摘 要：为达到自动监控渠道水量和流量的目的，本文利用金属管转子流量计对安装于南水北调中线干渠分水闸处的超声波流量计进行了流量率定，依据金属管转子流量计实测的流量与分水闸处超声波流量计流量拟合相关关系模型，并对相关关系进行三性检验和误差分析。分析结果表明，所建立的相关关系满足定线整编的规范要求，具有良好的代表性，达到了流量计精度改善和提高准确性的目的。

 

    金属管转子流量计是唐山汇中仪表股份有限公司研制生产的一种采用外夹式多声路换能器测量封闭管道内液体流量的仪表，是以传播速度差法（时差法）为基本原理的超声波流量测量仪表。该仪表由测量主机、SCL流量显示分析仪、换能器及紧固装置等部分组成。该流量计具有不需要停水安装、安装操作简便、测量精度高、对各种复杂流态适应性强、可连续工作时间长等优点。

 

    测量介质是充满被测管道的水、污水及其他均质液体（悬浮含量≤10g/L），测量管径为80～2 000mm，测量流速范围为 0.2～12.0m/s，准确度达到 0.5 级。该流量计符合《给排水用超声波流量计》（CJ/T 3063—1997）、《管道式电磁流量计在线校准要求》（CJ/T 364—2011）、《超声流量计》（JJG 1030—2007）的要求。2018 年，利用国家认定并经过质检部门鉴定后的金属管转子流量计对安装于南水北调中线干渠的某分水闸处的超声波流量计进行了率定，并通过所建立的数学模型对分水闸处的超声波流量计进行了必要的修正，对测验资料及成果进行分析与整编，以期改善分水闸处流量测验成果，得到高精度自动监控渠道水量和流量。 

 

    1 测量原理

    金属管转子流量计以测量声波在流动均质液体中的传播时间与流量为测量依据。通常认为，声波在均质液体中的实际传播速度是由均质液体静止状态下声波的传播速度 cƒ 和流体轴向平均流速 vm 在声波传播方向上的分量组成。如图1所示。顺流和逆流传播时间与各分量之间的关系公式如下：

 

 

    式中，tdown 为超声波在均质液体中顺流的传播时间； tup 为超声波在均质液体中逆流的传播时间；L 为声路长度；cf 为超声波在均质液体中的传播速度；vm 为流体轴向平均流速；ϕ 为声路角

 

 

 

    2 率定实施情况

    2.1 基本情况

    南水北调中线干渠分水闸处与下游配套工程由地下暗涵和管道连接，为管道自流输送，中间没有明渠，率定过程中采用传统的流速仪无法施测流量，且流量率定不能影响地方配套工程输水管道已安装内置式（时差法）流量计，只能在输水管道通过外夹超声波管道流量计来施测流量。 

 

    2.2 仪器安装工作

    安装前需要收集确定安装管路参数及安装方式，明确管路外径、管壁厚度、管壁材料、管内衬厚度和管内衬（防腐）材料，目前常用“Z方式”安装；确定仪器安装位置，量测水温，设置参数，计算安装距离；安装管道上画线确定“Z方式”安装位置，在拟安装探头位置对管道表面防腐层进行除锈和抛光，安装并固定四声路外夹探头等；在SCL 流量分析界面进行数字调试和波形调试，满足仪器安装质量控制规定要求［1］。 

 

    2.3 率定方案

    率定期间，分水闸闸门开启度保持在1 000mm；按输水的流量级来布置测次，进行同一时间段内流量测验，收集同一固定安装位置、不同流量级的30组实测流量资料数据进行分析，建立相关关系模型，进行精度检验和流量改善分析；地方配套工程调流时，宜保持每个流量级稳定2.0h，再调节下个流量级；采集时间间隔与分水闸超声波流量计一致，均为15s一组数据，分析时流量单位均统一为m3/s。

 

    2.4 率定时间与资料范围

    率定时间为 2018 年 6 月，实测有效流量测次为 231个，相应流量级变化范围为0.60～2.50m3/s。 

 

    2.5 相关模型的建立与分析

    2.5.1 分析方法。先绘制同期流量过程线对照图， 确定稳定流量期，消除因水流传播时间产生的延时；确定分水闸处流量计的流量与金属管转子流量计施测的流量稳定期时段，使用同期稳定时段流量，建立相关关系，如图2所示。

 

 

    2.5.2 建立相关关系模型。资料分析采用时需要对伪值进行剔除，为减少瞬时数据波动，将数据按照30min平均，进行平滑处理后，将本次收集的金属管转子流量计的流量和分水闸处超声波流量计数据，采用Excel线性回归方程建立相关数学模型，利用相关关系进行系统订正，并进行分析计算，如图3所示。

 

 

    从图 3 可以看出，两者呈线性关系，相关性较高，相关系数为0.999 788 80。

 

 

    3 误差分析

    根据已建立的数学模型，依据《河道流量测验规范》（GB 50179—2015）和《水文资料整编规范》（SL247—2012）的规定［2，3］，计算拟合曲线符号检验、适线检验、偏离数值检验、曲线偏离的标准差和随机不确定度，检验已建立的数据模型是否能满足规范的规定要求。

 

    由表 1 检验结果可知，所拟定的关系曲线合理且有代表性，符合定线整编的要求。经计算，改正前系统误差为-1.5%，经过所拟定的关系曲线改善后，标准差为0.6%，随机不确定度为1.2%，系统误差为0.0%。

 

    鉴于流量小、精度高的实际特点，所拟定的关系曲线符合《河道流量测验规范》（GB 50179—2015）和《水文资料整编规范》（SL 247—2012）中二类精度水文站单一曲线法定线精度指标的要求，即系统误差≤2.0%，随机不确定度≤10.0%。 

 

    4 结论

    分水闸处流量计率定采用外夹式SCL-83便携式超声波流量计，这是较为理想的方法之一，达到了南水北调中线干线工程建设管理局编制的《流量计率定项目实施工作方案（草案）》中“方案可行、精度可靠、成果可控”的要求。本次率定是在分水闸开启度为1 000mm的状态下进行的，流量改善公式的适用范围为：分水闸开启度保持在1 000mm，流量保持在0～3.0m3/s。