测量河流水平平均流速的方法技术

一种使用超声束测量多个深度的水平平均流速以计算河流的流率的方法，包括：沿一选择的流率测量自由截面从河流的一边缘发射连续超声束；测量彼此分开一定间隔的超声接收振子对的移动距离，直到超声接收振子对的输出电压彼此相等，然后测量水平平均流速，其中，超声接收振子对电连接至差动放大器以测量其输出电压差为０时的位置，还包括测试和校正执行该方法的装置的步骤。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用超声波测量河水流率的技术，特别涉及使用超声束在多个深度测量水平平均流速，以计算较大的河或排水道敞开沟的水流率的方法。传统的敞开沟的流速测量方法使用超声波来计算敞开沟的流率，如下如附图说明图1所示，多个成对的超声振子A1和B1，A2和B2，A3和B3…沿敞开沟的至少一侧的边缘安装在预定的水深位置，与流速的方向V形成一定的角度φ。从Ai到Bi和从Bi到Ai的超声波传输时间tAB和tBA测量如下tAB=LC+Vcosφ-------(a)]]>tBA=LC-Vcosφ------(b)]]>其中，C为水中超声波传输速度(以下称为“声速”)，V是水平平均流速，L是振子Ai到Bi间的距离。传输时间差Δt(=tBA-tAB)根据表达式(a)和(b)计算如下Δt=tBA-tAB=2LVcosφC2-------(c)]]>其中流速V如下V=ΔtC22Lcosφ=ΔtC22d------(1)]]>声速的平方C2如下C2=L2tABtBA]]>如果将上述表达式代入表达式(1)中，则流速测量表达式为V=L22dtBAtABtABtBA------(2)]]>上述超声流速测量方法称为“超声传输时间差方法”，其从美国Ultraflux Co．生产的Model UF2100 CO具体得来。UF2100 CO流量计使用如下流速测量式V=L22d(1tAB-1tBA)]]>结果，其等于式(2)。L22d(1tAB-1tBA)=L22dtBA-tABtABtBA]]>可用于管子和敞开沟流量进行测量的的公知的超声流量计使用超声传输时间差的方法来测量流速。除了传输时间差方法，还可用频率和相位差方法来测量流速，但它们基于超声传输时间。布置超声振子的方法也与图1的相同。如果河流较宽，则测量水平平均流速的现有技术将会引起如下问题首先，当根据在多个深度测量的水平平均流速计算河流的流率时，选择与水流方向垂直的敞开面积或自由截面S，因此流率Q计算如下Q=Vs·S (3)其中，Vs是与自由截面积S垂直的自由截面平均流速。因此，测量多个水深处平均截面流速Vs，可计算出流率。另一方法是，将局部面积Si乘以流速Vi得出局部流速，然后将所有局部流率相加。其与Model UF2000 CO使用的流率计算方法相同，如下Q=∑n(ViSi)]]>不论通过哪个方法，在超声波以不同的形式传播的间隔距离d中都有不同的截面，这些截面彼此不同，如图2所示。换句话说，当超声波传播或在流速的影响下沿线L传播，根据相应点处河沟的形状，L线上多个点处流速不同。由超声波测量的流速是平均流速，当对此平均流速不能确定它是否与某个截面相关。为此，需要为其选择辅助截面。这会导致较大的流率测量误差。例如，当河的宽度为500m，角度φ为45°，距离d为500m，但在这样的距离d中有同样的自由截面的自然的河流几乎不存在。如果附加选择自由截面，则不能高可靠性地估计流率测量误差。其次，可较好地产生回转(旋转)分量和斜交角的流速产生。如图3所示，要测量的流速是垂直于截面S的流速V⊥。如果流速V的方向与流速V⊥的方向相对应，并与超声波传播的线L成一角度φ，则由传输时间差流速测量式(2)计算的结果是流速V⊥。但是，如果流速方向与线L成φ+α角，则根据式(2)计算流速会引起较大的误差。由图3所示，导出相关的公式，并使用超声束测量流速如下V=L22Lcos(φ+α)tBA-tABtABtBA------(d)]]>但是，当在不确定的条件下由公式(2)计算斜流角α时，结果如下V′=L22LcosφtBA-tABtABtBA------(e)]]>用于计算流率的流速应如下求得V⊥=Vcosα=L2cosα2Lcos(φ+α)tBA-tABtABtBA-----(f)]]>因此，V’作为V⊥，V⊥的测量误差δv表示如下 如果角度φ为45°，tanφ等于1，且δv等于-tanα。如果斜流角α在1-10°的范围内变化，则V⊥的测量误差δv达到1．745-17．63％。通常河流的斜流角α为2-3°。即使超声传输时间，线L和距离d能被精确测量，则流速V⊥的测量误差δv为3．5-5．2％，这构成了流速测量中的一个问题。再次，使用超声波时会发生问题。超声脉冲会由于大量的谐波分量而严重衰减。如果线L较长，不仅很难保证足够的接收强度，也会引起传输时间的较大误差。如图4A，4B和4C所示，在传输时，两种超声脉冲是不同的。通常，使用冲击脉冲(图4B)。随着回转分量的流速或悬浮颗粒的浓度变化，超声脉冲大量被吸收或分散。这引起接收信号的幅值严重波动。为此，当抓取超声脉冲的接收时间点时，对应于超声频率的一个或两个周期会产生超声传输时间的测量误差。为了减小超声传输时间的测量误差，不能辅助增加河流中的超声脉冲的频率。频率越高，吸收衰减发生的越大。另外，由于悬浮颗粒的影响，产生的分散也越大。因此，最好是降低频率，但是频率降低，超声脉冲的强度降低，引起空穴现象。这意味着不能在河流中以超过某个强度来传播超声脉冲。结果，因此适用于传输时间差方法的河流宽度受到很大限制。由于这三个大问题，现有技术很难测量具有较大宽度的河流的流率。不仅如此，如果将现有技术用于具有相当宽度的河流的流率的测量时，测量误差也较大。因此，使用超声波测量流率的方法只适于具有较小宽度的人工敞开沟的河流。因此，为解决以上问题和缺点，本专利技术的目的是提供一种测量超声水平平均流速的方法，以便计算较宽河流的流率。本专利技术的另一目的是提供一种校正和试验用于测量超声水平平均流速的流速测量装置的方法。相应地，本专利技术涉及测量超声束在被与水流方向成直角传输的状态下对应于流速而漂移时的漂移距离的方法。如图5所示，超声束在流体中从非浮动点O到非浮动点a传输。如果流体静止不动(V=0)，超声束达到点a。但是，如果流体运动，则超声波达到点b。点a和b之间的距离(漂移距离)l由下式表达l=Vt=VDC------(5)]]>其中，D为河流的宽度，C为超声束在流体中的传输速度，t为超声束通过传输的宽度或间隔距离D的传输时间。线oa和ob所形成的角度θ如下tanθ=lD=VC;]]>θ=tan-1(VC)-----(6)]]>如果超声发射与接收的振子以与平均流速相同的速度运动，角度θ为0，距离l也为0。角度θ和距离l分别被称为“超声漂移角”和“超声漂移距离”，如下所述。由公式(5)和(6)导出流速V如下V=lt=lCD-------(7)]]>V = Ctanθ (8)因此，流速V可通过测量超声漂移角度θ或距离l和声速C获得。超声漂移现象是属于普通物理学原理，其详细的解释在此省略。另一方面，如果要推导超声传输时间差流速测量公式，声速C会由于随流速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用超声束测量多个深度的水平平均流速以计算较大的河流的流率的方法，包括：选择流率测量自由截面Ｓ与水流方向垂直；在给定深度沿河流的一边缘安装超声发射振子以朝另一边缘发射超声束；在与自由截面Ｓ垂直的线上安装超声接收振子对，沿河流 的另一边缘在多个深度彼此间隔间距Ｌ；以穿过截面Ｓ的中点为参考，在与水流速度方向相同的方向移动超声接收振子对；抓取超声接收振子对的输出电压彼此相等的点；测量抓取点和中点之间的超声漂移间距１；以及测量水平平均流速Ｖ为：Ｖ＝ｌ ／ｔ； （１１）或Ｖ＝ｌＣ／Ｄ； （１２）其中，ｔ为通过中点和发射振子之间的距离Ｄ的超声传输时间，Ｃ为测量流速时液态中的声速。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张学洙，
申请(专利权)人：昌民技术株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]