鮑子云，王潔，李王成，楊郁挺，王永平

(1. 寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 3. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心， 寧夏 銀川 750021； 4. 寧夏夏禹節(jié)水科技有限公司， 寧夏 銀川 750021)

黨的十九大報(bào)告提出“加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化”，其中主要任務(wù)是完善農(nóng)業(yè)水利設(shè)施，做好現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)[1].現(xiàn)代化灌區(qū)是水利現(xiàn)代化與社會(huì)現(xiàn)代化的綜合體現(xiàn)，其建設(shè)過(guò)程中既要做到軟件與硬件并重又要綜合考慮自身情況，科學(xué)精準(zhǔn)分析，進(jìn)而確定最優(yōu)灌區(qū)建設(shè)方案，建設(shè)設(shè)施完善、管理科學(xué)、節(jié)水高效、生態(tài)良好的現(xiàn)代化灌區(qū)[2].

節(jié)水高效的現(xiàn)代化灌區(qū)首要任務(wù)是做好灌區(qū)農(nóng)業(yè)量水、精準(zhǔn)灌溉.測(cè)控一體化閘門(mén)設(shè)備從渠道水的精確測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)控、增強(qiáng)水利信息化的角度出發(fā)，將現(xiàn)代化測(cè)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)供水遠(yuǎn)程控制、閘門(mén)遠(yuǎn)程啟閉、渠道水情實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)、用水量自動(dòng)采集和圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控等多項(xiàng)功能，達(dá)到了節(jié)約灌溉用水和科學(xué)、高效管理灌區(qū)的目的[3-4].

寧夏地區(qū)的渠道修建較早，砌護(hù)率低、滲漏、輸水能力低、調(diào)控設(shè)施嚴(yán)重不足等問(wèn)題日益顯著.近年來(lái)，隨著現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)區(qū)內(nèi)各大灌區(qū)渠道進(jìn)行整改，有效提高了渠道安全運(yùn)行效率，為閘門(mén)測(cè)控一體化設(shè)備的安裝提供有利條件.目前寧夏在現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)中大多應(yīng)用超聲波時(shí)差法測(cè)控一體化閘門(mén)設(shè)備，此外還有水位法測(cè)控一體化閘門(mén)設(shè)備和電磁感應(yīng)測(cè)控一體化閘門(mén)設(shè)備.電磁感應(yīng)測(cè)控一體化設(shè)備的核心是閘門(mén)啟閉機(jī)及電磁流量測(cè)箱.與普通電磁流量測(cè)箱相比，非滿管電磁流量測(cè)箱不僅可以測(cè)量流體的流速,還可以測(cè)量流體在管道中的水位高度進(jìn)而求得過(guò)水面積得出相應(yīng)的流量[5-6]，常用的非滿管電磁流量測(cè)箱有超聲液位流量測(cè)箱、壓力液位流量測(cè)箱等.

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及自動(dòng)化進(jìn)程加快，流量測(cè)量及數(shù)據(jù)采集逐步得到完善，但在實(shí)際測(cè)控一體化閘門(mén)應(yīng)用過(guò)程中存在因水流條件、高含沙水質(zhì)、測(cè)流斷面淤積等諸多因素導(dǎo)致測(cè)流精度不高，給技術(shù)推廣應(yīng)用造成影響.針對(duì)上述問(wèn)題，文中通過(guò)測(cè)試基地模擬正常輸水和不同淤積物干擾試驗(yàn)，分析評(píng)價(jià)電磁感應(yīng)測(cè)流設(shè)備在不同工況條件下的測(cè)流性能，為灌區(qū)測(cè)控設(shè)備選型提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)施

正常工況測(cè)試在寧夏夏禹節(jié)水科技有限公司開(kāi)展，試驗(yàn)設(shè)施由0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)(型號(hào)MG/KL)、水泵、壓力管道、蓄水池、加沙池、矩形渠道、整流格柵、尾閘和數(shù)據(jù)采集器等組成，如圖1所示.由于灌區(qū)斗農(nóng)渠多為側(cè)向進(jìn)水，為了更貼近實(shí)際，2套被測(cè)設(shè)備均安裝在渠道轉(zhuǎn)角處，模擬側(cè)向進(jìn)水情況下的水流條件.水由蓄水池進(jìn)入壓力管道，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，然后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，通過(guò)整流格柵后進(jìn)入矩形渠道，依次流經(jīng)超聲液位流量測(cè)箱、壓力液位流量測(cè)箱和壓力A型流量計(jì)(3種測(cè)流設(shè)備型號(hào)均為L(zhǎng)DM-51，水位傳感器裝置不同)，最后流回蓄水池.

圖1 夏禹測(cè)試基地正常工況

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 643—2003《標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置》采用0.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)為流量檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，整流板是為了盡可能地消除來(lái)水過(guò)程中較大尺度的旋渦及脈動(dòng)，使水流為速度均勻的分布流[7]，通過(guò)調(diào)節(jié)尾閘實(shí)現(xiàn)渠道水位控制.標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被測(cè)設(shè)備測(cè)流數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器通過(guò)有線傳輸進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集頻率為1 s.壓力A型流量計(jì)為簡(jiǎn)易測(cè)流設(shè)備，裝在渠道一側(cè).模擬淤積物干擾試驗(yàn)測(cè)試在開(kāi)封開(kāi)流有限公司的試驗(yàn)基地開(kāi)展，在設(shè)備過(guò)流斷面鋪設(shè)不同厚度的磚塊、改變水位等實(shí)現(xiàn)改變過(guò)流面積來(lái)模擬泥沙淤積的情況,如圖2所示.

圖2 開(kāi)封開(kāi)流試驗(yàn)地模擬淤積

1.2 測(cè)量原理

電磁流量測(cè)箱是基于法拉第電磁感應(yīng)原理，當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中割斷磁力線時(shí)，導(dǎo)體兩端都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).管內(nèi)流動(dòng)的液體可視為導(dǎo)體，因此當(dāng)其流動(dòng)并切斷通過(guò)被測(cè)管的磁力線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反映流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).電磁流量測(cè)箱的測(cè)量結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 電磁流量測(cè)箱內(nèi)部測(cè)量結(jié)構(gòu)圖

垂直施加在管道上的磁場(chǎng)是由2個(gè)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的，這2個(gè)勵(lì)磁線圈在管壁對(duì)側(cè)串聯(lián)，并由勵(lì)磁信號(hào)驅(qū)動(dòng).感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與通過(guò)檢測(cè)電路磁通量的變化率成正比，意味著其與液體的速度、磁場(chǎng)的強(qiáng)度和管道的直徑有關(guān).理想情況下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算式為

E=vKBD,

(1)

式中：E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；v為流體的流速；K為儀表系數(shù)；B為電磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為測(cè)量管的直徑.在已知液體流速大小以及過(guò)水管道橫截面積A后就可由Q=Av得出流量[8].

非滿管電磁流量測(cè)箱的工作狀態(tài)是流體處于非滿管狀態(tài)，過(guò)流面積隨時(shí)發(fā)生變化，這時(shí)流體會(huì)出現(xiàn)2種流態(tài)：一種是流體沒(méi)過(guò)電極，但沒(méi)有完全充滿管道；另一種則是流體沒(méi)有沒(méi)過(guò)電極，使得電極暴露在空氣中.前一種狀態(tài)下按照傳統(tǒng)流量計(jì)的測(cè)量原理實(shí)際值應(yīng)該為測(cè)量值與上部空氣的差值.由權(quán)重函數(shù)理論可知，感應(yīng)信號(hào)電壓是電極橫斷面內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)電位的集合，不論流體在管道中橫截面如何變化，流動(dòng)流體的質(zhì)點(diǎn)都會(huì)有感應(yīng)電勢(shì)，但是這些電勢(shì)一定要處于電極的集合范圍內(nèi)，如果電極暴露在空氣中，將得不到信號(hào)[9].因此，最重要的是測(cè)量流體流速和液位高度需同時(shí)進(jìn)行.

LDM-51智能化明渠流量測(cè)量系統(tǒng)(全渠寬測(cè)控一體化測(cè)量系統(tǒng))是一款能直接測(cè)量過(guò)流斷面平均流速的明渠非滿管電磁流量測(cè)箱，如圖4所示，由電磁流速傳感器、水位傳感器和流量顯示儀組成.

圖4 非滿管電磁流量測(cè)箱

該系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)在過(guò)流斷面上鋪設(shè)全渠寬勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生垂直全渠寬磁場(chǎng),測(cè)量水流動(dòng)時(shí)切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)差即為過(guò)水?dāng)嗝嫠匈|(zhì)點(diǎn)電位的集合.所測(cè)量的流速是斷面流速平均值,即測(cè)量斷面的平均流速.斷面平均流速乘以斷面面積即可得到渠道的即時(shí)流量.斷面面積是水位的函數(shù),可利用不同形式的液位計(jì)測(cè)量其水位，液位計(jì)一般有超聲、壓力、浮球等形式.在文中試驗(yàn)采用的是壓力液位計(jì)和超聲液位計(jì).

非滿管電磁流量測(cè)箱可用于開(kāi)放式非滿管管道(圓管、矩形管或其他異形管)流量的測(cè)量、市政雨水、廢水、污水排放和灌溉用水渠道等場(chǎng)所的連續(xù)計(jì)量；可實(shí)現(xiàn)正向和反向雙向流量測(cè)量，流量測(cè)量精度高，而且不受下游、支流雍水、阻塞等因素影響，可永久記憶歷史數(shù)據(jù)，零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整.設(shè)備安裝需盡量選擇在渠道或河道比較平直的地段，在標(biāo)準(zhǔn)斷面不需要改造即可直接安裝，其主要技術(shù)指標(biāo)：① 準(zhǔn)確度：水位±2 mm,流速±1%,系統(tǒng)小于等于±2.5%；② 測(cè)量范圍：流速0.01～10.00 m/s,單體流量測(cè)量0.01～90.00 m3/s；③ 供電電源：3.6，12.0，24.0，220.0 V，太陽(yáng)能供電等多種方式可供選擇；④ 防護(hù)等級(jí)：IP65；⑤ 功耗：小于等于5 W；⑥ 型號(hào)規(guī)格：定制.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用對(duì)比試驗(yàn)?zāi)M正常輸水和不同淤積物干擾條件下超聲液位流量測(cè)箱、壓力液位流量測(cè)箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的測(cè)流結(jié)果.不同淤積物干擾主要通過(guò)改變過(guò)流面積實(shí)現(xiàn)，主要方法有控制水位變化、不同水位條件下添加柴草、測(cè)箱水流出口鋪設(shè)磚塊、更換不同尺寸測(cè)箱等.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正常輸水狀態(tài)下的模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)在鎮(zhèn)北堡測(cè)試基地進(jìn)行，其安裝條件完全能夠達(dá)到非滿管電磁流量測(cè)箱的安裝要求.將4月24日、4月26日各測(cè)箱量測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)表1)，來(lái)評(píng)估不同測(cè)箱量測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性.

相對(duì)誤差的計(jì)算公式為

(1)

式中：δ為相對(duì)誤差；X為各流量測(cè)箱在某一時(shí)段內(nèi)所測(cè)累積流量；X1為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在某一時(shí)段內(nèi)所測(cè)累積流量.

從表1可以得出，各流量測(cè)箱實(shí)測(cè)累積流量與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)得累積流量誤差符合《取水計(jì)量技術(shù)導(dǎo)則》(GB/T 28714—2012) 中規(guī)定的采用電磁法測(cè)流時(shí)誤差小于±5%即5級(jí)精度要求.通過(guò)對(duì)4月24日、4月26日各流量測(cè)箱測(cè)流精度與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)壓力液位流量測(cè)箱的相對(duì)誤差較小，為0.70%，超聲液位流量測(cè)箱測(cè)流相對(duì)誤差次之.

表1 各流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)相對(duì)誤差

計(jì)算各流量測(cè)箱實(shí)測(cè)的瞬時(shí)流量與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)所測(cè)的差值發(fā)現(xiàn)其服從正態(tài)分布，各流量測(cè)箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)誤差分布ED與頻率F如圖5所示.

圖5 各流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)誤差分布圖

由圖5可知，壓力液位流量測(cè)量的誤差分布為0.047 28～0.091 34，超聲液位流量測(cè)箱的誤差分布在0.047 50～0.092 50，壓力液位A型流量計(jì)誤差分布在0.044 90～0.092 30，以上可以看出壓力液位A型流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)所測(cè)瞬時(shí)流量的誤差分布范圍較壓力液位流量測(cè)箱、超聲液位流量測(cè)箱大.壓力液位流量測(cè)量、超聲液位流量測(cè)量、壓力液位A型流量所測(cè)流量均值分別為0.069 50，0.069 70，0.070 00，方差依次為0.000 043 24，0.000 049 75，0.000 051 13，前2個(gè)流量計(jì)所測(cè)流量數(shù)據(jù)均值與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)得流量接近且方差較小，說(shuō)明2組數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較低.

標(biāo)準(zhǔn)差可以反映數(shù)據(jù)相對(duì)于均值的離散程度(即數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性大小)，各流量計(jì)雖獨(dú)立工作，但在渠道過(guò)水面積和流速相同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，可用各流量計(jì)所測(cè)流量的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)反映該組數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性.分析計(jì)算不同流量計(jì)在4月26日所測(cè)流量數(shù)據(jù)后繪制標(biāo)準(zhǔn)差曲線如圖6所示.圖中標(biāo)出各流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差大小，可以看出該時(shí)段內(nèi)壓力A型流量計(jì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差最大，其次是壓力液位流量測(cè)箱、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、超聲液位流量測(cè)箱.從所測(cè)均值數(shù)據(jù)可以看出超聲液位流量測(cè)箱、壓力液位流量測(cè)箱相對(duì)于壓力A型流量計(jì)更接近標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)的均值.

圖6 各流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖

綜上所述，正常測(cè)流狀態(tài)下各流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)所測(cè)累積流量、瞬時(shí)流量誤差進(jìn)行對(duì)比后得出：壓力液位流量測(cè)箱、超聲液位流量測(cè)箱2種非滿管電磁流量測(cè)箱的測(cè)流誤差均小于壓力液位A型流量計(jì)，超聲液位、壓力液位流量測(cè)箱均值更接近標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，說(shuō)明非滿管電磁流量測(cè)箱的測(cè)流精度較好.從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性考慮，超聲液位、壓力液位流量測(cè)箱的標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)于壓力A型流量計(jì)較小，說(shuō)明非滿管電磁流量測(cè)箱的測(cè)流穩(wěn)定性較可靠.

2.2 不同淤積物干擾條件下的模擬試驗(yàn)

在實(shí)際明渠，特別是在高含沙渠道中泥沙極易淤積同時(shí)還攜有許多柴草、樹(shù)枝等，使得渠道過(guò)水能力減小.為測(cè)試不同淤積物干擾時(shí)非滿管電磁流量測(cè)箱測(cè)流精度的影響，進(jìn)行調(diào)節(jié)水位、添加柴草、使用磚塊模擬泥沙淤積、設(shè)置不同尺寸超聲液位流量測(cè)箱試驗(yàn).由于壓力液位流量測(cè)箱的水位傳感器安裝在測(cè)流箱的側(cè)壁，外觀為圓形，外徑距離箱底約4 cm，如果淤積厚度過(guò)大，則其完全被埋沒(méi)，無(wú)法正常測(cè)量水位，導(dǎo)致測(cè)流數(shù)據(jù)失真.超聲液位流量測(cè)箱水位傳感器安裝在測(cè)箱頂部，為非接觸式測(cè)量.在測(cè)箱底部被淤積的情況下，過(guò)流斷面基準(zhǔn)發(fā)生變化，通過(guò)改變測(cè)流箱的流量計(jì)算模型，使超聲波水位計(jì)的水位基準(zhǔn)點(diǎn)能夠在空流情況下自動(dòng)校正，從而保證了測(cè)流精度，因此模擬淤積采用超聲液位流量測(cè)箱.

1) 采用尺寸為400 mm×400 mm的超聲液位流量測(cè)箱測(cè)量不同水位條件下的累積流量(X2)并計(jì)算相對(duì)誤差如表2所示，表中δavg為平均誤差.

由表2可得，在70%水位及50%水位時(shí)超聲液位流量測(cè)箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的平均相對(duì)誤差相同.隨著水位減小，超聲液位流量測(cè)箱的平均相對(duì)誤差逐漸增大，增大范圍符合5級(jí)測(cè)流精度要求.說(shuō)明水位的下降在一定程度上會(huì)影響測(cè)流精度，但在允許誤差范圍內(nèi).

表2 不同水位條件下各測(cè)箱測(cè)流數(shù)據(jù)

2) 采用600 mm×600 mm測(cè)箱進(jìn)行試驗(yàn)，在100%水位及70%水位時(shí)分別添加柴草，模擬不同水位柴草對(duì)測(cè)流結(jié)果的影響，測(cè)得流量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3 添加柴草條件下各測(cè)箱測(cè)流數(shù)據(jù)

由表3可得，在100%水位及70%水位條件下添加柴草后超聲液位流量測(cè)箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的相對(duì)誤差反而減小，故可推斷添加柴草對(duì)測(cè)箱測(cè)流精度無(wú)影響.

3) 試驗(yàn)在100%水位及70%水位條件下依次鋪設(shè)磚塊，以改變過(guò)流面積模擬渠道淤積情況，測(cè)得結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 不同磚塊鋪設(shè)條件下各測(cè)箱測(cè)流數(shù)據(jù)

分析表4數(shù)據(jù)，隨著鋪設(shè)磚塊層數(shù)的增加超聲液位流量測(cè)箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的相對(duì)誤差也呈減小趨勢(shì)，誤差范圍符合5級(jí)測(cè)流精度要求.

4) 為確定測(cè)箱尺寸的大小是否會(huì)影響測(cè)流精度，設(shè)置不同尺寸的測(cè)箱進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 2種規(guī)格測(cè)箱測(cè)流數(shù)據(jù)

在100%水位條件下不同尺寸測(cè)箱隨尺寸減小平均相對(duì)誤差呈減小趨勢(shì).在50%水位條件下不同尺寸測(cè)箱隨尺寸減小平均相對(duì)誤差反而增大.說(shuō)明水位對(duì)不同尺寸測(cè)箱的測(cè)流精度有一定的影響，但平均相對(duì)誤差值符合5級(jí)測(cè)流精度要求.

3 結(jié) 論

1) 超聲、壓力液位流量測(cè)箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)得流量數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在規(guī)定允許范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)均值、誤差分布、方差與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)吻合較好.相對(duì)于壓力A型流量計(jì)的測(cè)流精度及穩(wěn)定性，超聲、壓力液位流量計(jì)的測(cè)流結(jié)果更勝一籌.

2) 超聲液位流量測(cè)箱在不同淤積物干擾條件下測(cè)流數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)符合測(cè)流精度要求，過(guò)程中受柴草、淤積程度、測(cè)箱水位、測(cè)箱尺寸影響較小，適用于寧夏地區(qū)復(fù)雜工況渠道.

3) 超聲和壓力液位流量測(cè)箱是比較先進(jìn)的明渠測(cè)流儀器，相對(duì)于其他測(cè)流儀器的精度較好，且目前寧夏灌區(qū)采用這種儀器較少，可在渠道供水工程中推廣應(yīng)用.