聲學(xué)多普勒的水流測量系統(tǒng)是水與廢水行業(yè)中的主要工具，不僅測量水流速度，還可以測量水位以及計(jì)算流量（排放量），并且測量數(shù)據(jù)的輸出格式可輕松實(shí)現(xiàn)上傳到商業(yè)數(shù)據(jù)記錄器、SCADA系統(tǒng)、PLC以及遠(yuǎn)程遙測設(shè)備。

儀器常用到名稱如下：

#  ADFM–聲學(xué)多普勒流量計(jì)

#  ADVM–聲學(xué)多普勒流速

# AVM–面積流速型流量計(jì)

#“超聲波”流量計(jì)

上述術(shù)語有時(shí)可以互換使用，如“多普勒”。但并非所有多普勒系統(tǒng)均采用相同的工作方式，用于流量測量的多普勒系統(tǒng)大致可以分為兩類：連續(xù)波 (CW) 和脈沖。SonTek聲學(xué)多普勒系統(tǒng)（例如SonTek-IQ）就是脈沖多普勒，連續(xù)波式或脈沖式多普勒是否適合于特定場所將取決于環(huán)境因素和精度要求。

價(jià)格通常被視為連續(xù)波式與脈沖式多普勒流量計(jì)之間的主要區(qū)別，有時(shí)這也是選擇儀器時(shí)最重要的考量。然而，對(duì)大多數(shù)操作人員和管理人員而言，了解技術(shù)差異及其在野外環(huán)境的意義將有助于作出明智的選擇，同樣關(guān)系到設(shè)備操作、數(shù)據(jù)質(zhì)量保障和未來的決策。本技術(shù)說明旨在從實(shí)踐的角度闡明某些重要的技術(shù)差異。

聲學(xué)多普勒流速測量系統(tǒng)采用多普勒頻移的物理原理來測量水流速度。多普勒原理指出了，如果聲源相對(duì)于接收器運(yùn)動(dòng)，則接收器處的聲音頻率會(huì)與發(fā)射頻率相偏移。請注意，多普勒系統(tǒng)實(shí)際上并未直接測量水流速度，而是測量懸浮在水柱中的散射顆粒的速度，并假設(shè)顆粒的運(yùn)動(dòng)速度與水流速度相同。如果沒有反射信號(hào)的散射顆粒，則多普勒系統(tǒng)將無法測量速度。

反射信號(hào)的振幅將隨著水中散射顆粒的密度、顆粒材料及其在發(fā)射頻率下的聲波反射率以及與換能器的距離而變化。傳輸?shù)穆暡ㄐ盘?hào)從換能器呈幾何圖形傳播，而且聲音也被水所吸收。傳輸損耗與系統(tǒng)范圍的平方成正比，而反射信號(hào)強(qiáng)度降低到系統(tǒng)噪聲等級(jí)的距離決定了最大測量范圍。

需要注意的是

此類多普勒系統(tǒng)無法直接測量流量（排放量）。流量是基于測得速度、測得水位和渠道截面積而計(jì)算出的參數(shù)。由于系統(tǒng)僅測量聲波所在的渠道的部分水流速，因此使用教科書理論模型或特定于地點(diǎn)的校準(zhǔn)（指標(biāo)流速率定）將儀器測得的速度與平均流速相關(guān)聯(lián)。然后將平均流速 (V) 乘以渠道截面積 (A) 以求出流量值 (Q=VA)，其中渠道截面積由用戶提供的有關(guān)渠道幾何形狀、儀器位置以及所測水位的信息所確定。因此，流量的準(zhǔn)確度部分取決于估算流量時(shí)，渠道流速分布的信息量。

以下是筆直且潔凈的混凝土襯砌運(yùn)河（顯示的典型現(xiàn)場照片）中不規(guī)則速度分布的部分示例，這是在SonTek-IQ的開發(fā)過程中使用FlowTracker手持式ADV系統(tǒng)在密集間隔的離散單點(diǎn)中測得的流速：

如示例中所示，渠道中的速度分布通常是不均勻的，并且邊界層（如渠道的底部或側(cè)面）附近的速度通常明顯較低。

儀器常用到名稱如下：

# 由于速度數(shù)據(jù)中的任何誤差都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的流量出現(xiàn)誤差，因此儀器的速度測量精度至關(guān)重要。

#  用戶給出的渠道幾何形狀和儀器位置的誤差將導(dǎo)致計(jì)算出的流量出現(xiàn)誤差。

#  將儀器測得的速度與平均流速相關(guān)聯(lián)的方法將影響所計(jì)算出的流量的精度。

多普勒原理同其他原理比較時(shí)，“多普勒”概念容易被默認(rèn)為成“連續(xù)波”，這種誤解會(huì)導(dǎo)致混淆和歪曲。由于多普勒的脈沖和連續(xù)方式是不同的，因此了解引用哪種多普勒方法總是重要的，本節(jié)將對(duì)此進(jìn)行解釋。

連續(xù)波系統(tǒng)通常是單波束解決方案，這意味著采用單波束來接收聲波信號(hào)。如果多普勒系統(tǒng)沒有被定位為“脈沖”、“剖析”或“距離選通”儀器，則通常默示其為連續(xù)波系統(tǒng)。連續(xù)波系統(tǒng)最常使用獨(dú)立的發(fā)射和接收換能器，從而發(fā)射相對(duì)于水深的長聲脈沖。

本質(zhì)上，系統(tǒng)將連續(xù)信號(hào)發(fā)射到水中，同時(shí)信號(hào)反射。因此，接收的信號(hào)是沿聲束范圍里，所有散射介質(zhì)的反射信號(hào)振幅與相位組合，任何空間信息都是未知的，因?yàn)椴豢赡軐⑻囟ɑ芈曅盘?hào)與沿波束的對(duì)應(yīng)位置關(guān)聯(lián)。

尤其是在淺水區(qū)，有些連續(xù)波系統(tǒng)更容易測量到從水面或河床反射的信號(hào)，因?yàn)檫B續(xù)波系統(tǒng)不跟蹤反射來自哪個(gè)位置。這些錯(cuò)誤的邊界反射會(huì)給真實(shí)的測量帶來明顯的噪聲和偏差。

脈沖式多普勒系統(tǒng)（如SonTek-IQ）在水中傳輸短的聲波脈沖，然后分段偵聽反射信號(hào)，依據(jù)脈沖傳輸后的時(shí)間轉(zhuǎn)換成脈沖在水中的傳播距離，從而確定了作為信號(hào)源顆粒的位置。

通過測量發(fā)射脈沖后的特定時(shí)間內(nèi)反射的聲波信號(hào)，系統(tǒng)能夠測量水速的剖面，其中的水柱分成多個(gè)深度單元（也稱為距離單元或?qū)樱?。在每個(gè)單元中，水速是根據(jù)測量的聲學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算的。這樣做的效果是提供了從底部到水面的許多離散的、緊密間隔的測量數(shù)據(jù)。一些脈沖多普勒系統(tǒng)將報(bào)告來自單個(gè)測量單元的流速，而不是輸出測量的剖面流速。也就是說，他們在得到速度剖面后計(jì)算平均速度。

由于每個(gè)脈沖多普勒換能器既是發(fā)射器又是接收器（稱為“單站”），因此系統(tǒng)在發(fā)射信號(hào)后必須等待一小段時(shí)間，以便有時(shí)間從系統(tǒng)中清除發(fā)射脈沖。這種暫停會(huì)在系統(tǒng)旁邊產(chǎn)生一個(gè)無法收集數(shù)據(jù)的區(qū)域，這被稱為“盲區(qū)”。

SonTek-IQ系統(tǒng)具有四個(gè)用于測量水流速度的換能器：

兩束與測量上游和下游的系統(tǒng)的軸線對(duì)齊

兩束對(duì)系統(tǒng)側(cè)面進(jìn)行測量的偏斜波束

因此，SonTek-IQ可以解釋整個(gè)渠寬上某些水平速度的變化。另外，除壓力傳感器外，還具有一束用于精確測量水深的聲束。

連續(xù)波 (CW) 多普勒系統(tǒng)通常使用單聲束來接收已被水中懸浮顆粒所反射的信號(hào)。通常，將系統(tǒng)置于渠道、管道或水流的中間，這意味著要測量的水流速度處于儀器前方的渠道中心。有些型號(hào)集成了用于測量深度的壓力傳感器。

脈沖多普勒系統(tǒng)使用兩個(gè)或多個(gè)聲束來接收已被水中懸浮顆粒所反射的信號(hào)。聲束被進(jìn)一步“劃分”為可測量整個(gè)水柱中各層水流速度的離散單元。對(duì)于SonTek-IQ，共有四束聲束-一束在渠道中心朝向上游，一束在渠道中心朝向下游，一束偏斜聲束朝向渠道右側(cè)，一束偏斜聲束朝向渠道左側(cè)。SonTek-IQ還具有用于測量水深的第五束聲束以及壓力傳感器。

SonTek-IQ Plus版本提供了流量監(jiān)測解決方案，適用于深度最大為5m的較大運(yùn)河和自然環(huán)境。具有在水平和垂直方向跨渠道采集小至2cm的單元中的速度分析數(shù)據(jù)的功能。

連續(xù)式多普勒系統(tǒng)連續(xù)、同步收發(fā)的運(yùn)行方式，其中一個(gè)影響稱為范圍偏置。由于傳輸?shù)男盘?hào)與系統(tǒng)的距離越來越弱，因此距離傳感器較近的粒子的聲學(xué)反射對(duì)接收信號(hào)的影響將大于距離較遠(yuǎn)的信號(hào)。如果通道中的速度分布均勻，則靠近傳感器的散射粒子的影響就無關(guān)緊要了。但如前所述，通道中的速度通常不均勻。位于發(fā)射端附近的散射顆粒產(chǎn)生的更強(qiáng)信號(hào)影響，會(huì)導(dǎo)致對(duì)離系統(tǒng)更近的聲波反射產(chǎn)生范圍偏差。

由于聲傳輸損耗（衰減、吸收），測距偏差問題隨著渠道深度的增加而增加。

■ 因此

由于最大速度通常出現(xiàn)在水面下方，連續(xù)波系統(tǒng)的最大渠道深度會(huì)受到限制。

例如，在水面附近可能存在對(duì)實(shí)際總流量有著重大影響的高流速情況，但是來自近水面速度的信號(hào)輸入可能比來自靠近底部的較慢速度的信號(hào)輸入要弱。

通常情況是，底部沉積物濃度較高或顆粒較大，因此具有較強(qiáng)的反射特性。更為復(fù)雜的是，這種偏差會(huì)隨著時(shí)間和條件而變化。散射顆粒通常在整個(gè)水柱中分布不均勻，并且不同材料的顆粒將具有不同的反射特性。例如，礦物沉積物將具有不同于絮凝劑的散射和反射特性，并且水柱中是否存在沉積物云團(tuán)及其位置都能夠引起幅值不斷變化的偏差。在高動(dòng)態(tài)的環(huán)境條件下。

■ 因此

即使在不同流量下校準(zhǔn)連續(xù)波系統(tǒng)的做法，也可能無法解釋和滿足存在的眾多未知變量。

脈沖多普勒系統(tǒng)不受測距偏差的影響。由于系統(tǒng)專為測量精確定時(shí)的、以空間為參考的速度數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，因此諸如SonTek-IQ類的脈沖多普勒系統(tǒng)通常會(huì)提供更高的速度精度、更高的速度范圍和深度范圍，從而可以計(jì)算出準(zhǔn)確的排放量（流量）數(shù)據(jù)。

■ 因此

脈沖多普勒系統(tǒng)被認(rèn)為在更大范圍的條件下，尤其在因水力學(xué)、水質(zhì)、顆粒大小和成分而變化的環(huán)境中，有更高的可靠性。

多普勒流量計(jì)（如圖所示的SonTek-IQ）根據(jù)從水中顆粒反射回來的信號(hào)來測量水流速度。通常，水流速度（由箭頭表示）隨深度和與邊界的距離而變化，從而形成速度（流量）剖面（由曲線表示）。對(duì)于諸如SonTek-IQ之類的脈沖多普勒系統(tǒng)，顆粒的形狀、大小和在水中的分布不會(huì)使速度測量結(jié)果產(chǎn)生偏差，因?yàn)槊總€(gè)測量結(jié)果均由在水柱中多個(gè)已知位置進(jìn)行的多次測量組成。

即使條件發(fā)生變化，脈沖多普勒系統(tǒng)也會(huì)捕獲速度剖面信息。當(dāng)流量發(fā)生變化或顆粒濃度隨每日、季節(jié)性或運(yùn)行因素而變化時(shí)，這將獲得更精確的測量結(jié)果。由于連續(xù)波系統(tǒng)缺乏檢測流量剖面的能力，因此通常依賴于流量校準(zhǔn)，對(duì)于每種新的流量或顆粒條件，都可能需要重新校準(zhǔn)。

SonTek-IQ在意大利普利亞地區(qū)Vasca Tavoliere的部署示例。該定制安裝架是由Consorzio di Bonifica della Capitanata設(shè)計(jì)的，旨在安全高效地維護(hù)儀器。

聲學(xué)多普勒流量計(jì)的典型硬件組件。

連續(xù)波 (CW) 和脈沖多普勒系統(tǒng)均可采用一體或分體式配置。脈沖多普勒SonTek-IQ（左圖）由包含傳感器、處理和通訊電子設(shè)備的單個(gè)單元組成。大多數(shù)連續(xù)波系統(tǒng)由兩個(gè)組件組成，傳感器通過電纜連接到裝有處理和通信電子設(shè)備的頂盒。

多普勒儀器的波束角（聲束“向上投射”到水中的角度）取決于制造商和某種型號(hào)。由于波束角會(huì)影響本儀器的有效測量范圍，因此是一個(gè)重要參數(shù)。SonTek-IQ采用與垂直方向成35°的波束角，這意味著波束更為垂直。相反，許多連續(xù)波系統(tǒng)采用更為水平的波束角，例如與水平方向成20°角。當(dāng)以更大的水平角度發(fā)送時(shí)，聲脈沖在到達(dá)水面之前有著更長的傳播距離，傳播距離越長，連續(xù)波系統(tǒng)的信號(hào)越易衰減。

在某些情況下，較深的水環(huán)境可能導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度不足以測量水柱的中層或上層。某些連續(xù)波型號(hào)在低功率設(shè)置（首先產(chǎn)生較弱的信號(hào)）下運(yùn)行，這進(jìn)一步增加了在較長距離下信號(hào)丟失的可能性。

■ 因此

在較高的水位下，較大的水平波束角會(huì)使測量結(jié)果偏向靠近河床的水流速度。同樣，通常會(huì)針對(duì)此類偏差或無法測量的區(qū)域校準(zhǔn)連續(xù)波傳感器，但如果環(huán)境條件不夠穩(wěn)定，則水深、流態(tài)或顆粒條件的任何變化（無論好壞）都會(huì)影響信號(hào)衰減，因此需要更改校準(zhǔn)以保持?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

由于連續(xù)發(fā)射和接收信號(hào)，連續(xù)波系統(tǒng)通常具有最小盲區(qū)要求極低的優(yōu)勢。

■ 因此

連續(xù)波系統(tǒng)可以在比脈沖多普勒系統(tǒng)更淺的深度進(jìn)行測量，具體取決于換能器的設(shè)計(jì)和尺寸。

此外，連續(xù)波系統(tǒng)通常采用分體兩件式設(shè)計(jì)，并使用一根小型水下傳感器電纜將其連接到位于水面某處的大盒子上。由于可以將處理電子設(shè)備、記錄器和通信模塊放置在較大的頂側(cè)盒中，因此可以將水下傳感器外殼作得更小，并且可以在較淺的深度進(jìn)行測量。

脈沖多普勒系統(tǒng)可以采用一體或分體式設(shè)計(jì)。SonTek-IQ是單個(gè)單元，只需連接到外部電源即可運(yùn)行。但是，由于系統(tǒng)包含處理電子設(shè)備和內(nèi)部記錄器并采用了更多的聲換能器，因此其尺寸可能比大多數(shù)連續(xù)波設(shè)計(jì)中可能采用的小型水下傳感器要大。此外，如前所述，諸如SonTek-IQ類的脈沖多普勒在傳感器面附近設(shè)計(jì)了最小的盲區(qū)。有時(shí)，與連續(xù)波式多普勒相比，脈沖式多普勒對(duì)操作深度的要求更高。

SonTek-IQ采用與垂直波束角呈35°的角度，而許多連續(xù)波系統(tǒng)則采用通常未在文檔中更為水平的波束角。由于波束角的不同，許多連續(xù)波系統(tǒng)在較高水位時(shí)可能遭受更大的信號(hào)衰減，從而導(dǎo)致流場上層的采樣不足或不可測的區(qū)域。

如果低流量和低速度是預(yù)期條件，則必須注意連續(xù)波系統(tǒng)的工作原理可能會(huì)更受限制。由于連續(xù)波系統(tǒng)同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)，發(fā)射信號(hào)會(huì)干擾連續(xù)波系統(tǒng)檢測多普勒頻移為零的能力；因此無法檢測到零速或低速。因此，連續(xù)波系統(tǒng)將表現(xiàn)出流速限值，低于該速度將無法可靠運(yùn)行。

脈沖多普勒系統(tǒng)通常沒有流速限值規(guī)定。由于發(fā)射和接收脈沖都是定時(shí)的，因此脈沖多普勒電子設(shè)備能夠檢測與發(fā)射信號(hào)分離的零多普勒頻移信號(hào)。這樣，流速限值實(shí)質(zhì)上即為系統(tǒng)的速度分辨率。這在存在回水條件、雙向流動(dòng)和分層流動(dòng)的區(qū)域中提高了脈沖多普勒的功效，在這些區(qū)域中，速度較低和接近零的可能性更大。

任何多普勒儀器收集的原始數(shù)據(jù)都是速度數(shù)據(jù)。盡管經(jīng)常被忽略，但需要注意的是多普勒儀器如何將測得的速度轉(zhuǎn)換為流量值。

正如前面所討論的，連續(xù)波系統(tǒng)不提供任何有關(guān)水柱中速度分布的信息。其單一測量結(jié)果是波束路徑中可檢測到的所有聲反射的組合。總信號(hào)可能受到水柱中沉積物濃度的衰減和變化以及總測距偏差的影響。

■ 因此

通常需要校準(zhǔn)連續(xù)波系統(tǒng)，以便以任何精度將測得的速度與實(shí)際平均渠道速度相關(guān)聯(lián)。進(jìn)行此校準(zhǔn)時(shí)，僅在特定的校準(zhǔn)條件下才可靠。

對(duì)于條件一致且不變的地點(diǎn)，連續(xù)波系統(tǒng)的性能應(yīng)與脈沖多普勒系統(tǒng)類似。然而，為了使連續(xù)波系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確的速度數(shù)據(jù)，流場條件的任何變化都需要重新進(jìn)行校準(zhǔn)。在由于降雨、回水、底部附近的高沉積物負(fù)荷等可能導(dǎo)致條件變化的應(yīng)用場合，將需要重新校準(zhǔn)以涵蓋每種特定情況。如果需要一定的精度要求，則應(yīng)謹(jǐn)慎考慮設(shè)備、人工或服務(wù)中的初始校準(zhǔn)費(fèi)用和和潛在的持續(xù)校準(zhǔn)費(fèi)用。

某些連續(xù)波系統(tǒng)會(huì)發(fā)布流量精度規(guī)格，即使流量是如上所述基于環(huán)境因素以及客戶提供的并非直接測得的詳細(xì)信息（例如渠道截面積）而計(jì)算得出的參數(shù)。這些流量精度規(guī)格通常依賴于理想、簡化和不變條件的假設(shè)，因此，應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待。

SonTek-IQ標(biāo)準(zhǔn)模型可測量速度剖面，然后處理數(shù)據(jù)以輸出單個(gè)測量單元，并使用理論模型計(jì)算流量。SonTek-IQ Plus和SonTek-IQ Pipe模型可提供速度剖面，計(jì)算流量時(shí)，它們允許用戶在使用理論模型或指標(biāo)速度校準(zhǔn)之間作出選擇。與連續(xù)波系統(tǒng)相同，特定場所的率定可以比理論模型更準(zhǔn)確地將測量速度與實(shí)際平均渠道流速關(guān)聯(lián)。SonTek-IQ對(duì)多波束的引用進(jìn)一步滿足了更多選擇，在流場內(nèi)找到一個(gè)波束和區(qū)域隨著條件的變化，提供關(guān)系。對(duì)于SonTek-IQ，流量算法專為應(yīng)用于小渠道、灌溉溝渠、排水渠、管道等而設(shè)計(jì)，其波束幾何形狀在詳細(xì)研究此類應(yīng)用（第2頁的參考圖）速度條件的基礎(chǔ)上，考慮了渠寬上的水平速度變化并提高了理論流量計(jì)算的性能。

由于流量計(jì)算的多個(gè)變量取決于操作人員和環(huán)境特征（渠道截面積測量、儀器安裝與設(shè)置、水力特性等），因此，SonTek發(fā)布了SonTek-IQ系統(tǒng)的速度精度而不是流量精度規(guī)格。

建議

根據(jù)ISO或其他政府規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，采用適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場技術(shù)和儀器（例如便攜式機(jī)械流量計(jì)、聲學(xué)多普勒流速計(jì)或聲學(xué)多普勒流速剖面儀）定期評(píng)估并檢查現(xiàn)場的流量精度。SonTek可應(yīng)要求提供有關(guān)這些標(biāo)準(zhǔn)和方法的其他參考資料。

在多普勒系統(tǒng)中，SonTek-IQ的另一個(gè)特點(diǎn)是同時(shí)使用中心線波束和偏斜波束。偏斜波束允許朝著渠道兩側(cè)測量速度。

這些附加信息有助于更全面地理解整個(gè)測量橫截面的流量。如果并未測量某個(gè)點(diǎn)的實(shí)際速度剖面，則可能尤其難以準(zhǔn)確量化明渠流量條件，即使只是偶爾作為檢測分析也是如此。如果沒有這些附加信息，則用于根據(jù)測得的速度數(shù)據(jù)計(jì)算流量的方法通常需要依賴假設(shè)和估計(jì)。

SonTek-IQ Pipe旨在用作可在大多數(shù)工業(yè)或農(nóng)業(yè)應(yīng)用中使用的底部或頂部安裝式流量計(jì)。它可以提供從0.5m一直到5.0m的管道中的精確流量值，而與是否滿管無關(guān)。

盡管多普勒流量計(jì)可能精度，但用戶設(shè)置和對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注同樣可能影響流量數(shù)據(jù)的優(yōu)劣。尤其重要的是應(yīng)驗(yàn)證傳感器安裝處的橫截面尺寸。

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