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摘要：农渠测流技术是计量农业用水的一项基本技术，长期以来，在农田灌溉中一直采用传统的机械流速仪配合渠道断面测量渠道水量，计算十分不便。近年来，宁夏吴忠市扁担沟扬水灌区采用超声波测流仪，在标准断面上，可以同时测得水位、水流等数据进行无线或有线的实时传输，方便技术人员对数据的采集和计算，现就超声波明渠测流仪的应用进行阐述。
关键词：超声波测流仪 应用
1 多普勒超声波测流仪主要功能
多普勒超声波在水利测量中应用越来越广，扁担沟扬水灌区在渠道水量测量中选择了HOH-L-01多普勒超声波明渠测流仪。该设备可同时测量渠道平均流速、水深、水温，对窄渠道测流精度高。可实现远程无线、有线和人工直接取集三种数据采集方式。其技术指标为：流速量程：21mm/s到5000mm/s。准确度：测量流速的±1%。分辨率：1mm/s。温度量程：0℃到60℃。分辨率：0.2℃。水位量程：0到5m。分辨率：1mm。准确度：测量水位的±0.5%。电源：12V DC/220AC。输出接口：标准RS232、RS485。数据储存容量：每10分钟采集一条记录，可以存储超过半年的数据。运行温度：0℃到60℃水温。
1.1 水温测量：其中水温测量使用温度探头，温度探头不与水接触，紧贴仪器外包装材料顶部，需要置于水底一定时间后才能反映实际水温。测水温的目的是校正超声波在水中的速度，并修正压力传感器所测得的水位值。
1.2 水深测量（过水断面面积）：水深测量使用压力传感器，置于仪器底部，其探头感应部位与水直接接触；水深测得后，通过渠道段断面形状可求得过水断面面积。
1.3 平均流速测量：流速的测量是通过超声波探头（换能器）发射与接受超生波信号并做相应的计算处理而获得的：换能器1发射频率为f1的超声波信号，以一定角度由水下向水面发射，在碰到水中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，并以f2的频率反射到换能器2，这就是多谱勒将就，f2与f1之差即为多谱勒频差fd。设流体流速为v，超声波声速为c，多谱勒频移fd正比于流体流速v。水中会有大量的杂质颗粒与气泡，每一个反射粒子对应一个多谱勒频移fd，通过换算可求得其流速，这些大量粒子的平均流速也即流体的平均流速。通过测得的平均流速及水位及断面尺寸，可求得断面流量。
2 设备安装条件及安装流程
2.1 安装条件 设备适用于渠道或河流的流量计量，适合各种水质：城市污水、工业废水、灌溉用水、饮用水、海水。
2.2 安装流程
2.2.1 探头的安装 探头应安装于具有固定断面的渠道顺直段下游，顺直段长度最好是渠道水力半径的5-10倍（顺直段越长测量精度越高），且这一距离范围内不得有过流阻挡物（如水闸、堰等），以保证探头前端水流流态的均匀稳定。探头应尽量安装于靠近渠底，当渠底有杂质沉积及水草生长或滚动的卵石时，可抬高安装位置以避开渠底沉积物与水草覆盖探头或卵石冲撞探头；探头距渠底的具体高度最好为100mm-250mm，具体视渠道的最低测流水位而定。当渠道水深较高且具有一定的最低水位时，为了安装方便只要将探头安装于最低水位以下0.5倍处即可。探头在渠道横断面处的安装位置一般如下（渠宽在20m以下）：对矩形断面安装于渠宽的0.15-0.2倍处；对梯形断面则安装于坡脚处，如图一，对于宽度较大的渠道，需安装2台或2台以上的探头，具体位置要视渠道宽度及横断面上的流态分布而定。
2.2.2 安装方法： 探头安装应完全平行于渠底（注意不是水平），如图二，同时保证与水流方向平行一致，探头前端（没有通信电缆的一端）逆水流方向并与水流方向夹角为180度，并且不得有阻挡物干扰水流流态，通信电缆线最好从探头的下游沿渠底及渠道边坡引出水面或从安装支架的钢管内引出水面。
对于可完全断水的渠道，可将固定探头的支架（固定支架可在当地定做，与探头连接部分最好用不锈钢板及螺栓）直接固定于渠底；对于不能完全断水且上游关闸后仍有较高水位不便水下作业的渠道，可将支架固定于渠臂上。固定于渠臂上的支架有两种方式：简易支架与组合支架。简易支架主要为一根弯曲的钢管或度锌管，底部焊接一水平钢板以固定探头，竖立管通过钢片横翼固定于渠臂上；组合支架由底座与可拆卸部分组成，探头安装于可拆卸部分上，底座一次性固定安装于测流断面处（通过上游临时关闸降低水位后，用膨胀螺栓固定于混凝土边坡上），可拆卸部分通过水面上的螺栓与底座相连接固定，这样便于今后对探头的检修与更换。
2.2.3 通信电缆的安装 通信电缆应沿着渠底及渠壁由探头下游方向引出水面，最好套PVC管进行保护并沿程固定；当用臂式支架固定探头时，通信电缆线可沿支架的空心钢管引出水面。
探头所自带的一段通信电缆线内有通气导管，因此注意不得将其弯折。当通信电缆线引出水面后，可接普通的电缆线，此时应使通气导管开口方向朝下，并用透气胶布进行保护，防止水及异物進入通气管。
通信电缆线固定安装好后，需与终端机通过“转接线”相连接，“转接线”的四芯电线分别为：黄色是电源正，兰色为电源负，红色是数据线A，黑色是数据线B（对应通信电缆线中的电线为：红黑线合并为电源正，屏蔽网线为电源负，其余两根为R485数据线的A与B）。
2.2.4 终端机的安装 终端机应固定竖立于管理房或微型工作间内，注意防水防潮。终端机与探头所带通信电缆通过“转接线”连接；终端机与通讯仪或电脑连接时，需要使用“输出输入数据线”。“输出输入数据线”有R232与R485两种模式，当使用没有串口的笔记本电脑去现场取数时，需自配R232转USB的转接头。
3 监控软件
监控软件有两种：现场监控软件与无线监控软件，现场监控软件安装于笔记本上，通过笔记本与流量计终端机的标准R232或R485输出输入接口直连来进行测量历史数据的读取及终端机工作参数的设定；无线监控软件安装于上位管理机上，通过无线通讯设备来进行实时测量数据的读取及终端机工作参数的设定。
4 日常维护
①探头维护 探头前端的两个圆形超声波收发装置应避免硬物撞击或划伤，在不用时应使用软套保护，当其上面附着异物时应用清水冲洗或软布轻察；底部的压力传感器位于网状透水孔内，其压力膜非常娇气，不得用硬物去接触，在仪器脱离水面不用时也应加以保护，在透水孔周围附着异物时应小心除去。②电池维护 电池在无电源供电时应至少1个半月充放电一次。③终端机维护 终端机应置于干燥处，在现场条件较潮湿时应注意防潮，可用塑料薄膜封装。
5 注意事项
①通信电缆线由于里面含有通气管，所以不能弯折过度，防止其折断。②通信电缆线里面的通气管与探头里面的电路板相通，不能进水，安装时应使通气管末端开口朝下，防止潮气结水后沿管壁流入探头电路处。③通信电缆线由探头引出水面时应尽量外套PVC管保护并沿途固定或沿支架的管内走线，使其避免直接受水力冲击而产生拉力，特别是水草较多的渠道当电缆线上挂草时会产生很大的拉力并有可能将电缆线拉断。④探头前面的圆形超生波收发装置不能受到冲击及划伤。⑤探头安装好后要将其前面的超声波收发装置保护罩去掉，并将底部网状圆孔处的保护贴膜揭掉。⑥终端机与探头的接线必须正确连接，否则会导致仪器损坏。⑦仪器探头应避免在太阳下长时间暴晒，以免温度太高而引起故障（探头的温度不得超过70℃）。
6 存在的问题及建议
在实际操作中，该设备无线通讯GPRS和GSM要借助电信公用信道，会产生附加运行费用，给运行管理单位带来新的成本。建议在今后的项目实施中采用光纤有线骨干网络，一步到位，降低单位的运行管理成本，提高系统运行的稳定性和通讯通道的畅通。
参考文献：
[1]杨红玲，马树升，张加义，樊铭京，张峰.超声波法与流速仪法在明渠测流中的比较研究[J].山东农业大学学报（自然科学版），2008年第2期.
[2]莫明辉，张沈阳.声学多普勒测硫仪在奉化江潮流量测验中的应用[J].浙江水利科技，2011年第6期.
[3]李玉山，李海玲，李祥.声学多普勒流速剖面仪比测试验分析[J].人民黄河，2009年第8期.
作者简介：秦岩飞（1972-），男，宁夏吴忠人，工程师，现从事灌区工程管理工作。
关键词：超声波测流仪 应用
1 多普勒超声波测流仪主要功能
多普勒超声波在水利测量中应用越来越广，扁担沟扬水灌区在渠道水量测量中选择了HOH-L-01多普勒超声波明渠测流仪。该设备可同时测量渠道平均流速、水深、水温，对窄渠道测流精度高。可实现远程无线、有线和人工直接取集三种数据采集方式。其技术指标为：流速量程：21mm/s到5000mm/s。准确度：测量流速的±1%。分辨率：1mm/s。温度量程：0℃到60℃。分辨率：0.2℃。水位量程：0到5m。分辨率：1mm。准确度：测量水位的±0.5%。电源：12V DC/220AC。输出接口：标准RS232、RS485。数据储存容量：每10分钟采集一条记录，可以存储超过半年的数据。运行温度：0℃到60℃水温。
1.1 水温测量：其中水温测量使用温度探头，温度探头不与水接触，紧贴仪器外包装材料顶部，需要置于水底一定时间后才能反映实际水温。测水温的目的是校正超声波在水中的速度，并修正压力传感器所测得的水位值。
1.2 水深测量（过水断面面积）：水深测量使用压力传感器，置于仪器底部，其探头感应部位与水直接接触；水深测得后，通过渠道段断面形状可求得过水断面面积。
1.3 平均流速测量：流速的测量是通过超声波探头（换能器）发射与接受超生波信号并做相应的计算处理而获得的：换能器1发射频率为f1的超声波信号，以一定角度由水下向水面发射，在碰到水中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，并以f2的频率反射到换能器2，这就是多谱勒将就，f2与f1之差即为多谱勒频差fd。设流体流速为v，超声波声速为c，多谱勒频移fd正比于流体流速v。水中会有大量的杂质颗粒与气泡，每一个反射粒子对应一个多谱勒频移fd，通过换算可求得其流速，这些大量粒子的平均流速也即流体的平均流速。通过测得的平均流速及水位及断面尺寸，可求得断面流量。
2 设备安装条件及安装流程
2.1 安装条件 设备适用于渠道或河流的流量计量，适合各种水质：城市污水、工业废水、灌溉用水、饮用水、海水。
2.2 安装流程
2.2.1 探头的安装 探头应安装于具有固定断面的渠道顺直段下游，顺直段长度最好是渠道水力半径的5-10倍（顺直段越长测量精度越高），且这一距离范围内不得有过流阻挡物（如水闸、堰等），以保证探头前端水流流态的均匀稳定。探头应尽量安装于靠近渠底，当渠底有杂质沉积及水草生长或滚动的卵石时，可抬高安装位置以避开渠底沉积物与水草覆盖探头或卵石冲撞探头；探头距渠底的具体高度最好为100mm-250mm，具体视渠道的最低测流水位而定。当渠道水深较高且具有一定的最低水位时，为了安装方便只要将探头安装于最低水位以下0.5倍处即可。探头在渠道横断面处的安装位置一般如下（渠宽在20m以下）：对矩形断面安装于渠宽的0.15-0.2倍处；对梯形断面则安装于坡脚处，如图一，对于宽度较大的渠道，需安装2台或2台以上的探头，具体位置要视渠道宽度及横断面上的流态分布而定。
2.2.2 安装方法： 探头安装应完全平行于渠底（注意不是水平），如图二，同时保证与水流方向平行一致，探头前端（没有通信电缆的一端）逆水流方向并与水流方向夹角为180度，并且不得有阻挡物干扰水流流态，通信电缆线最好从探头的下游沿渠底及渠道边坡引出水面或从安装支架的钢管内引出水面。
对于可完全断水的渠道，可将固定探头的支架（固定支架可在当地定做，与探头连接部分最好用不锈钢板及螺栓）直接固定于渠底；对于不能完全断水且上游关闸后仍有较高水位不便水下作业的渠道，可将支架固定于渠臂上。固定于渠臂上的支架有两种方式：简易支架与组合支架。简易支架主要为一根弯曲的钢管或度锌管，底部焊接一水平钢板以固定探头，竖立管通过钢片横翼固定于渠臂上；组合支架由底座与可拆卸部分组成，探头安装于可拆卸部分上，底座一次性固定安装于测流断面处（通过上游临时关闸降低水位后，用膨胀螺栓固定于混凝土边坡上），可拆卸部分通过水面上的螺栓与底座相连接固定，这样便于今后对探头的检修与更换。
2.2.3 通信电缆的安装 通信电缆应沿着渠底及渠壁由探头下游方向引出水面，最好套PVC管进行保护并沿程固定；当用臂式支架固定探头时，通信电缆线可沿支架的空心钢管引出水面。
探头所自带的一段通信电缆线内有通气导管，因此注意不得将其弯折。当通信电缆线引出水面后，可接普通的电缆线，此时应使通气导管开口方向朝下，并用透气胶布进行保护，防止水及异物進入通气管。
通信电缆线固定安装好后，需与终端机通过“转接线”相连接，“转接线”的四芯电线分别为：黄色是电源正，兰色为电源负，红色是数据线A，黑色是数据线B（对应通信电缆线中的电线为：红黑线合并为电源正，屏蔽网线为电源负，其余两根为R485数据线的A与B）。
2.2.4 终端机的安装 终端机应固定竖立于管理房或微型工作间内，注意防水防潮。终端机与探头所带通信电缆通过“转接线”连接；终端机与通讯仪或电脑连接时，需要使用“输出输入数据线”。“输出输入数据线”有R232与R485两种模式，当使用没有串口的笔记本电脑去现场取数时，需自配R232转USB的转接头。
3 监控软件
监控软件有两种：现场监控软件与无线监控软件，现场监控软件安装于笔记本上，通过笔记本与流量计终端机的标准R232或R485输出输入接口直连来进行测量历史数据的读取及终端机工作参数的设定；无线监控软件安装于上位管理机上，通过无线通讯设备来进行实时测量数据的读取及终端机工作参数的设定。
4 日常维护
①探头维护 探头前端的两个圆形超声波收发装置应避免硬物撞击或划伤，在不用时应使用软套保护，当其上面附着异物时应用清水冲洗或软布轻察；底部的压力传感器位于网状透水孔内，其压力膜非常娇气，不得用硬物去接触，在仪器脱离水面不用时也应加以保护，在透水孔周围附着异物时应小心除去。②电池维护 电池在无电源供电时应至少1个半月充放电一次。③终端机维护 终端机应置于干燥处，在现场条件较潮湿时应注意防潮，可用塑料薄膜封装。
5 注意事项
①通信电缆线由于里面含有通气管，所以不能弯折过度，防止其折断。②通信电缆线里面的通气管与探头里面的电路板相通，不能进水，安装时应使通气管末端开口朝下，防止潮气结水后沿管壁流入探头电路处。③通信电缆线由探头引出水面时应尽量外套PVC管保护并沿途固定或沿支架的管内走线，使其避免直接受水力冲击而产生拉力，特别是水草较多的渠道当电缆线上挂草时会产生很大的拉力并有可能将电缆线拉断。④探头前面的圆形超生波收发装置不能受到冲击及划伤。⑤探头安装好后要将其前面的超声波收发装置保护罩去掉，并将底部网状圆孔处的保护贴膜揭掉。⑥终端机与探头的接线必须正确连接，否则会导致仪器损坏。⑦仪器探头应避免在太阳下长时间暴晒，以免温度太高而引起故障（探头的温度不得超过70℃）。
6 存在的问题及建议
在实际操作中，该设备无线通讯GPRS和GSM要借助电信公用信道，会产生附加运行费用，给运行管理单位带来新的成本。建议在今后的项目实施中采用光纤有线骨干网络，一步到位，降低单位的运行管理成本，提高系统运行的稳定性和通讯通道的畅通。
参考文献：
[1]杨红玲，马树升，张加义，樊铭京，张峰.超声波法与流速仪法在明渠测流中的比较研究[J].山东农业大学学报（自然科学版），2008年第2期.
[2]莫明辉，张沈阳.声学多普勒测硫仪在奉化江潮流量测验中的应用[J].浙江水利科技，2011年第6期.
[3]李玉山，李海玲，李祥.声学多普勒流速剖面仪比测试验分析[J].人民黄河，2009年第8期.
作者简介：秦岩飞（1972-），男，宁夏吴忠人，工程师，现从事灌区工程管理工作。