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)

黨的十九大報告提出“加快推進農(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)代化與社會現(xiàn)代化的綜合體現(xiàn)，其建設(shè)過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.測控一體化閘門設(shè)備從渠道水的精確測量、實時監(jiān)控、增強水利信息化的角度出發(fā)，將現(xiàn)代化測控技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了灌區(qū)供水遠程控制、閘門遠程啟閉、渠道水情實時測報、用水量自動采集和圖像實時監(jiān)控等多項功能，達到了節(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，砌護率低、滲漏、輸水能力低、調(diào)控設(shè)施嚴(yán)重不足等問題日益顯著.近年來，隨著現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的推進，對區(qū)內(nèi)各大灌區(qū)渠道進行整改，有效提高了渠道安全運行效率，為閘門測控一體化設(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)用超聲波時差法測控一體化閘門設(shè)備，此外還有水位法測控一體化閘門設(shè)備和電磁感應(yīng)測控一體化閘門設(shè)備.電磁感應(yīng)測控一體化設(shè)備的核心是閘門啟閉機及電磁流量測箱.與普通電磁流量測箱相比，非滿管電磁流量測箱不僅可以測量流體的流速,還可以測量流體在管道中的水位高度進而求得過水面積得出相應(yīng)的流量[5-6]，常用的非滿管電磁流量測箱有超聲液位流量測箱、壓力液位流量測箱等.

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

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗測試設(shè)施

正常工況測試在寧夏夏禹節(jié)水科技有限公司開展，試驗設(shè)施由0.5級標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(型號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)向進水，為了更貼近實際，2套被測設(shè)備均安裝在渠道轉(zhuǎn)角處，模擬側(cè)向進水情況下的水流條件.水由蓄水池進入壓力管道，流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)流量計，然后進入調(diào)節(jié)池，通過整流格柵后進入矩形渠道，依次流經(jīng)超聲液位流量測箱、壓力液位流量測箱和壓力A型流量計(3種測流設(shè)備型號均為LDM-51，水位傳感器裝置不同)，最后流回蓄水池.

圖1 夏禹測試基地正常工況

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

圖2 開封開流試驗地模擬淤積

1.2 測量原理

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

圖3 電磁流量測箱內(nèi)部測量結(jié)構(gòu)圖

垂直施加在管道上的磁場是由2個勵磁線圈產(chǎn)生的，這2個勵磁線圈在管壁對側(cè)串聯(lián)，并由勵磁信號驅(qū)動.感應(yīng)電動勢的大小與通過檢測電路磁通量的變化率成正比，意味著其與液體的速度、磁場的強度和管道的直徑有關(guān).理想情況下，感應(yīng)電動勢計算式為

E=vKBD,

(1)

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

非滿管電磁流量測箱的工作狀態(tài)是流體處于非滿管狀態(tài)，過流面積隨時發(fā)生變化，這時流體會出現(xiàn)2種流態(tài)：一種是流體沒過電極，但沒有完全充滿管道；另一種則是流體沒有沒過電極，使得電極暴露在空氣中.前一種狀態(tài)下按照傳統(tǒng)流量計的測量原理實際值應(yīng)該為測量值與上部空氣的差值.由權(quán)重函數(shù)理論可知，感應(yīng)信號電壓是電極橫斷面內(nèi)所有質(zhì)點電位的集合，不論流體在管道中橫截面如何變化，流動流體的質(zhì)點都會有感應(yīng)電勢，但是這些電勢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[9].因此，最重要的是測量流體流速和液位高度需同時進行.

LDM-51智能化明渠流量測量系統(tǒng)(全渠寬測控一體化測量系統(tǒng))是一款能直接測量過流斷面平均流速的明渠非滿管電磁流量測箱，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 非滿管電磁流量測箱

該系統(tǒng)的工作原理是通過在過流斷面上鋪設(shè)全渠寬勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生垂直全渠寬磁場,測量水流動時切割磁場產(chǎn)生的電勢差即為過水?dāng)嗝嫠匈|(zhì)點電位的集合.所測量的流速是斷面流速平均值,即測量斷面的平均流速.斷面平均流速乘以斷面面積即可得到渠道的即時流量.斷面面積是水位的函數(shù),可利用不同形式的液位計測量其水位，液位計一般有超聲、壓力、浮球等形式.在文中試驗采用的是壓力液位計和超聲液位計.

非滿管電磁流量測箱可用于開放式非滿管管道(圓管、矩形管或其他異形管)流量的測量、市政雨水、廢水、污水排放和灌溉用水渠道等場所的連續(xù)計量；可實現(xiàn)正向和反向雙向流量測量，流量測量精度高，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)，零點自動調(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 測量范圍：流速0.01～10.00 m/s,單體流量測量0.01～90.00 m3/s；③ 供電電源：3.6，12.0，24.0，220.0 V，太陽能供電等多種方式可供選擇；④ 防護等級：IP65；⑤ 功耗：小于等于5 W；⑥ 型號規(guī)格：定制.

1.3 試驗設(shè)計

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

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正常輸水狀態(tài)下的模擬試驗

試驗在鎮(zhèn)北堡測試基地進行，其安裝條件完全能夠達到非滿管電磁流量測箱的安裝要求.將4月24日、4月26日各測箱量測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)進行對比分析(見表1)，來評估不同測箱量測水?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性.

相對誤差的計算公式為

(1)

式中：δ為相對誤差；X為各流量測箱在某一時段內(nèi)所測累積流量；X1為標(biāo)準(zhǔn)流量計在某一時段內(nèi)所測累積流量.

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

表1 各流量計與標(biāo)準(zhǔn)流量計相對誤差

計算各流量測箱實測的瞬時流量與標(biāo)準(zhǔn)流量計所測的差值發(fā)現(xiàn)其服從正態(tài)分布，各流量測箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計誤差分布ED與頻率F如圖5所示.

圖5 各流量計與標(biāo)準(zhǔn)流量計誤差分布圖

由圖5可知，壓力液位流量測量的誤差分布為0.047 28～0.091 34，超聲液位流量測箱的誤差分布在0.047 50～0.092 50，壓力液位A型流量計誤差分布在0.044 90～0.092 30，以上可以看出壓力液位A型流量計與標(biāo)準(zhǔn)流量計所測瞬時流量的誤差分布范圍較壓力液位流量測箱、超聲液位流量測箱大.壓力液位流量測量、超聲液位流量測量、壓力液位A型流量所測流量均值分別為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個流量計所測流量數(shù)據(jù)均值與標(biāo)準(zhǔn)流量計測得流量接近且方差較小，說明2組數(shù)據(jù)的波動性較低.

標(biāo)準(zhǔn)差可以反映數(shù)據(jù)相對于均值的離散程度(即數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性大小)，各流量計雖獨立工作，但在渠道過水面積和流速相同時進行測量，可用各流量計所測流量的標(biāo)準(zhǔn)差來反映該組數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性.分析計算不同流量計在4月26日所測流量數(shù)據(jù)后繪制標(biāo)準(zhǔn)差曲線如圖6所示.圖中標(biāo)出各流量計所測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差大小，可以看出該時段內(nèi)壓力A型流量計數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差最大，其次是壓力液位流量測箱、標(biāo)準(zhǔn)流量計、超聲液位流量測箱.從所測均值數(shù)據(jù)可以看出超聲液位流量測箱、壓力液位流量測箱相對于壓力A型流量計更接近標(biāo)準(zhǔn)流量計所測數(shù)據(jù)的均值.

圖6 各流量計所測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖

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

2.2 不同淤積物干擾條件下的模擬試驗

在實際明渠，特別是在高含沙渠道中泥沙極易淤積同時還攜有許多柴草、樹枝等，使得渠道過水能力減小.為測試不同淤積物干擾時非滿管電磁流量測箱測流精度的影響，進行調(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箱試驗.由于壓力液位流量測箱的水位傳感器安裝在測流箱的側(cè)壁，外觀為圓形，外徑距離箱底約4 cm，如果淤積厚度過大，則其完全被埋沒，無法正常測量水位，導(dǎo)致測流數(shù)據(jù)失真.超聲液位流量測箱水位傳感器安裝在測箱頂部，為非接觸式測量.在測箱底部被淤積的情況下，過流斷面基準(zhǔn)發(fā)生變化，通過改變測流箱的流量計算模型，使超聲波水位計的水位基準(zhǔn)點能夠在空流情況下自動校正，從而保證了測流精度，因此模擬淤積采用超聲液位流量測箱.

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

由表2可得，在70%水位及50%水位時超聲液位流量測箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計的平均相對誤差相同.隨著水位減小，超聲液位流量測箱的平均相對誤差逐漸增大，增大范圍符合5級測流精度要求.說明水位的下降在一定程度上會影響測流精度，但在允許誤差范圍內(nèi).

表2 不同水位條件下各測箱測流數(shù)據(jù)

2) 采用600 mm×600 mm測箱進行試驗，在100%水位及70%水位時分別添加柴草，模擬不同水位柴草對測流結(jié)果的影響，測得流量數(shù)據(jù)見表3.

表3 添加柴草條件下各測箱測流數(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箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計的相對誤差反而減小，故可推斷添加柴草對測箱測流精度無影響.

3) 試驗在100%水位及70%水位條件下依次鋪設(shè)磚塊，以改變過流面積模擬渠道淤積情況，測得結(jié)果見表4.

表4 不同磚塊鋪設(shè)條件下各測箱測流數(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箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計的相對誤差也呈減小趨勢，誤差范圍符合5級測流精度要求.

4) 為確定測箱尺寸的大小是否會影響測流精度，設(shè)置不同尺寸的測箱進行試驗，所得結(jié)果見表5.

表5 2種規(guī)格測箱測流數(shù)據(jù)

在100%水位條件下不同尺寸測箱隨尺寸減小平均相對誤差呈減小趨勢.在50%水位條件下不同尺寸測箱隨尺寸減小平均相對誤差反而增大.說明水位對不同尺寸測箱的測流精度有一定的影響，但平均相對誤差值符合5級測流精度要求.

3 結(jié) 論

1) 超聲、壓力液位流量測箱與標(biāo)準(zhǔn)流量計測得流量數(shù)據(jù)相對誤差在規(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)流量計吻合較好.相對于壓力A型流量計的測流精度及穩(wěn)定性，超聲、壓力液位流量計的測流結(jié)果更勝一籌.

2) 超聲液位流量測箱在不同淤積物干擾條件下測流數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)流量計所測數(shù)據(jù)符合測流精度要求，過程中受柴草、淤積程度、測箱水位、測箱尺寸影響較小，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箱是比較先進的明渠測流儀器，相對于其他測流儀器的精度較好，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.