摘 要：為達到自動監控渠道水量和流量的目的，本文利用金屬管轉子流量計對安裝于南水北調中線干渠分水閘處的超聲波流量計進行了流量率定，依據金屬管轉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關系模型，并對相關關系進行三性檢驗和誤差分析。分析結果表明，所建立的相關關系滿足定線整編的規范要求，具有良好的代表性，達到了流量計精度改善和提高準確性的目的。

 

    金屬管轉子流量計是唐山匯中儀表股份有限公司研制生產的一種采用外夾式多聲路換能器測量封閉管道內液體流量的儀表，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、對各種復雜流態適應性強、可連續工作時間長等優點。

 

    測量介質是充滿被測管道的水、污水及其他均質液體（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，準確度達到 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要求》（CJ/T 364—2011）、《超聲流量計》（JJG 1030—2007）的要求。2018 年，利用國家認定并經過質檢部門鑒定后的金屬管轉子流量計對安裝于南水北調中線干渠的某分水閘處的超聲波流量計進行了率定，并通過所建立的數學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，得到高精度自動監控渠道水量和流量。 

 

    1 測量原理

    金屬管轉子流量計以測量聲波在流動均質液體中的傳播時間與流量為測量依據。通常認為，聲波在均質液體中的實際傳播速度是由均質液體靜止狀態下聲波的傳播速度 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系公式如下：

 

 

    式中，tdown 為超聲波在均質液體中順流的傳播時間； tup 為超聲波在均質液體中逆流的傳播時間；L 為聲路長度；cf 為超聲波在均質液體中的傳播速度；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及安裝方式，明確管路外徑、管壁厚度、管壁材料、管內襯厚度和管內襯（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，設置參數，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字調試和波形調試，滿足儀器安裝質量控制規定要求［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組實測流量資料數據進行分析，建立相關關系模型，進行精度檢驗和流量改善分析；地方配套工程調流時，宜保持每個流量級穩定2.0h，再調節下個流量級；采集時間間隔與分水閘超聲波流量計一致，均為15s一組數據，分析時流量單位均統一為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，相應流量級變化范圍為0.60～2.50m3/s。 

 

    2.5 相關模型的建立與分析

    2.5.1 分析方法。先繪制同期流量過程線對照圖， 確定穩定流量期，消除因水流傳播時間產生的延時；確定分水閘處流量計的流量與金屬管轉子流量計施測的流量穩定期時段，使用同期穩定時段流量，建立相關關系，如圖2所示。

 

 

    2.5.2 建立相關關系模型。資料分析采用時需要對偽值進行剔除，為減少瞬時數據波動，將數據按照30min平均，進行平滑處理后，將本次收集的金屬管轉子流量計的流量和分水閘處超聲波流量計數據，采用Excel線性回歸方程建立相關數學模型，利用相關關系進行系統訂正，并進行分析計算，如圖3所示。

 

 

    從圖 3 可以看出，兩者呈線性關系，相關性較高，相關系數為0.999 788 80。

 

 

    3 誤差分析

    根據已建立的數學模型，依據《河道流量測驗規范》（GB 50179—2015）和《水文資料整編規范》（SL247—2012）的規定［2，3］，計算擬合曲線符號檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗、曲線偏離的標準差和隨機不確定度，檢驗已建立的數據模型是否能滿足規范的規定要求。

 

    由表 1 檢驗結果可知，所擬定的關系曲線合理且有代表性，符合定線整編的要求。經計算，改正前系統誤差為-1.5%，經過所擬定的關系曲線改善后，標準差為0.6%，隨機不確定度為1.2%，系統誤差為0.0%。

 

    鑒于流量小、精度高的實際特點，所擬定的關系曲線符合《河道流量測驗規范》（GB 50179—2015）和《水文資料整編規范》（SL 247—2012）中二類精度水文站單一曲線法定線精度指標的要求，即系統誤差≤2.0%，隨機不確定度≤10.0%。 

 

    4 結論

    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，達到了南水北調中線干線工程建設管理局編制的《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。