1 前言
多声道流量计测流精度高，一般来说一台四声道流量计在充满水的管道中其测流精度可达±0.5%，在明渠中其测流精度可控制在±1%~±1.5%之间。多声道流量计的核心部件是一台微处理器（微型计算机），因此它能够实现流量的在线自动连续测量，能够进行数据远传和计算机联网，实现数据共享。近年来生产的多声道流量计，由于采用了大规模或超大规模集成电路和高可靠性电子元器件，加上换能器的质量保证已达到了的高度，因此使它一般具有10年以上的可用寿命。
在实际使用中， 四声道流量计已能满足大多数用户对测流精度的要求，而且投资适中。因此，笔者所涉及的内容以四声道流量计为主。
2 多声道流量计的测流原理
先，分析一下单声道即一对换能器流量计的情况。其测流原理，如图1所示。
设换能器、与水流方向的夹角为θ，水的流速为且不考虑横流的影响，声道长度为L，在静水中的声速为C。当p1发射P2接收时，的顺流传播时间为：
（1）
当发射P2发射P1接收时，的逆流传播时间为：
（2）
逆顺向传播的时间差为：
（3）
因为COSθ≤1而且V2<C2，所以
（4）
受水温变化的影响，声速C在淡水中会在1400~1500m/s之间发生变化，为了消除温度变化的影响，将C用L和T1、T2代换。
因为
这里
由式（4）可得：
（5）
由（5）式计算出来的流速是传播路径上的线平均流速。对于测流断面很小而且流态很好的场合，如对于有很长直管段的小口径管道，当流速在一定范围内时，可以求出线平均流速和面平均流速之间的相关系数，进而求得流量。但对于测流断面较大、流量也比较大而且流态分布比较复杂的情况而言，很难找出线平均流速和面平均流速之间的相关系数。在这种情况下，就必须用多声道流量计进行测流。
图2为在充满液体的圆形管道中采用平行四声道流量计的测流原理示意图。
对于图中的每一条声道，由式（5）求出线平均流速，再用加权积分计算出面平均流速和流量，即：
（6）
（7）
式中：
为面平均流速；Ki 为第i 声道加权积分系数（i=1，2，3，4）；Vi 为第i 声道线平均流速（i=1，2，3，4）；S为管道横截面面积；Q为测流断面流量。
3 误差源分析和误差控制
将式（5）中的
用T1、T2进行代换并近似处理后，可得单声道线流速公式：
（8）
由式（7）和式（8）可以看出，造成流量测量误差的因素主要有如下几个方面：
3.1 安装测量误差
（1）声道长度L测不准引起的误差：因为线流速V与声道长度L成线性关系，所以L的任何误差都将给V带来相同的误差。
（2）声道角θ测不准引起的误差：因为与COSθ成反比，所以θ的测量误差也会引起线流速的误差。如当θ=45°时，θ角有1°的误差将会造成1.7%的线流速误差。
（3）测流截面积误差：截面积的大小很少能测得十分。如，对于大截面的圆管来说，在大多数情况下，截面都不很圆。由于流量误差与截面积误差成线形关系，所以S 的任何误差都将给流量Q带来与之成比例的误差。如，0.1%的半径测量误差将国产生0.2%的流量误差。
3.2 顺逆向传播时间T1、T2测不准引起的误差
流量误差与T1、T2的误差成线性关系。造成T1、T2测量不准的主要原因有：
（1）由计数器中晶振频率引起的时基误差。
（2）与流动液体无关的传播延时。包括信号电缆、逻辑电路与检波器延时；与换能器窗有关的声波延时以及当换能器与流场分离（如，当换能器被安装在凹进过流管道内壁）时，声波在静止液体中的传播延时。
上述时间误差只能使
增加而并不改变△T 的值，显然会造成线流速V和流量Q的误差。
3.3 横流误差
当流线方向与测量断面轴线不平行时，类似于声路角的测量误差将表现在流速中。这一效应称为横流误差，通常是由上游有弯曲流道、流道形状及大小的变化或者障碍物离测量断面太近引起的。
3.4 声信号强度变化引起的误差
沿任一声道传播的信号除正常传播损失外，还会由于液体中夹带汽泡、泥沙，或者由于换能器表面磨损、换能器表面附着水生物，或者挂上杂物等而国产生衰减和失真。元器件的性能退化也会国产生类似的影响。当声信号强度过弱或严重失真时，如果接收机不能保证正确地识别每一个输入脉冲的同一点（如脉冲的个前沿），那么对流量计的精度将国产生严重的影响。
3.5 积分误差
积分误差被定义为通过对实际流速分布的准确积分而获得的流量与流量计测得的离散流速数值积分而获得的流量之差。流速分布与雷诺数和管道粗糙度有关。
3.6 温度和压力变化引起的误差
温度和压力的变化会引起3种截然不同的潜在性误差。先是温度和压力对声速的影响；二是温度和压力的变化会引起管道尺寸的变化：三是温度的变化会引起流速分布的变化。
3.7 脉动流引起的误差
3.8 其他误差
如，量化误差等。
对于上述8种误差源，只要在流量计的设计制造及现场安装中采取预防措施，就能很好地予以控制，使流量计的总误差符合实际测流的要求具体措施如下：
（1）在流量计的安装过程中，采用安装测量工具或使用高精度的经纬仪、钢尺对每一对换能器的声道长度进行多次测量取平均值作为准确值，这样可使声道长度误差保持在0.1%以下。采用高精度激光经纬仪对换能器定位，可使声道角的测量误差小于0.03°。在测流段的多个相邻断面上多次测量管道的截面积并用其平均值作为准确值，可基本上保证流量误差小于0.2%。在有条件的地方，例如对于直管段很长的钢管，当其半径不很大而且具备施工条件时，可在钢管上安装“测量管”，测量管的内径与被测管道的内径*相同。由于测量管是经精密机械加工而成而且换能器的安装也是在测量管上预先进行的，这样就避免了测流现场安装误差可能会较大的情况发生，其代价是增加了工程投资。
（2）为了保证声波逆顺向传播时间测量的准确性，多声道流量计在设计制造时，采取了以下措施：① 计数器电路中采用80MHz以上的高稳定度石英晶体振荡器，时基误差控制在±12.5 ns以下。② 在实验室中，准确测量信号电缆、逻辑电路和检波器等仪器硬件的延时并在实际安装现场予以合理的测算，然后从总传播时间中扣除。③从流量计面板上输入有效声道长度系数，对存在静止液体的声道进行修正。
（3）对于横流误差，可以采取两种方法予以控制：① 将声道定位在尽可能远离测量流道的弯曲部。当这一条件不具备时，应将声道定位在与弯曲部的平面垂直的位置，以尽量减少横流误差。② 另一种可选择的办法是在与原声道相同的高程上增加同等数量的声道，但安装的角度相反，如图3所示。
假设：两个声道长度都等于L，原声道角=θ=Ф=45°，实际流速方向角=θ'=43°、Ф'=47°，实际流速=V，测得：
这里K = 2VL/C2
正确值应为：ΔT = KCOSθ
∴相对误差
若设置第二个交叉声道，则第二个测量值为ΔT =ΔT'=KCOSФ'
∴相对误差
平均相对误差为
E=（E1+E2）/2 ≈-0.0012
可见，在采用交叉声道测流时，横流误差可被恰当地抵消。
（4）对于由流量计本身电子元器件老化而引起的声信号强度衰减现象，由流量计内部的声信号质量监测电路和自动增益控制电路（AGC）予以解决。对于外部因素（换能器挂上杂物等）造成的衰减和失真除了由信号质量监测电路负责剔除不可靠信号外，在有条件的地方，可以通过清除换能器表面杂物等方法予以解决。
（5）积分误差是很难*消除的，但是由于多声道流量计所获得的流速分布的形状是在多点上连续采样的结果，这就使流量积分的精度很高，而且多声道流量计的积分公式经过了严格的理论验证和实际测流检定，其积分误差可控制在小于0.1%。
（6）对于由温度和压力变化而造成的误差，其解决方法有3种：① 在线流速公式中，用顺逆向传播时间T1、T2 代替静水中的声速C，消除了温度变化造成的线流速测量误差。② 采用内敷式（湿式）换能器，声信号不经过中间介质而直接射入流体中，消除了介质中声速变化造成的误差。③ 温度和压力对管道尺寸的影响和对流速分布造成的影响是很微小的，在实际中可以忽略。
（7）对于脉动流的影响，可通过流量计的智能化予以解决。由于多声道流量计采用了微处理器（微型计算机），并且整套装置没有机械惯性，所以可快速采样，用很短时间内多次采样的平均值计算出来的流量可以消除脉动流的影响。
（8）其他误差可通过流量计的设计安装以及软件来予以修正和补偿。为了保证四声道流量计在有压管道上达到±0.5%的精度，要求被测管道测流断面的上游少应有10倍直径的直管段、下游必须有2倍直径以上的直管段，否则就应考虑采用交叉8声道的办法。
事实证明，四声道流量计的误差控制方法*可以使其达到规定的精度。如，1996年天津市水利局从美ORE公司进口的7500型四声道流量计，在天津市计量技术研究所的水流量标准装置（准确度±0.2%）DN1000mm管道上采用容积法检测，检定其基本误差为±0.43%.并颁发了具有法定计量效力的检定证书（热流字第961115号）。
4 四声道流量计在引水工程中的应用
近几年来，多声道流量计在引水工程上的应用越来越普遍。如，引黄济青工程、京密引水工程和引滦入津工程的水量计量都使用了四声道流量计。现以UF-911A型四声道流量计为例，介绍其在引滦入津工程暗渠中的使用情况。
UF-911A型四声道流量计由南京南瑞自动控制有限公司生产，其主要技术参数如下：
4.1 外接电源
交流电：220V±10%，50Hz
4.2 被测水流条件
水温：0~50℃
水中不溶物含量：≤2%（体积比）
换能器限工作水压：≤5MPa（500m水压）
明渠换能器限工作水压：≤2MPa（200m水压）
4.3 被测管道条件
管道直径：0.5~15m
渠道宽度：1~100m
管壁材料：不限
4.4 测量误差
有压圆管或方涵：±0.5%（4或8声道）
±1.5%（2声道）
无压管道或明渠：±1.5% ~±2%（4或8声道）
±2% ~±5%（2声道）
4.5 输出方式
彩色液晶显示（color_TFT）
汉字打印机输出口
RS-232（485）串行通讯口
4~20mA模拟量输出口（可选）
4.6 主机和扩展箱工作环境
环境温度：-10~40℃
空气相对湿度：≤90%（不凝露）
图4和图5为UF-911A型流量计构成示意图，它由主机箱和装于被测流道上的换能器构成。换能器和主机之间用同轴射频电缆来传递声信号。一台UF-911A流量计配置不同数量和类型的换能器可测量一条或同时测量多条管道、渠道。
流量计的主机箱内装有微型计算机控制管理系统和发射、接收系统。微机系统的主要功能有：进行上电自检，控制看门狗电路，进行周期性的系统检验；管理面板上的显示器和小键盘；提供存储器单元的掉电保护；控制所有换能器的工作；计算流量及累积流量；对流速和流量进行可靠性校验；内插由于信号丢失等原因而丢掉的数据；响应所有的系统输入，驱动所有的系统输出及报警；控制系统的诊断。
发射、接收系统的主要功能有：控制换能器发射声波信号；检测并处理来自接收换能器的信号并识别其个负脉冲；调节每个声道每个方向的自动增益控制（AGC）设定；检验每次测量中信号的完整性；更新每次测量中的状态信息；计算一个或一组声道的声信号传播时间，或者由微机控制管理系统将若干个连续的测量计算值进行平均；向微机控制管理系统回送每次测量的传播时间和状态；进行周期的闭环自检。
UF-911A型流量计的软件采用模块化结构，可根据使用要求灵活组配。除了基本流量测量和调试软件外，为了提高流量计的测量精度和可靠性，还配备了一些特殊功能软件，主要有：声波信号质量甄别和处理软件、自检和在线诊断软件、软件滤波、与看门狗相适应的自恢复程序等。
UF-9l1A型流量计的16对换能器装在入津暗渠的双孔3.35m×3.35m钢筋混凝土方涵中，安装测流断面位置按照天津市水利勘测设计院SJ-04和SJ-05图纸的要求进行，45°内敷式换能器的安装按照南京南瑞自动控制有限公司《内敷式换能器安装操作手册》的要求进行，对误差源进行了有效控制，从而保证了流量计的出厂精度。
5 结语
时差法多声道流量计由于较好地解决了实际流态分布、信号处理和测流现场安装等技术难题，实现了大流量的稳定准确测量，因而是大型引供水工程水量计量和水电站经济运行的理想流量监测仪器，得到了越来越广泛的使用。
