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大型引黄灌区超声波流量计的改进与应用研究

发布日期:2018-11-06 10:47:30  来源:  作者:  浏览次数:
【导读】: 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......

     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精确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。对灌区引水量实时精确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。
 
    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,其中时差法的应用最广泛。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,其中测流误差是最主要的因素,如何提高测流精度也是时差法超声波流量计的核心技术。
 
    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;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;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。此外,相关算法、双阈值比较法、能量变化率法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(>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,本文在传统的最小均方差时延估计的基础上,针对引黄灌区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,多年平均降水量仅有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,最高扬程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。
 
时差法超声波流量计工作原理
 
 
    其时间差可用下式表示:
 
20181105112515
 
 
    由公式1 和公式2 可得,时间差为:
 
20181105112533
 
    式中:C 是声波在非流动介质中的声速,V 是流体=介质的流动速度,X 是两个换能器在管线方向上的间距。与超声波的声速相比,液体流速一般远远小于声速,因此V/C 近似为0,上式可进一步简化为:
 
20181105112545
 
    即液体的流速为:
 
20181105112552
 
    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:
 
20181105112559
 
1.3 计量评价指标
    计量校准是量值传递和量值溯源最重要的手段,而测量不确定度是评价计量校准质量的重要指标。参考<< 中华人民共和国国家计量检定规程JJG1030-2007>>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
 
20181105112606
 
    式中: ij q 为第i 流量点第j 次校准时的对比流量计表示值(瞬时值); s ij (q ) 为第i 流量点第j 次校准时的对比流量计流量示值(瞬时值); ij E 为第i 流量点第j 次校准时对比流量计相对示值误差。
    b.流量点相对示值误差
 
20181105112612
 
    式中: i E 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
 20181105112622
 
 
    式中:Ei max 为对比流量计标准表各流量点相对示值误差中最大值。
    d.对比流量计标准表重复性
 
20181105112633
 
    式中:(Er)i 为标准表第i 流量点重复性。
    对比流量计测量偏差技术要求:
    a.流量系数计算
 
20181105112642
 
    式中: qsij为第i流量点第j次校准TP3 流量示值;qij为第i流量点第j次校准标准表流量示值;Fij为第i流量点第j次校准的流量系数。
    b.与TP3装置相比,标准表测量偏差计算
 
20181105112650
 
    式中: Fi为本次检验得到的第i 流量点标准表流量系数平均值;F0i为上次检验得到的第i 流量点标准表流量系数平均值;ei为标准表第i流量点测量偏差。
 
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。
    本研究从两方面改变声源的特性:1)声源强度的提高,通过改变声源的频率改变声源的强度。采用不同的频率流量计,对比分析了不同管径声强的大小,信号驱动及接受处理变送器采用KRCFLO MMC 智能型作为接受判断端设备;进而选择合适的声源的谐振频率,以提高信号强度。2)改变声源声导材料,减少声源声强损失。国内普遍使用的声导材料为聚砜,将聚砜替换成聚醚醚酮(peek),在特性上peek 中的声速值更接近金属材质中的声速,这样就可以减小进入介质前的声速能量损失,并在核心计算上考虑更小的偏差折射因素。同时为了保证声楔内压电陶瓷与粘合胶之间的耦合程度,采用螺纹封盖来实现陶瓷片挤压贴合。
 
    (2)选择合适的换能器安装方式
    根据声路数量(1、2、3、4 条声路),换能器安装方式与方法可分为Z 法、V 法、N 法和W 法。奇数声程(对角线模式,Z 法、N 法)中,传感器应安装在管路的相对侧;偶数声程(反射模式,V 法、W 法)中,传感器应安装在管路的同一侧。如图2 所示。
 
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。
 
1.5 试验监测与数据收集
    选取DN1400mm/1700mm 两种管道直径,1MHz、0.5MHz 和 0.2MHz 三种频率的压电陶瓷片超声波流量计及德国弗莱克森F601 便携式超声波流量计(通过检定,精度为0.5%;线性为0.15%)对管道内的流量、声强、介质声速、信号噪声、信号波动幅度和侦测失败率进行了监测,监测时段共20 个月,6 个周期,包括1 个春灌、2 个夏灌、2 个秋灌、一个冬灌。在传感器上内置入温度传感器PT100 以取得一定范围内的温度指示值。采用RS485 通讯方式将各采集点流量计数据集中到采集平台进行记录。
 
2 结果与分析
2.1 频率对传感器声强的影响分析
    通过对频率为1MHz、0.5MHz 和0.2MHz 的压电陶瓷片,管径为DN1400 mm/1700 mm 两种管路内的超声波声强进行监测,结果见表1。实际测试结果表明,1MHz 的传感器除了强度及接收质量相对较低,难以保证测量的需要,在试验过程中信号中断也比较严重;0.5MHz 及0.2MHz 完全没有中断,而且接收强度及质量也非常稳定。因为对于同一介质,声波频率越低,传播距离则越远。但以一较高频率对结构松散、密度差的介质作声波探测时,由于该介质中存在着折射、绕射以及可能出现的多次反射和散射等现象,至使高频率声波无法按原有射线方向传播,声速衰减快,探测无法进行。如降低探测声波的频率,使波长加大,其声波便可穿透较大距离,从而使声强衰减变小,因此可通过降低探测声波的频率,保证信号的质量,提高计量的精度。此外,由表1 也可以看出,随着管径的增大,声强有所降低。
 
管径与压电陶瓷片频率的声强对比
表1 管径与压电陶瓷片频率的声强对比
 
    为进一步分析不同频率及声导材料更换改进后的超声波流量计对测量结果的影响,以德国弗莱克森F601 便携式超声波流量计(通过检定,精度为0.5%;线性为0.15%)为参照;将改进后的流量计和参照流量计在管道直径DN1700mm,材质为碳钢的引水管道上进行应用验证,结果见表2。可以看出,改进后的两种传感器信号强度持续稳定,可以保证设备工作的要求,没有出现信号源中断情况。
 
表2 不同频率压电陶瓷传感器的验证分析表
不同频率压电陶瓷传感器的验证分析表
 
    综上所述,针对大型引黄大型灌区大口径引水管道内流量的监测,超声波流量计改进措施包括改变声导材料,减少声源声强损失;采用低频率传感器器件,减少超声波在传播介质中的声强衰减。
 
2.2 介质特性对超声波计量的影响与修正分析
    黄河水自身的水质变化在各个灌溉时间,差距也比较大;尤其夏季黄河水含泥沙量增大,同时夏季水中滋生物也会增多;所以夏季黄河水的水质最差。春夏秋冬四季水温也有一定差异,从而导致了流量计计量可能存在较大偏差,为了了解不同季节条件下黄河水特性对超声波计量的影响,对春灌、夏灌、秋灌和冬灌进行了流量监测,结果见表3。由表3 可以看出,夏季侦测失败率较其他季节高,其他三个季节差异较小;信号波动幅度和信号噪声在四个季节中基本一致,信号噪声和信号波动幅度,基本趋于稳定,完全可以满足测量精度要求。因此,夏季水质对超声波的影响最大。
 
表3 不同季节灌溉水介质特性对超声波计量的影响
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。
    为了分析不同季节介质温度对超声波的影响,对比分析了实测介质声速和实际声速,见表4,可以看出,秋季及冬季由于水温较低,所测量的声速与实际声速差异较大,春季和夏季差异相对较小,但整体上看测量的介质声速与实际声速相比均偏低。
 
表4 考虑介质温度影响的声速修正分析表
考虑介质温度影响的声速修正分析表
 
    针对不同季节水温对计量精度的影响,采取的改进措施是在变送器的嵌入式软件中加入温度曲线修正作为补偿,同时将实测到的介质内传播声速作为声速修正参考值,对传感器测量的声速进行修正;结果如表4。经温度曲线修正后,变送器计算的声波传导声速更接近实际值。
     设备调整改进后,以DN1700 mm 管线四个不同季节的灌溉水量进行了监测,结果见表5。
 
表5 改进后超声波计量结果验证分析表
改进后超声波计量结果验证分析表
 
    由表5 可以看出,信号的波动幅度大幅度减小,侦测失败率也大幅度降低。信号更加稳定,测量结果得到了有效改善。
 
2.3 改进后超声波流量计应用与测评研究
    选择安装有已校验的0.5%标准超声波流量计的管道进行对比试验,包括单台大机和机组(一台大机+一台小机)工作状态下的流量监测。采用RS485 通讯方式将各采集点流量计数据集中到采集平台进行记录,并配备时间定时器以保证最小同步时间差,采集间隔为10 min,采集时长为60 min;采集量以累积量标准进行对比,结果见表6,可以看出,设备的相对误差(准确度)得到了大幅度提升;为了验证设备在不同流量点的重复性,增加一台机组继续进行对比,以验证设备的稳定性。
 
表6 改进后超声波计量在单台大机上的应用
改进后超声波计量在单台大机上的应用
 
    由表7 可以看出,设备的相对误差范围没有因为流速和机组的改变而发生变化,其重复性较好。
 
表7 改进后超声波计量的应用
 改进后超声波计量的应用
 
    对表2、表5 和表6 误差进一步分析可知,调整后和调整前的误差范围以及平均误差均得到大幅度减小,平均误差降低了0.3%,修正误差减小了60%;测量误差不确定波动范围减小了50%以上,重复性趋于稳定;在保证测量信号能力的前提下,更接近实际测量的真实值标准,结果见表8。
 
表8 改进前误差及重复性评价表
改进前误差及重复性评价表
 
3 结 论
    针对引黄灌区引水量大,引水管道口径大,灌溉水泥沙含量大及季节性变化大等特点对超声波流量计计量精度造成的不利影响,本文基于超声波流量计的原理、材料和计算等技术对其进行了研究与改进,并通过监测试验对改造结果进行了验证和评价。得到主要结论有:
   (1)采用低频率,并更换声导材料可以有效提高声源的声强质量,减少声衰减;
   (2)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;
   (3)夏季侦测失败率较其他季节高,DSP 的介入可增加源信号处理量,并缩短有效计算周期的时间,从而消除由于泥沙含量变化所带来的散射声源损失,提高计量精度。可采用温度修正曲线减小温度对测量精度的影响;
   (4)通过一系列技术试验数据比对,证明技术改进方案可以有效地减少测量误差,实现在大口径黄河水应用上超声波的检测信号能够长时间的取得并提供基础测量量级需要。
    综上所述,本文所进行的技术改进为大管径黄河含沙水精确测量与应用奠定了科学基础。

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