摘要：本文介绍了一种新的自流道输水流量计量方法,讨论了自动测量系统的组成,工作原理,技术特点和应用设计实现。
一.引言
天津市引滦工程潮白河泵站自流道于1987年建成使用后,大大缩短了泵站的开机时间,全年基本上由自流道向市内输水,为了保证输水数据的准确性,需要实时监测自流道的输水流量。
多年以来，传统的自流道输水流量的计量是通过人工定时读取流道进、出口处水尺得到水位值，然后通过查有关自流道形状、流态等参数对应的曲线取修正参数后，再通过计算算出流量的方法获得，这种方法不仅费时费力，不能连续或实时计量，而且其准确性也受到天气、人为因素等影响。
为了提高测量精度，消除人为影响，我们设计了潮白河自流道流量测量系统，下文将介绍系统的组成，工作原理和技术实现。
二.系统组成
自流道输水流量计量，是通过水位采集系统连续测量自流道进口和出口处的水位值，将所测得的水位值送入流量数据处理系统，计算出实时的流量值。
图1是测量系统示意图。
声学探头安装在自流道进口和出口的支架上，通过电缆将信号传至安装在泵站主探室的水位采集系统，计算出各测点的水位值，再通过电缆送至安装在管理处办公楼水调科的流量数据处理系统，并依据进口水位、出口水位经数据计算处理得出流量、系统内的半导体存储器自动存贮水位和流量参数，主探系统将处理结果送出显示并打印，各项参数还可以由标准的RS-232C串行接口送入计算机中，用计算机建立起数据库并进行计算机后处理。
仪器包括声学探头及外保护管、水位采集系统、流量数据处理系统、大屏幕显示部分、打印机及RS-232C通讯接口。
三.系统设计与实现
1.水位采集系统
（1）水位测量工作原理
水位测量原理如图2所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L声程遇水界面产生反射，反射波（下称回波），又经L声程由同一声学探头接收，只要测得声波（由发射至接收到回波）在空气中的传播时间t及现场声速c，就可测算出声学探头发射面至水面的距离，即
在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离L0处开有一校准用小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间t0可测出，传播声速若为c0则有：
取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有：
由式（1）可知声程L是传播声速c、c0，传播时间t、t0和校准孔距L0的函数，如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样（1）式就可简化为：
发射声脉冲后，测得t0、t即可测算出声程L。
由图2知，探头安装基准面至水位零点高度为S（S可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值H为：
式中：H为水位值
S为探头发射面至水位零点距离
L为探头发射面至水面间距离
（2）水位采集系统的组成
水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。
水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显示及电源组成、水位采集系统通过RS-232C接口与流量数据处理系统相连。
（3）水位测量数据的输出
用空气回声测距方法测量到水位值后，水位采集系统通过标准RS-232C串口与流量数据处理系统相连，传送测量数据。
数据是从安装在泵站主控室的水位采集系统传输至安装管理处办公楼水调科的流量数据处理系统，电缆距离较长，所以选用低速率异步串行通讯方式，通讯协议具体为：
传输速率：300波特
帧数据：8位
起始位：1位
停止位：1位
奇偶较验：1位
传输数据格式为：SaaaabbbbY
2.流量数据处理系统
（1）流量计算原理
流量计量是依据实时测量的水位值，考虑到自流道的形状，不同流态的影响求得自流道精确的水位流量关系式，计算出相应的流量值，其公式为：
（4）
式中：Q为进口水位值（m3/s）
h1为进口水位值（m）
h2为出口水位值（m）
g为重力加速度
B为修正系数
（2）流量数据处理系统的组成
流量数据处理系统通过RS-232C接口与水位采集系统相连，接收到水位值后，依照公式（4）计算出实时输水流量。
流量数据处理系统完成输水计量的主控，数据处理、流量输出、数据存储（包括月、日、时、进口水位、出口水位、流量值6个参数的正点值。系统存储容量为32K字节，可存储两个月的数据）、向大屏幕显示传送数据（进口水位、出口水位、流量值）。
流量数据处理系统由主控、时钟、数据处理存储、显示、RS-232C通过接口组成，外围连接打印机及大屏幕数据显示。
（3）流量数据的输出
流量数据处理系统完成输水计量的数据处理，分别以3种方式输出，即打印输出，向大屏幕显示输出和内存数据RS-232C串行口输出。
四、结束语
自流道流量测量系统自1995年11月下旬安装并连续运行至今，仪器工作稳定可靠，水位测量与水尺比测，流量测量与原测量方法比测，均达到满意的效果，用此新方法测算出的流量数据满足流量计量的精度要求，达到了设计指标要求。自流道流量测量系统性能先进，实现了自流道输水水流量计量完全自动化的目的，是明渠输水计量的理想系统，它的推广使用将产生明显的经济效益和社会效益。