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大型引黄灌区超声波流量计的改进与应用

发布时间:2019-04-16 16:57:24 浏览:

引黄灌区是中国重要的农产品生产基地之一.黄河水是保证引黄灌区工农业持续发展的关键.实时精确监测灌区引水量对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[1].

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;此外不同季节黄河水中的杂质和温度对超声波测量精度也会产生较大影响[2].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, 不利于实现水资源高效利用、灌区信息化水平及水资源管理水平的提高.

超声波流量计的测量原理及方法众多.其中时差法的应用最广泛[3].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[4].

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[3]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[5]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[6].此外, 相关算法[7]、双阈值比较法[8]、能量变化率法[9]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.

因此, 针对引黄灌区工程引水管道尺寸大、水质浊度高等因素复杂的特点, 文中以景电灌区为例, 采用工程措施和技术手段, 有针对性地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, 利用粒子群对延迟时间进行搜索的方法, 改善传统时延估计中步长因子选择和计算量大的问题, 提高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7, 8, 9月, 年平均蒸发量3 338 mm.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, 设计提水流量28.6m3/s, 加大流量33.0 m3/s, 泵站43座, 装机容量25.97万kW, 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Δt来确定被测流体的流速, 再通过流速计算流量, 时间差Δt与流速呈正比关系, 其比例系数即为流量修正系数.时差法超声波流量计工作原理如图1所示.

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

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   下载原图

图1中D为管道内径, L为超声波行走的路径长度, vu为超声波顺流速度, vd为逆流速度, θ为超声波的传播方向与流体的流动方向夹角.

其时间差可表示为

 

式中:C为声波在非流动介质中的声速;V为流体介质的流动速度;X为2个换能器在管线方向上的间距.

由式 (1) 和式 (2) 可得, 时间差为

 

与超声波声速相比, 液体流速一般远远小于声速, 因此V/C近似为0, 式 (3) 可进一步简化为

 

即液体的流速为

 

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

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:

1) 单次测量相对示值误差

 

式中:qij为第i流量点第j次校准时的对比流量计表示值 (瞬时值) ; (qsij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) ;Eij为第i流量点第j次校准时对比流量计相对示值误差.

2) 流量点相对示值误差为

 

式中:Ei为对比流量计标准表第i流量点相对示值误差.

3) 对比流量计标准表相对示值误差为

 

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.

4) 对比流量计标准表重复性为

 

式中: (Eri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:

1) 流量系数计算为

 

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.

2) 与TP3装置相比, 标准表测量偏差计算为

 

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

由式 (4) - (6) 可知, 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.由于景电灌区灌溉引水量大, 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吸收衰减、散射衰减、扩散衰减.前2类衰减取决于介质的特性, 但扩散衰减取决于生源特性, 由于传播介质 (黄河水) 无法改变, 因此可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) 通过改变声源的频率改变声源的强度. (2) 改变声源声导材料, 减少声源声强损失.用声速接近金属材质声速的聚醚醚酮 (peek) , 替换普遍使用的聚砜.改变声源声强损失.

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.

图2 换能器安装方法与方式示例Fig.2 Schematic diagram of transducer installation methods

图2 换能器安装方法与方式示例Fig.2 Schematic diagram of transducer installation methods   下载原图

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.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, 如图2c所示, 以提高计量精度.

1.5 试验监测与数据收集

选取DN1 400 mm/1 700 mm 2种管道直径, 1.0, 0.5, 0.2 MHz 3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、1个冬灌.在传感器内置温度传感器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1.0, 0.5, 0.2 MHz的压电陶瓷片, 管径为DN1 400 mm/1 700 mm 2种管路内的超声波声强SL进行监测, 结果见表1.研究结果表明, 1 MHz的传感器强度及接收质量相对较低, 难以保证测量的需要, 信号中断也比较严重;0.5, 0.2 MHz完全没有中断, 接收强度及质量稳定.因为对于同一介质, 声波频率越低, 传播距离则越远.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来保证信号的质量, 提高计量的精度.表1为管径与压电陶瓷片频率的声强对比, 由表也可以看出, 随着管径的增大, 声强有所降低.

表1 管径与压电陶瓷片频率的声强对比Tab.1 Comparison of sound intensity between tube diame-ter and piezoelectric ceramic chip frequency     下载原表

表1 管径与压电陶瓷片频率的声强对比Tab.1 Comparison of sound intensity between tube diame-ter and piezoelectric ceramic chip frequency

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直径DN1 700 mm, 材质为碳钢的引水管道上进行应用验证, 结果见表2, 表中Q为参照流量;Q2, E2分别为0.5 MHz传感器的流量和相对误差;Q3, E3分别为0.2 MHz传感器的流量和相对误差.可以看出, 改进后的2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的情况.

表2 不同频率压电陶瓷传感器的验证分析表Tab.2 Verification analysis table for piezoelectric ceramic sensors of different frequencies     下载原表

表2 不同频率压电陶瓷传感器的验证分析表Tab.2 Verification analysis table for piezoelectric ceramic sensors of different frequencies

综上所述, 针对大型引黄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, 差别也比较大;尤其夏季泥沙量增大, 滋生物也会增多;夏季水质最差.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, 表中cs为实测介质声速.可以看出, 夏季侦测失败率DFR较其他季节高, 其他3个季节差异较小;信号波动幅度SFR和信号噪声在4个季节中基本一致, 信号噪声SN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Tab.3 Influence of characteristics of irrigation water me-dium on ultrasonic measurement in different sea-sons    下载原表

表3 不同季节灌溉水介质特性对超声波计量的影响Tab.3 Influence of characteristics of irrigation water me-dium on ultrasonic measurement in different sea-sons

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, 并缩短单位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200 ms, 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, 如表4所示, 表中cq为修正前介质声速;ch为修正后介质声速.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Tab.4 Sound velocity correction analysis table considering influence of medium temperature     下载原表

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表4 考虑介质温度影响的声速修正分析表Tab.4 Sound velocity correction analysis table considering influence of medium temperature

针对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所示.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DN1 700 mm管线4个不同季节的灌溉水量进行了监测, 结果如表5所示, 表中csj为实测介质声速.

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.

表5 改进后超声波计量结果验证分析表Tab.5 Improved ultrasonic measurement results verification analysis table     下载原表

表5 改进后超声波计量结果验证分析表Tab.5 Improved ultrasonic measurement results verification analysis table

2.3 改进后超声波流量计应用与测评

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 (1台大机+1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, 结果如表6所示, 表中Q1为对比流量计流量;Q2为0.5 MHz传感器测流量;Q3为0.2 MHz传感器测流量.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1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Tab.6 Application of improved ultrasonic metering on a single large machine     下载原表

表6 改进后超声波计量在单台大机上的应用Tab.6 Application of improved ultrasonic metering on a single large machine

表7为改进后超声波计量的应用, 由表可以看出, 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Tab.7 Application of improved ultrasonic metering    下载原表

表7 改进后超声波计量的应用Tab.7 Application of improved ultrasonic metering

对表2, 5, 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, 表中Ep2为0.5 MHz传感器平均误差;Ex2为0.5 MHz传感器修正误差;Ep3为0.2 MHz传感器平均误差;Ex3为0.2 MHz传感器修正误差.

表8 改进前误差及重复性评价表Tab.8 Pre-improvement error and repeatability evaluation table     下载原表

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表8 改进前误差及重复性评价表Tab.8 Pre-improvement error and repeatability evaluation table

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, 文中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:

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) 通过试验证明技术改进方案可以有效地减少测量误差, 使超声波测流技术能够满足大型引黄灌区的检测需求.

综上所述, 文中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