声学时差法流量计在水文现代化与水文新技术中的应用

声学时差法流量计广泛用于管道流量测量，产品应用很成熟。国内一些行业已开始引进国外产品，水文领域也有试用，并取得了成功。但用于河流流量自动测量时，有不少需要了解的问题。

2.5.1.1　声学时差法流量计的工作原理和类型

1.工作原理

声学时差法流量计的测速原理和HADCP完全不同，且简单得多。声波在静水中传播时，有一恒定的速度，它会随水温、盐度、含沙量发生一些变化，但当水流状况一定时，此传播速度是一定的。顺水流传播时，实际传播速度为声速加上水流速度；逆水流传播时，实际传播速度为声速减去水流速度。于是，在河流上、下游两固定点之间，声波顺水和逆水传播所需时间有一差别，测出这时间差别就能测得水流速度。用这种方法测量水流速度称为“时差法”。实际应用时，只能将声学换能器装在两岸上下游处，声学时差法流量计测流示意如图2.48所示。两换能器之间距离为声程L，工作时，换能器1向换能器2顺水发射声脉冲，测出顺水传过声程L的传播时间t12，换能器2再向换能器1逆水发射声脉冲，测出逆水传过声程L的传播时间t21。此水层的平均流速可用下式计算：

图2.48　声学时差法流量计测流示意图

1—换能器1；2—换能器2；3—测流断面

式中：为垂直于测流断面的水层平均流速；L为两换能器之间的距离；t12为两换能器之间声波顺水传输时间；t21为两换能器之间声波逆水传输时间；θ为两换能器之间连线与断面夹角，一般为45°。

两个换能器安装在河流两边，声波传输时通过整个断面，实际传输速度受断面上这一水层所有水流速度影响。因此测得的时间差是断面上这一水层平均流速影响的结果，得到的是断面这一水层的平均流速，并根据该水层平均流速推求整个断面平均流速。在测速的同时测量水位，计算过水断面面积A。在简单的情况下，可用Q＝kA的计算方法计算流量。式中的k是断面流量系数，断面平均流速v＝k。实际情况中，水层平均流速和断面平均流速的关系要复杂得多。有时，时差法流量计还不是只测一层水层流速。将测得值和断面平均流速建立关系的方法很多。

测量水位可以采用声学水位计和压力式水位计，也可以是可接入测流系统的其他自动水位计。

2.类型

按测流中声波横跨测流断面时声波声道和信号传输方式的不同，可以分为单声道、交叉声道、响应工作方式、多层声道工作等方式，还有简单的反射工作方式等。有的仪器可能只具有单一工作方式（功能），有的可以具有多种工作方式，按实际需要配置相应软、硬件后按不同工作方式进行工作。

2.5.1.2　声学时差法流量计的结构组成、测流工作方式和技术性能

图2.49　河流用声学时差法流量计

1.结构组成

整个河流用声学时差法流量计测流系统由一组（或几组）声学换能器、岸上测流控制器、信号电缆、电源组成。河流用声学时差法流量计如图2.49所示，并显示了一组（对）声学换能器和岸上测流控制器。

声学换能器接收测流控制器的指令发射声脉冲，并将接收到的声脉冲信号传送到测流控制器。声学换能器内可装有水位传感器，同时将测得的水位数据传送给测流控制器，也可以接入其他水位计符合要求的水位信号。

测流控制器安装在岸上，用信号电缆连接有关声学换能器，控制整个系统的工作，可以定时或按需要发出信号，使换能器发射声脉冲进行测流。它收集声脉冲在水中的传播时间、水位数据，计算传播时间差和水层平均流速，再计算过水断面面积和断面平均流速，从而得出流量。

2.测流工作方式

按河流情况和测流要求不同，声学时差法流量计采用不同的构成方式。图2.50是声学时差法流量计的各种工作方式示意图。

单声道工作方式是最基本的型式，只在河两岸安装A1A2两个换能器，用一个声道测量断面平均流速。A1A2两个换能器均兼有发送接收声脉冲的功能，用垮河电缆连接在一起。测得A1发射A2接收和A2发射A1接收的声脉冲传输时间，就可以计算出时差，测得平均流速。单声道工作方式只能测得垂直于过水断面的流速分量，只适用于河流流速和断面基本垂直的河段和流向比较稳定或流向因素不重要的测流断面。

交叉声道工作方式在两岸设置两个交叉的声道，安装两组四个换能器，用两个声道测出平均流速和主流流向。A1A2声道测出A1A2连线上的流速分量，A3A4声道测出A3A4连线上的流速方量。两声道间夹角为已知，可以算出平均流速和平均流向。由于声道上声脉冲的传输受整个断面上的流速流向影响，所以测量后计算得到的流速流向是断面上的平均流速和平均流向。此平均流向受流速的主要方向影响较大。交叉声道工作方式适用于流速不完全平行于河岸和流向不稳定或流向因素较重要的测流断面。

图2.50　声学时差法流量计的各种工作方式示意图

（a）单声道工作方式；（b）交叉声道工作方式；（c）响应工作方式；（d）多层声道工作方式；（e）反射工作方式；（f）双声程工作方式A—换能器；B—测流控制器；C—副控制器；D—反射体

响应工作方式不需要架设跨河信号电缆，特别适用于通航河流和较大河流。主岸侧架设A1A4换能器和测流控制器，在对岸同一地点架设A2A3两个换能器，但需要一个副控制器和单独的电源。测流时，测流控制器控制A1向A2发送声脉冲，A2接收到后，将信号送到副控制器，在副控制器的控制下，A3立即向A4发射声脉冲，A4接收到后，将信号通过主岸信号电缆送到测流控制器，测流控制器计算出这一方向的声波传播时间。然后，测流控制器控制A4向A3发射声脉冲，A3接收到后，在副控制器的控制下，A2立即向A1发射声脉冲，A1接收到后，测流控制器计算出这一反方向声波传播时间。计算上述两次声波传播时差，就可得到断面平均流速。这种工作方式的声道两次跨越断面，平均流速计算方法和上述不同。因所有信号传输都只在同侧河岸进行，所以不需架设跨河电缆。但对岸有仪器设备，还需要电源。

声学时差法流量计的一个声道只能测得一层水层的平均流速。如果水深不大，用一水层的平均流速可以很好地推算出断面平均流速。如果水深较大或流态较复杂，用一个水层流速推求断面平均流速的不确定性较差时，就要采用多层声道工作方式：在不同水深布设两层（或更多）测速声道，测得多层水层平均流速，以此推求断面平均流速，或用来计算部分水层流量。每层的布设方式可以是前三种工作方式的任一型式。有些制造商认为每一层声道可以代表4m水层。天然河流中很少布设三层以上声道的。多层声道工作方式用于水位变化较大、水深较深、流态复杂、流量测量要求高的断面。(www.xing528.com)

反射工作方式的布置类似于响应工作方式，但在对岸只有一个简单的声波反射体，没有复杂的仪器，不用电源，更不需要用过河电缆与主岸相连。反射体将A1（A4）发射的信号反射回主岸的A4（A1），反射信号被主岸的换能器接收，由此测得相应的时差。反射回主岸的声波信号肯定很弱，所以只能用于小河和渠道。这种方法较简单，价格也不高，但使用环境有更多的限制。

双声程工作方式实际上是某一种仪器的特殊测速功能。它的配置和单声道工作方式基本一致，但它能测到两个声程各自的平均流速。一个声程是两个换能器之间的连接直线声程，和单声道工作方式一样。另一个声程是经水面反射后的反射声程，如图2.50（f）中经水面反射的折线。这样的功能可以测得更多的流速信息分布，也有利于将仪器安装在最低水位以下时，水位变化升高后的流速流量测量。水位变化较大的中小河流可以考虑应用此方式。它能测到断面上部水体的流速，又比多层声道工作方式节约，并且较易安装。不过，测得的反射声程上的平均流速的代表性总还不如多层声道工作方式。

3.技术性能

一种国内产品的基本性能如下。工作方式：单声道、反射式；工作频率：50～100k Hz；声道长度：0.5～400m；测速范围：－4～＋4m/s；测速置信度：≥98%；测速分辨力：1cm/s；信号输出：RS—232；功耗：5～40W；电源：24VDC或220VAC。

一种国外较先进的、适用于大河的产品的技术性能如下。测流声学频率：28～200k Hz；水中声道长度：1～1000m（或更长）；测速范围：－10～＋10m/s；测速准确度：±2%（在声道上），±5%（交叉声道工作方式）测速时间间隔：2、5～60min（每5min为一间隔）；输出：数字输出为RS—232和BCD码，模拟输出0或4～20m A，0～5或10V，数字显示；电源：220VAC，工作功耗35VA，值守功耗5VA。

这一产品可以使用在各种宽度的河流，对断面的宽深比没有要求。使用28k Hz时，能适应一定含沙量的水流和很大的河宽。可以测量正反向流速，在近似于零流速时，甚至可以测得每秒几厘米的低流速。整个测流系统可以很方便地接入遥测系统。

2.5.1.3　声学时差法流量计的安装和应用

1.安装

主要是声学换能器的安装，安装要求和HADCP类似。时差法的声束横过断面，与断面线呈45°夹角，涉及的河段长和河宽相等。如果采用不架设跨河电缆的响应工作方式，涉及的河段长为2倍河宽。在这样长的河段以及上下游一定范围内，应该保证较为顺直和具有稳定的流态。时差法对安装河段的要求高于其他流量测量方法，其他方法往往只对测流断面上下游一定范围的河段有所要求。

声学换能器安装在水下一定深度的两岸河岸上建造的固定桩端或桩壁上，也可安装在两岸坡上的专用斜轨上。

测流控制器安装在室内或仪器棚内，安装要求和一般仪器相同。

在水下岸坡上安装声学换能器和架设跨河电缆很可能十分困难和复杂，且需得到河流管理各有关方面的同意且保证能较长时期不出意外地正常工作。

2.应用

（1）流量关系的建立。仪器安装后，在应用前要建立起测得的流速数据、测得的断面面积和实际断面平均流速流量之间的关系。

在现场应用声学时差法流量计进行流量测量时，必须进行现场比测检定，才能得到较准确的流量数据。比测仍以转子式流速仪精测法测流为准，参照有关水文测验方法进行。时差法测得的是一个或多个水层的全剖面平均流速，用整个水层的平均流速应该能很好地代表全断面平均流速，所以时差法的现场比测检定工作要比多普勒法容易些，得到的模型也比较有代表性，多声道工作方式更好。

（2）自动测流系统的应用。时差法流量计组成的测流系统需要和电源、通信系统连接。有时要接入外接自动水位计或将输出数据接入遥测系统。组建系统要按要求配置各种硬件及软件接口。

2.5.1.4　声学时差法流量计的特性和准确性分析

时差法流量计可以用于各种大中小河流，在渠道、管道上应用得更好。在天然河流上，需要较准确的流量自动测量时，应首先考虑使用这类流量计。流态紊乱、有正逆流的感潮河段也可以用此方法，它的实际使用范围很广。

时差法流量计也不适宜用于断面变化很大和过于宽浅的河道。河流中过于频繁的通航船只会影响仪器的正常工作。

使用时差法流量计要在河的两岸安装声学换能器，要铺设很长的电缆，并要有防雷保护，可能有很多困难。有的时差法流量计功耗较大，如不用交流供电，会需要较多的蓄电池供电。

在航运河段，要注意保护声学换能器不受船舶冲撞损坏。船舶驶过时，船体水下部分对声速的阻挡、船尾螺旋桨对水流的扰动和产生的气泡会影响声波传输和产生干扰，发动机的噪声也可能有影响。船只太多的通航河流必须仔细考虑这些影响。声程上的水草会阻挡声束传播，因光合作用水草冒出的气泡也会阻挡声束传播，故不要在水草较多的河道安装。

与声学多普勒法流量计（HADCP）相比较，声学时差法流量计的测速准确性较好，在有些场合要好得多。两者都是应用流速面积法进行测流，测量水位所用的仪器和方法不属于这两种流量测验方法的固有特性，不进行比较，要比较的只是两者的流速测量准确性。

时差法测速时接收的是另一换能器发射的声波，信号强，接收判别处理正确。多普勒法测速时，接收的是水中气泡、颗粒漂浮物的杂乱回波，信号很弱，还很离散，不利于正确接收和判断多普勒频移。两者相比，时差法的测速准确性会高于多普勒法，适用范围也大得多。

时差法直接测量的是声脉冲在水中的传输时间，比较容易准确测量。多普勒法测量的是断面两侧对称点水中颗粒回波的多普勒频移，同时假定两对称点和断面上相应点的流速是一致的，这个假定会带来一些误差。时差法的声道虽然和测流断面斜交，但它毕竟横过了整个断面。应用多普勒法的HADCP往往只能测量岸边一部分断面的水层流速，由此推求的断面平均流速应当不会比时差法更准确。在大河上应用时，更是如此。因此，从流速代表性上讲，时差法也优于多普勒法。

时差法可以测得较低流速，并能在很浅的水中工作而不受河流水面河底影响；而HADCP对断面的宽深比有明确要求。时差法的测速水层可宽达千米以上，且不受流速和含沙量影响；HADCP常常只能测得数十米内的流速。这都有利于时差法的测速应用于更大范围。

应用多普勒法的HADCP利用声速来确定测点位置，声速变化会影响测得的流速分布。时差法的测速时间很短，在这测速过程中，声波在水中的传播速度不会变化。因此，水层平均流速计算公式中的声速项已自然消去，使得时差法测速准确度与水中的声速无关。

HADCP能测得流速的剖面分布信息，而时差法只能测得整个声层上的平均流速。

2.5.1.5　声学时差法流量计的维护

这类产品基本上都是免维护的。工作时传感器安装在水下，也不能经常进行维护。在可能的情况下，检查水下传感器的安装、朝向，检查振动面是否有沉积物和附着物。