ADCP检测技术探讨

Ø 新型水文仪器层出不穷

随着社会的发展、新技术日新月异，现代水文监测由传统的人工驻站观测发展为以无人值守有人看管的自动在线监测为主，人工巡测为辅的现代化水文测验模式。大量先进测验技术手段和新型仪器设备应用于水文行业。例如声学多普雷技术的ADCP、图像识别技术PIV、PTV、超声波时差法、雷达测流、电磁流速仪等等。省界断面水资源水量的监测，对这些新型水文仪器测量的准确性法治性提出了更高要求。这些水文仪器不仅是水文仪器，还得是计量认证过的仪器。目前新型水文仪器的计量是“短板”。

Ø新型水文仪器的计量短板

按照我国“水利工程补短板 水利行业强监管”新时期治水工作重点的要求，进一步推动水文现代化建设，解决日益突出的“水计量”这一水利行业监管短板，迫切需要对水文、水资源计量器具按照《中华人民共和国计量法》要求开

展计量检定工作。

随着“最严格水资源管理制度”的实施，ADCP类监测仪器在许多分界断面、国家基本水文断面应用颇多，其监测数据的法制性、可溯源性要求随之提出，

因此迫切需要对这类仪器开展检测计量。

ØADCP简介

ADCP是声学多普勒剖面流速仪的英文缩写，它利用声学多普勒原理来实现流速测量的。这里有两个假设，一是反射声波信号的浮游物体是随着水流运动的且运动速度和水流一致；二是四个波束都在测量同一个流速矢量，即流速在一个小范围的同一水平面上是稳定均匀的。

ADCP仪器有多种类型，其中以走航式ADCP的结构和功能最复杂，对实现检测的要求也最高，如果能够实现对走航式ADCP的检测，也就涵盖了其它类型ADCP的检测，下面就以走航式ADCP为例，来探讨其检测方法。

ØADCP的检测方法

底跟踪、水跟踪、测深和换能器声性能,需在水槽环境下实现检测。GB/T 24558-2009《声学多普勒流速剖面仪》指出流向性能在陆上检测，纵横摇性能没有提及，但也宜在陆上检测。

仪器类型检测参数依托平台难点和关键技术备 注

ADCP

底跟踪速度水槽+检定车

水跟踪速度水槽+检定车水中反射物、消声

测深水槽+检定车长测杆及控制

换能器发射声场水槽+检定车测量设备及控制声源级+指向性流向流向检测仪检测仪的准确性陆上

纵横摇

倾角检测平台+

标准倾角仪

倾角检测平台研制陆上

ØADCP的检测参数

实现对走航式ADCP仪器性能的全

面检测，需对它的5个性能，即底

跟踪性能、水跟踪性能、定向性能、测深性能和纵横摇性能，再加上1

个，换能器的声性能，共计6个检

测项。

Ø速度检测平台（拖曳

水槽）

水槽：长度194米，其中注水段180米，槽内壁宽7.5米，深

度6.1-6.3米，水深5.5米。

检定车：尺寸：8.3m×7.6m×3.

2m（宽×长×高）；车速范

围：0.01～6m/s；重量：14

000kg；供电功率：45kW（3

80V）

（1）底跟踪速度的检测

底跟踪速度的检测主要是由拖曳水槽实现的，借用仪器的采集软件，一般水槽都是可以做底跟踪比测试验的。底跟踪检测实现难度不大，主要是采集软件部分工作。

（2）水跟踪速度的检测

水跟踪检测需要水中存在合适的声学反射物才能实现，而这正是实现ADCP检测的最大难点所在。水槽一般在室内，水体内的悬移质随着时间的推移，都会逐渐沉淀，而由于在室内，缺乏水体流动、阳光照射等原因，水中的微生物也会越来越少。这样就造成水中声学反射物越来越少，使得对ADCP的水跟踪性能难于检测。

（3）水跟踪检测的难点

在水中增加合适的声学反射物是实现ADCP检测的关键，国内外的检测机构为此都做过不少尝试，如美国地调局曾在泰勒水槽试验过在水中撒石灰水，山东水文局在潍坊水槽试验过加泥浆水。虽然在泰勒水槽的试验实现了ADCP的水跟踪检测，但因为水体遭到污染，污染清除困难，代价也很大，因此难于把此种方式作为正常检测手段来应用。

我所通过不断的探索和试验，提出了一种方法，可以有效增加水中的反射物实现对ADCP水跟踪性能的检测，且不会污染水体。这个方法就是通过在水槽水体中增加纳米气泡，作为水中的声波反射物，从而有效反射超声波，对水槽水体也不会造成污染。

（4） 探索与试验

A、传统气泡发生（太大，上

升速度快，滞留时间短）

B、纳米气泡发生

纳米气泡发生装置是把空气用

高速旋回切割方式融入水中，

采用旋回式气液混合型纳米

气泡发生技术快速高效地制

取微纳米气泡水。

空压机+格栅式气泡发生

C、水槽的消声

由于普通水槽的壁面会反射声波，干扰声场，从而带来较大的试验误差。这就需要在壁面覆盖一层吸声材料，做成消声水槽，以消除反射波，提高测量准确度。

检定证书

Ø换能器声性能检

测平台

声源级和指向性测量系

统整体框架由标准水听器、前置信号处理和数据采集器构成。标准水听器布置在水槽中，通过监听水槽内换能器的信息，经前置放大、滤波处理后，由数据采集器采集信号，经处理后的数据传送到计算机，其基本结构如图示。

Ø测深性能测平台这个平台是由拖曳水槽+测深杆组成。

Ø定向性能检

测平台研制

Ø纵横摇（倾角）检

测平台研制

Ø

常见新型水文仪器

ØWHR600-1型ADCP检

测结果测试时间： 2018 年5 月28日

测试环境：气温: 23 °C、相对湿度: 70%RH、水温:13.0°C

测试人：韩继伟、赵士伟、毛春雷

测试结果：底跟踪速度误差0.0010m/s～0.0290m/s；剖面流速误差0.0004m/s～0.0350m/s

标准检定点测速轮速度

底跟踪剖面

速度绝对误差

相对误差

（%）

流速绝对误差

相对误差

（%）

0.20 0.2000 0.19950.00050.250 0.20110.00120.583

0.50 0.49950.50250.0030 0.594 0.49990.00040.087

1.00 1.0011 1.00730.00620.619 0.99890.00220.216

1.50 1.5018 1.49760.00420.278 1.49710.00470.311

2.00 2.0017 1.99650.00530.263 1.99780.0040 0.198

2.50 2.4984 2.50130.00290.116 2.48350.0150 0.598

3.00 3.0016 2.97270.02890.963 2.9960 0.00570.188

3.50 3.5017 3.4850 0.01670.477 3.49340.00840.239

4.00 4.0015 3.98530.01620.406 4.01610.01460.364

5.00 4.9964 4.97190.02450.490 4.96140.0350 0.701 最大值 4.9960 4.9720 0.0290 0.963 4.9610 0.0350 0.701最小值0.2000 0.1990 0.0010 0.1160.2010 0.00040.087平均值 2.3200 2.3120 0.0110 0.445 2.3150 0.0090 0.349标准差 1.4900 1.4810 0.0100 0.231 1.4850 0.0100 0.197