响超声波流量计时差法计量精度的因素主要有超声波传感器安装精度、超声波流量计的流量积分误差和超声波流量计的测流误差 3 个方面,其中测流误差是***主要的因素,如何提高测流精度也是时差法超声波流量计的核心技术[5]。
目前国内外针对超声波流量计测量精度的提高, 开展了大量研究,例如:孟华等根据时差法超声波流量计的基本原理,提出了一种多脉冲法的设计方案[4]; 段允等采用 53H 的改进算法能有效剔除由混响、电磁干扰等引起的误差计量[6];国外研究人员采用过零检验电路和互相关算法等减少超声波的传播时间[7]。此外, 相关算法[8-9]、双阈值比较法[10]、能量变化率法[11]等也被用来提高超声波流量计的测量精度。但大多数研究仍然处于仿真试验阶段,实际应用较少,且计算量较大。如何提高引黄灌区大口径、高浊度等复杂条件下超声波流量计的监测精度是一个迫切需要解决的科学问题。
目前国内外大部分的用于水介质计量的超声波流量计针对的介质往往为单一纯净介质,同时所使用的传感器膜片由于驱动限制,很难保证在大口径
工程引水管道尺寸大、水质浊度高、温度等因素复杂的特点,以景电灌区为例,采用工程措施和技术手段, 有针对性的改进和提高超声波流量计的计量精度,并进行观测验证;在此基础上,采用粒子群算法,利用粒子群对延迟时间进行搜索的方法,对大口径,高浊度条件下超声波流量计计量精度进行了研究,取得了较好的应用效果,改善了传统延估计中步长因子选择和计算量大的问题,提高了超声波流量计的计量精度, 为灌区水资源高效利用、灌区信息化及水资源管理提供了科学依据。
1、材料与方法:
1.1、研究区概况:
研究区位于甘肃省白银市景电灌区,多年平均降水量 180 mm,多集中在七、八、九三个月,而年平均蒸发量 3338 mm,冬春两季多风,年平均风速为3.7 m/s,八级以上大风年均 29 天。灌区日温差大、日照长、蒸发量大、降水少,属于典型的干旱大陆性气候。景电灌区工农业生产主要依靠黄河提灌,整个景电灌区设计提水流量 28.6 m3/s,加大流量 33.0 m3/s, 泵站 43 座,装机容量 25.97 万千瓦,***高扬程 713 m, 设计年提水量 4.75 亿 m3。且夏季灌溉水源-黄河水含沙量较大。
1.2、时差法超声波流量计工作原理:
时差法超声波流量计的原理是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波,通过测量超声波在介质中随超声波传播速度而变化的逆流与顺流的时间差△t 来确定被测流体的流速的,再通过流速来计算流量,时间差△t 与流速成正比关系,其比例系数即为流量修正系数。其工作原理如图 1 所示。其中管道的内径为 D,超声波行走的路径长度为 L,超声波顺流速度为 tu,逆流速度为 td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为 θ。
图 1 时差法超声波流量计工作原理
Fig.1 Schematic diagram of transit time ultrasonic flowmeter principle
其时间差可用下式表示:
(>DN1000mm)管路中信号的强度要求(如信号弱、信号中断等);温度、粘度、浓度等补偿因素在现有的产品上也没有很好、很规范的应用。因此,本文在传统的***小均方差时延估计的基础上,针对引黄灌区由公式 1 和公式 2 可得,时间差为:
Δt » 2VX
c2
即液体的流速为:
(3)
式中:qsij 为
由此可见,流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
则流量 Q 可以表示为:
1.3、计量评价指标:
计量校准是量值传递和量值溯源***重要的手段, 而测量不确定度是评价计量校准质量的重要指标。参考 << 中华人民共和国计量检定规程 JJG 1030-2007>>标准;流量点测量相对示值误差、对比流量计相对示值误差和对比流量计重复性的本构方程计算公式如下:
a. 单次测量相对示值误差
式中:Ei 为对比流量计标准表第 i 流量点相对示值误差。
c. 对比流量计标准表相对示值误差
E = ± Ei max
式中:Ei max 为对比流量计标准表各流量点相对示值误差中***大值。
d.对比流量计标准表重复性
1.4、时差法流量计改进措施与方法:
由公式(4)~公式(6)可知,超声波流量计测得的流速与时间差和路径有关,流量与管径有关;要提高超声波流量计的计量精度,需要从以下几个方面改进:
(1)提高超声波流量计的信号强度
由于西北引黄灌区景电灌区为电力提灌灌区,多采用管道有压输水,灌溉引水量大,主干管管道多为大口径管道,超声波在介质中传播时,由于介质对声波的吸收、散射以及超声波束自身的扩散因素,其强度随传播距离的增加会逐渐减弱,直径越大的管道意味着强度的衰减会越严重,因此,保证超声波流量计的信号强度能力是提高测量精度的基础。声强衰减的原因分为:介质对声波能量的吸收而引起的衰减,即吸收衰减;介质中颗粒对声波能量的散射引起的衰减,即散射衰减;由于声波波束扩散而引起的衰减称为扩散衰减;前两类衰减取决于介质的特性,而后一类则由声源的特性而引起。但由于传播介质(黄河水)无法改变,因此只能通过改变声源的特性来提高信号强度。
图 2 换能器安装方法与方式示例
因超声波传播行程相对较长时信号稳定性相对较好,但同时产生信号强度衰减量增加;行程相对较短时,信号强度就相对较高,但不利于信号的稳定。但景电引黄灌区引水管道尺寸较大,超声波单声程距离也较大,因此,为减少超声波传播过程中的衰减,兼顾信号的稳定性,宜采用单行程的安装方法(图 2(3)所示),以提高计量精度。
2、结果与分析 :
2.1、频率对传感器声强的影响分析 :
表 1 管径与压电陶瓷片频率的声强对比
表 2 不同频率压电陶瓷传感器的验证分析表
2.2 、介质特性对超声波计量的影响与修正分析:
表 3 不同季节灌溉水介质特性对超声波计量的影响
侦测失败率,代表驱动和接收之间的损失量级比例,如果全部作为核算基础数据的依据,则该比例明显大于测量精度的使用要求。为了避免或尽量减少这种可能,将原有 KRCFLO MMC 的核心处理器由原来的单片机+CPLD+FPGA 方式调整为单片机+ CPLD + DSP;通过数字信号处理 DSP 的介入来增加更多的源信号处理量,并缩短一个有效计算周期的时间;通过改进,有效采样频率由原来 500ms 缩短为 200ms,单位时间内的有效采样数量提高了 2.5 倍,从而尽可能消除由于泥沙含量变化所带来的散射声源损失,提高了计量精度。