一体化超声波多层测流设备在引洮灌区中的研究与应用

郭天德; 焦小成; 李文新; 程焱钊; Tian-de GUO; Xiao-cheng JIAO; Wen-xin LI; Yan-zhao CHENG

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (10) : 168-174.

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Application of Integrated Multi-layer Ultrasonic Flow Measurement Equipment in Irrigation Area of Taohe River Diversion Project

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摘要

基于传统明渠测流方法中存在的误差大、测量结果不准确、测量方法复杂不利于推广等问题，针对明渠测流自身的特点，结合引洮供水工程智能水量计控系统建设项目，系统研究了一种基于断面平均流速法的超声波多层测流技术，创新性采用了一体化整体封装设计保证了测流技术的稳定性和精确度。着重介绍了超声波多层测流技术的计算原理、设计结构及工程应用实例。通过将研究成果应用于引洮灌区明渠计量工作中，效果良好。

Abstract

Based on the problems existing in traditional open channel flow measurement methods， such as large error， inaccurate measurement results， complex measurement method， which is not conducive to popularization， and in view of the characteristics of open channel flow measurement， combined with the construction project of intelligent water metering and control system of Taohe water supply project， a rectangular multi-layer ultrasonic flow measurement technology based on cross-section average velocity method is systematically studied， and the integrated whole package is adopted innovatively. The design ensures the stability and accuracy of flow measurement technology. The calculation principle， design structure and engineering application examples of rectangular multi-layer ultrasonic current measurement technology are emphatically introduced. Through the application of the research results to the open channel measurement in Taohe Irrigation Area， the application effect is good.

关键词

超声波 / 多层测流 / 积算原理

Key words

ultrasonic wave / multi-layer flow measurement / accumulation principle

基金

甘肃省水利科学试验研究项目(甘水建管发［2020］46号)

甘肃省引洮工程建设管理局科研项目(YT-ZX-2020-43)

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郭天德 , 焦小成 , 李文新 , 程焱钊. 一体化超声波多层测流设备在引洮灌区中的研究与应用[J].中国农村水利水电, 2021(10): 168-174

Tian-de GUO , Xiao-cheng JIAO , Wen-xin LI , Yan-zhao CHENG. Application of Integrated Multi-layer Ultrasonic Flow Measurement Equipment in Irrigation Area of Taohe River Diversion Project[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(10): 168-174

0　引言

对量水技术和设备的研究最早始于19世纪20年代，经过Parshall等人的努力，量水堰和量水槽在灌区量水中得到了初步应用。20世纪50年代以后，由于量水要求日趋迫切，对量水技术和设备的研究有了更多进展，与早期灌区所用较为单调的量水设备相比，现在的量水设备无论在种类上和规模上都得到了

很大发展。1987年国际灌排委员会把“水量量测与调节”这一课题纳入其工作计划之中，其后由于单板机及计算机的普及和推广，一大批用于灌区自动化量水的观测仪表相继问世。以美国为例，人饮和灌溉管理技术是一种以自动化控制和计量为主要内容的综合性多学科的管理手段。自20世纪80年代以来，美国一直致力于自动化控制在人饮供水、灌溉管理技术中的研究与应用，用水数据如瞬时流量、累积流量、水压、水质等可以在控制中心运用大型数据库进行记录和报表分析，形成了强大的自动控制和计量系统。

我国灌区从20世纪50年代即已开始采用量水方法做流量和水量测验，经过四、五十年的发展，在灌区水量计量方面形成了比较成熟的技术。目前，灌区渠系水量计量方法可以归纳为4类：①利用水工建筑物量水，即通过量测水工建筑物进、出水侧的水位差和建筑物流量系数，计算通过的流量和累计水量；②利用流速仪量水，通过量测标准渠道断面水位和特征点的流速，推求过水断面平均流速，计算渠道过水流量及累积水量；③特设量水设备量水，一般包括量水堰和量水槽，也包括分流式量水计和CST型渠道系统水表等；④新型量水设备，如转轮式量水计、矩形箱涵量水计、电磁流量计、超声波流量计等^［1］。

本文在介绍基于断面平均流速法的超声波多层测流技术原理、硬件设计的基础上，根据超声波多层测流技术的特点及优势，通过引洮供水工程智能水量计控系统项目的实际应用，介绍了该项技术在明渠流量测定应用情况，以期为超声波多层测流技术的实际应用提供一些有益的参考，为引洮供水工程智能水量计控成果积累经验。

1 一体化超声波多层测流设备

1.1 原理结构

如图1所示，一体化超声波多层测流设备的过流断面是一个标准的矩形，利用超声波时差法原理，通过多层分布的超声波换能器来时间测量明渠中不同水层的流速，结合超声波液位测量，利用“速度-面积积分法”计算，得到精准的断面流量^［2］。

图1 多声道时差法明渠测流原理结构

Fig.1 Principle structure of multi-channel time difference method for open channel flow measurement

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1.1.1 矩形渠道流速分布规律

由于设备整体采用304不锈钢材质，可以认为是一段光滑边界的矩形渠道。根据胡春宏^［2］等人的研究，对于矩形明渠，整个断面最大流速必然在中垂线上，随着靠近渠底和边壁，流速逐渐减小。当宽深比（B/H）>10时，最大流速发生在水面，随着宽深比减小，最大流速位置下移，但其位置总是高于0.5倍的水深。以上表述可以用图2来直观表达。

图2 矩形明渠不同宽深比时流速分布

Fig.2 Velocity distribution of rectangular open channel with different width depth ratio

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根据超声波时差法的测流原理，实际测量到的并非某一点的流速，而是超声波所过路径的水流平均流速。在测流设备所覆盖的距离内，某一平面沿水流方向的流速可以近似认为是固定的，所以超声波所测得的流速可以代表断面测量水平方向的平均流速。

1.1.2 水层平均流速在垂直方向的分布

为研究不同水位下矩形渠断面各水层平均流速的分布，在室内实验室搭建实验水槽进行相关实验记录。水槽为金属材质，宽0.8 m，高1 m，长20 m，坡降比为1 000∶1。实验水源由变频水泵提供。

通过调节供水变频泵流量，将渠道水位分别控制在0.1、0.35、0.6 m附近，进行3组实验。实验中水位由超声波液位计测量，水层平均流速由外夹式超声波流速仪测量，水流表面流速由雷达流速仪测量。每组实验中，分别取相对水深（y/h）为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0（表面）处进行测量，实验数据见表2，绘制曲线如图3所示。

表1 平均流速实验测试数据

Tab.1 Experimental test data of average velocity

实验水位/m	实验流速/（m·s^-1）	y/h	水层平均流速/（m·s^-1）
0.98	0.073 5	0.2	0.065 2
		0.4	0.076 6
		0.6	0.079 1
		0.8	0.080 0
		1.0	0.081 4
0.36	0.157 6	0.2	0.132 9
		0.4	0.154 7
		0.6	0.158 6
		0.8	0.160 2
		1.0	0.164 6
0.63	0.239 2	0.2	0.217 1
		0.4	0.243 7
		0.6	0.247 5
		0.8	0.246 1
		1.0	0.237 7

表2 实验测试数据

Tab.2 Experimental test data

实验水位/m	实验流量/（m³·h^-1）	测量流量/（m³·h^-1）	相对误差/%
0.34	151	148	-1.99
0.36	168	164	-2.38
0.38	189	192	1.59
0.40	210	215	2.38
0.42	232	238	2.59
0.44	251	250	-0.40
0.46	267	263	-1.50
0.48	288	295	2.43
0.50	312	321	2.88
0.52	331	341	3.02
0.54	349	355	1.72
0.56	367	376	2.45
0.58	388	396	2.06
0.60	412	422	2.43
0.62	426	437	2.58

图3 实测平均流速曲线

Fig.3 Measured average velocity curve

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可见，在接近底部的黏性层，流速减缓的趋势较为明显。在实际渠道中，靠近底部的水流中又常常伴有石子、泥沙等杂质，其测量难度大，数据可靠性低。所以在实际计算时，将黏性层的测量忽略，只进行理论值上的率定。在0.1~0.6 m的常用水流测量范围内，曲线的线性较平稳，合理分配超声波探头的间距即可得到有效的测值进行流量积算。

1.2 流量计算数学模型

矩形明渠某一层流的测量结构简化图如图4所示，渠宽为D，超声波路径长度为L，顺流传播时间为

T_{u}

，逆流传播时间为

T_{d}

，超声波路径与渠道轴线夹角为θ。

图4 超声波时差法测量原理

Fig.4 Measuring principle of ultrasonic time difference method

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根据超声波时差法测量原理^［3］，液体流速

v

可以表示为：

v = \frac{C_{0}^{2} ∙ ∆ t}{2 L ∙ c o s θ}

（1）

式中：

C_{0}

为超声波在静止水中的传播速度，

∆ t = T_{u} - T_{d}

。可知

c_{0} = \frac{L}{T}

，其中，

T = (T_{u} + T_{d}) / 2

。

即

c_{0} = \frac{2 L}{T_{u} + T_{d}}

（2）

将式（2）代入式（1），可得：

v = \frac{L ∆ t}{2 T^{2} c o s θ} = \frac{s i n θ ∆ t}{2 T^{2} D c o s θ}

（3）

通过测量某一层水流线上超声波传播的

T_{u}

与

T_{d}

，由式（3）可计算出该水流线的平均流速，再用积分方法进行流量计算^［5］。如图5所示，过水断面是矩形，设底边宽度为W，实际液位高度为H，根据水力学流量计算原理，采用面积流速分层积分可计得出实际流量Q：

Q = H W \int_{0}^{H} v (h) d h

（4）

图5 流量积算示意图

Fig.5 Flow accumulation diagram

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由图3可知，

v (h)

无法用确定的函数表述，式（4）的积分有困难。所以用积分近似计算公式，将式（4）转化为：

Q = H W \sum_{i = 0}^{n} P_{i} v (h_{i})

（5）

式中：

h_{i}

表示积分节点；

v (h_{i})

是对应于节点所在声道水流的平均流速；

P_{i}

是对应于节点的权重系数。

在实际测量中，需要对声道分布位置进行求解，将声道分布位置代入积分公式中的节点式（5）才能作为式（4）的近似计算公式。由式（3）可知：

v (h_{i}) = \frac{s i n θ ∆ t_{i}}{2 D T_{i}^{2} c o s θ}

（6）

所以，矩形过流断面超声波多层测流的流量计算公式为：

Q = H W \sum_{i = 0}^{n} \frac{s i n θ ∆ t_{i}}{2 D T_{i}^{2} c o s θ} P_{i}

（7）

针对一段固定渠道，

H

、

W

、

D

为固化值，

t_{i}

、

T_{i}

由超声波测量系统实际测得。超声波路径与渠道轴线夹角

θ

，测流层分布位置和对应的加权积分系数需要进一步求解，以得到最佳的测量精度。

1.3 超声波换能器布局

1.3.1 超声波换能器在水平方向的分布

理论上，在超声波的有效测距内，L越长，则

T

与

∆ t

的值越大，对于计时芯片测得的时间越精确，最终测得的流速也更精确，相对应的

θ

角度则越小，但在实际应用中，需要考虑以下因素：

（1）受设备尺寸和成本限制，两个传感器的水平间距不可能过大，

θ

越大越有利于缩减设备尺寸。

（2）对于芯片的计算，公式越简化，越有利于进行高频率的计算。

综合以上因素，当选择

θ = 45 °

时，

s i n θ = c o s θ

，式（3）可以简化为：

v = \frac{∆ t}{2 T^{2} D}

（8）

目前所使用的主流计时芯片精度已达皮秒级，而随着第二代全数字TDC电路的普及，超声波的计量精度已经非常高。

θ

角度在一定范围内减小以增加的L长度带来的收益已经很小了。所以将

θ

角度定为45°已是一个非常优化的方案。实际布局中，为避免相邻超声波声道之间的干扰，会采用相互交叉的布局，如图6（a）所示，L ₁和L ₂表示相邻的两路超声波路径。

图6 换能器的分布

Fig.6 Transducer distribution

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1.3.2 超声波换能器在垂直方向的数量和分布

由式（7）可知，测量的声道数越多，计算出的流量越接近于真实值。参考图3中不同液位下的流速分布曲线，计算流量相对实际流量的误差与声道数关系曲线呈现指数关系，当声道数≤4时，相对误差随声道数增加显著减少；当声道数≥5时，相对误差随声道数增加减少变缓。

引洮工程中，所测流渠道的实际液位多数在0.1~0.6 m之间。测流层可以根据以下原则进行布设：

（1）0.1 m以下只设一组测流层，作为参考计算。

（2）0.1~0.4 m为主要水位变化区间，作为主要测流区域。该区域内测流层分布应较为密集。

（3）0.4 m以上测流层分布可相对稀疏，具体数量根据现场实际测流水位最大值决定。

综合考虑硬件成本、测流精度、以0.8 m宽矩形明渠为例，测流层的分布如图5（b）所示。实际应用中，应根据水位的变化范围，最大液位等因素确定测流层分布。

1.4 软件计算

根据测量系统的硬件结构，软件使用了模块化的设计思路，将整个软件工作拆分成多个任务，包括水位采集、流速采集任务、流量积算任务、显示任务、存储任务、通讯任务等。主程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

Fig.7 Main program flow chart

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1.4.1 时差测算

无论是流速还是水位的测量，核心在于超声波发送与接收时间差的测算。程序中主要是通过定时器的计数来实现，当超声波发送时启动计数，得到回波信号后停止计数。计时器的时间固定为1微秒，则该计数累加值就是回波的时差（单位：μs）。再根据时差法测量的原理，即可计算得出流速与水位数据^［4］。

1.4.2 温度补偿

水位的测量主要依据空气中的声速作为主要参数，而空气中声速受环境温度的影响较大，直接影响测量结果。所以需要进行温度补偿计算。

已知在0 ℃下的声速为331.45 m/s，环境温度为t，则该温度下的声速C可由下面公式得出：

C = 331.45 + 0.61 t

（9）

1.4.3 流量积算

根据式（7）可知，软件系统主要进行两种计算。一是通过测量超声波上下游时差

∆ t

，计算出对应声道所在流层的平均流速；二是对各层流速和面积进行积算，最终得出整个断面的流量Q。由式（7）和式（8）可得

Q = H W \sum_{i = 0}^{n} \frac{∆ t_{i}}{2 D T_{i}^{2}} P_{i}

（10）

按照超声波换能器的分布，不同流层的流速可表征该取样平面附近的面积的流速。

P_{i}

实际反映的是该流层的面积权重，则式（10）可变换为：

Q = W \sum_{i = 0}^{n} \frac{∆ t_{i}}{2 D T_{i}^{2}} ∆ h_{i}

（11）

式中：

∆ h_{i}

为相邻两层换能器之间的垂直距离。

1.5 矩形渠道实验数据分析

实验渠道为标准矩形断面，宽为0.8 m。实验水源为水泵循环供水，流量通过出口管道电磁流量计进行测量，分别对设备的水位和流量测量准确度进行测试。实验测试结果如表2所示。

由表2可知，各水位工况下实验和测量流量相对误差大部分在3%以内，相对误差平均值为1.32%，满足《取水计量技术导则》中，明渠输水时误差应≤±5%的规定^［6］。

2 工程实际应用

2.1 引洮工程中的应用

在引洮一期工程二干渠头寨支渠10处分水口，配合智能闸门已安装上述超声波多层测流设备。分布如图8所示。

图8 头寨支渠分水口分布图

Fig.8 Distribution of water diversion outlets of Touzhai branch canal

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其中1~5号分水口下游原来安装有三角量水堰。所以选用这5处超声波多层测流结果与量水堰测流结果进行对比。实验时通过调节主渠下游截止闸开度，控制主渠水位，分别记录下二者的测量数据。实测数据如图9所示。

图9 分水口实测数据对比

Fig.9 Comparison of measured data of water diversion outlet

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中国地质学会：中国地质学会，1999：6.

由以上测量结果比对可以看出。1~3号分水口，二者实测数据比较接近，4号和5号分水口实测数据相差很大。分析原因如下：

（1）1~3号超声波测量设备安装在渠道平直段，且前后有充足的平直距离，水流能平稳进入测量设备，既没有左右偏流，也没有渠道坡降形成的冲力。

（2）4号在坡度较大的坡面上安装，内部水流为湍流状态，直接影响超声波对流速和液位的准确计量。

（3）5号设备虽然也在渠道平直段，但距离坡道太近，水流在设备内冲击较大，流态混乱，造成超声波测流的数据波动巨大，无法形成有效的计量数据。

2.2 对比分析

对比实验室实验数据和实际工程中的运行数据，发现超声波测流设备在计量条件不太理想工况下（相对于传统计量方式），依然能较为准确的进行计量。但对于倾泻、浸淹、流态紊乱的工况同样无法进行有效计量，可见超声波多层测量设备同管道超声波流量计类似，需要满足基本的水力学安装条件，保证通过设备的水流态稳定、自由才能实现精准的计量。

2.3 超声波多层测流设备的安装

超声波多层测流设备的水力学安装条件如下：

（1）需要充足的上、下游长度来保证水流平缓，方可保证计量的精确性，一般要符合“前十后五”规则，即上游要有10倍渠宽的平直段，下游要有5倍渠宽的平直段。

（2）为保证超声波液位计的测量精度，设备安装时底部需要保持水平。

（3）施工时需要注意设备边框对水流的阻挡，避免设备内壁阻水造成的漩涡，特别是在“前十后五”的直渠段内，设备的进口、出口与渠道底部需要在同一平面，避免溅起水花影响液位计量。

如图10所示，其中列出了两种典型的安装方式。

图10 超声波多层测流设备安装示意图

Fig.10 Installation diagram of ultrasonic multi layer flow measuring equipment

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2.4 存在问题及改进建议

（1）针对低水位小流量的场景任无法精准计量。由于引洮工一期工程的特殊性，很多测点长期通过的水流远低于其设计标准。尤其对于水位低于10 cm的工况，使用超声波多层测流也无法进行精准的测量。建议针对这种特殊工况，对测点前后的渠道进行改建，使用复合型梯形渠，小流量走小渠道进行计量。

（2）设备功率过大。该技术使用了多组超声波探头，综合功率达到了20~40 W，这对于没有市电，采用光伏供电的场景，是一个很大的用电负载。可以从硬件上选择更加低功耗的超声波换能器，软件算法上选择最佳采集频率，通过水位判断实际起作用的超声波测流层，关闭空气中没有起作用的测流层电源，达到最优化的能源使用分配。

（3）算法上任有很大的开发空间。水力模型复杂多变，涉及因素非常多。今后可以考虑结合人工智能，针对每个具体测点进行动态率定，生成其特有的动态水力模型。

2.5 应用范围

引洮供水一期工程三条干渠总长为145.4 km，总控制灌溉面积1.267 万hm²（19万亩），斗农分水口共计113处，现场条件复杂，斗农口地形多样，而且在建设中还牵扯到征用农民耕地等问题，无法按照传统量水渠道规格进行施工建设。可用于引洮工程各输水隧洞流量和各矩形斗农口渠道水位高低变化范围较大的场景，解决目前用液位+流速标准断面法测流不够准确的问题。

3 技术特点和优势

超声波多层测流技术装置整体采用一体化设计，所有元器件封装在一个矩形中空的桶形不锈钢框架内。整体封装可做到较高的防护等级，保证内部电子元器件的安全可靠；液位传感器、超声波换能器等探头的安装位置相对固定，出厂时已满足了安装精度，保证测量数据的可靠稳定；无论实际渠道是否规整，一体化化设计可保证过流断面是一个标准的矩形断面；便于运输及安装。

3.1 技术对比

目前常用的明渠测流方式主要有量水堰槽法、表面流速法、水位率定法和断面平均流速法。

（1）量水堰槽法。量水堰槽法是传统的明渠计量方式，在普通渠道内安装量水堰槽，产生节流作用，通过测量水位，套用水位与流量的经验公式，计算出流量。常用的量水堰槽有巴歇尔槽、三角堰、矩形堰、无喉堰等。

该方法计量准确度取决于流态的稳定性、渠道粗糙度、坡降比精度等多种因素，在实际工程环境中很难到达实验室中的安装实验条件，往往误差较大。

（2）表面流速法。表面流速法是根据非接触式雷达测量的渠道表面流速和渠道水位计算出流量。这种方法具有测量稳定、安装便捷的优点，但只能测量水流的表面流速，而流实际上是分了无数个层来分层流动的，尤其当水位较深，流态不平稳时，测量值与实际流量误差较大。

（3）水位率定法。水位率定法通常是通过测量闸前、闸后水位，通过水位-流量模型计算出流量。这种方法最大缺点在于无法使用通用的数学模型，需要根据实际工况进行现场率定，得出具体的模型参数，现场调试工作量大，每个测点都不相同，不利于普遍推广应用。

（4）断面平均流速法。断面平均流速法是通过分层测量多个流层流速，得出过水断面平均流速，在根据水位得出过水断面面积，最终计算出实际流量。

相较于其他明渠测流方法，断面平均流速法是最接近于实际流量的测流方法，具有水位和流速测流区间大，准确度和稳定性高的优点。本文所述的多层流超声波测流也是基于此种方法。

3.2 技术优势

（1）智能的流量测定。通过超声波多层测流技术、测流装备的集成和信息采集、传输、处理、发布等多项技术的综合运用，构建一套面向农业灌区取用水量的自动监测、预警及信息发布智能水量计量系统。

智能水量计量系统形象、直观地为管理部门提供灌渠实时流量查询、报表管理等服务，确保管理人员迅速、及时、准确地掌握灌渠的流量、雨量信息，为农田水利管理工作提供有效支撑，提升农田水利信息化水平。随着超声波传感器的不断发展，它们将使灌区量水技术更加稳健、高效和安全。就目前的趋势而言，可以确信这项技术将有助于“智能灌区”的成熟发展。

（2）可靠的精准测流。超声波传感器技术的改进使它们更加精确和便宜，在减小尺寸的同时提高了可用性。凭借这些改进，它们将成为有效的流量测量技术，通过用超声波传感器替换掉原来的机械式流量计极大提高了测流的精度，且超声波测流技术没有任何机械的活动部件，确保了设备的高可靠性。

（3）集成人工智能和大数据分析技术。将灌区内各个超声波测流设备看作独立运转单元，当某台超声波测流设备设备的个别传感器等零部件故障时，虽然可以检测到渠道流量数据，但其精度与实际值偏离较大，往往不易被管理者发现。为了进一步提升测流数据的准确度，引入人工智能技术结合大数据分析技术，利用多种超声波测流设备提供的同一时间段、同一断面流量数据情况，可以及时发现故障设备、及时维修，为引洮灌区流量检测的精确度提供依据。

引洮灌区超声波测流技术中应用的人工智能和大数据提升流量检测精度的方法研究才刚刚起步，还有不同检测设备在不同环境下检测精度如何，几类设备相互结合，能否进一步提升智慧测流的融合度等很多问题值得深入研究探索。

4 结语

灌区用水的精准计量具有深远的意义，本文针对甘肃引洮灌区明渠计量遇到的问题，引入了一体化超声波多层测流设备。文中通过对测流原理的分析，并对室内试验和工程现场实际测流数据进行对比分析，总结了超声波换能器分布原则、适用场景、设备安装的水力学条件等实际问题。该技术成熟可靠，安装简单，施工速度快、成本低，可有效解决灌区计量工程复杂环境下设计施工困难，计量精度难以满足要求的问题，经济和社会效益显著，类似工程环境可参考应用。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

1	刘鸿涛，于明舟，龙昱帆，等. 灌区水量计量的方法与应用［J］. 东北水利水电，2019（9）：21-24，59，72. 本文引用 [1]

2	许苗苗，周义仁，李浩. 便携式矩形渠道自动测流装置的研究［J］. 中国农村水利水电，2016（1）：114-116，121. 本文引用 [2]

3	胡春宏，倪晋仁. 矩形明渠槽中断面紊流流速分布规律的初步研究［J］. 水利水运科学研究，1988（2）：27-36. 本文引用 [1]

4	刘香坤. 浅谈超声波测流技术在工程中的应用［J］. 中国水运，2019（6）：93-94. 本文引用 [1]

5	郭磊，梅林，邱静，等. 灌区计量率定物理试验研究方法探析及应用［J］. 水利信息化，2020（1）：50-55. 本文引用 [1]

6	李业彬，陈炳新，王国新，等. 水利部水资源司.取水计量技术导则：GB/T 28714-2012 ［S］. 北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2012：2-3. 本文引用 [1]

7	吴振峰，霍志丽. 超声波水位流量在灌区的应用［J］. 节水灌溉，2009（11）：68-70.

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1 一体化超声波多层测流设备
1.1 原理结构
图1 多声道时差法明渠测流原理结构
1.1.1 矩形渠道流速分布规律
图2 矩形明渠不同宽深比时流速分布
1.1.2 水层平均流速在垂直方向的分布
表1 平均流速实验测试数据
表2 实验测试数据
图3 实测平均流速曲线
1.2 流量计算数学模型
图4 超声波时差法测量原理
图5 流量积算示意图
1.3 超声波换能器布局
1.3.1 超声波换能器在水平方向的分布
图6 换能器的分布
1.3.2 超声波换能器在垂直方向的数量和分布
1.4 软件计算
图7 主程序流程图
1.4.1 时差测算
1.4.2 温度补偿
1.4.3 流量积算
1.5 矩形渠道实验数据分析
2 工程实际应用
2.1 引洮工程中的应用
图8 头寨支渠分水口分布图
图9 分水口实测数据对比
2.2 对比分析
2.3 超声波多层测流设备的安装
图10 超声波多层测流设备安装示意图
2.4 存在问题及改进建议
2.5 应用范围
3 技术特点和优势
3.1 技术对比
3.2 技术优势
4 结语
参考文献

收稿日期	出版日期
2020-12-22	2021-10-15
发布日期
2021-11-09

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摘要

Abstract

关键词

Key words

基金

引用本文

0 引 言

1 一体化超声波多层测流设备

1.1 原理结构

图1 多声道时差法明渠测流原理结构

1.1.1 矩形渠道流速分布规律

图2 矩形明渠不同宽深比时流速分布

1.1.2 水层平均流速在垂直方向的分布

表1 平均流速实验测试数据

表2 实验测试数据

图3 实测平均流速曲线

1.2 流量计算数学模型

图4 超声波时差法测量原理

图5 流量积算示意图

1.3 超声波换能器布局

1.3.1 超声波换能器在水平方向的分布

图6 换能器的分布

1.3.2 超声波换能器在垂直方向的数量和分布

1.4 软件计算

图7 主程序流程图

1.4.1 时差测算

1.4.2 温度补偿

1.4.3 流量积算

1.5 矩形渠道实验数据分析

2 工程实际应用

2.1 引洮工程中的应用

图8 头寨支渠分水口分布图

图9 分水口实测数据对比

2.2 对比分析

2.3 超声波多层测流设备的安装

图10 超声波多层测流设备安装示意图

2.4 存在问题及改进建议

2.5 应用范围

3 技术特点和优势

3.1 技术对比

3.2 技术优势

4 结 语

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参考文献

0　引言

4 结语