明渠测流方案典型设计.doc

明渠流量监测系统方案设计 北京金水中科科技有限公司 2011 年 10 月 10 日 目 录 一、系统网络结构及组成 二、明渠流量计的种类及选型（测流方法及选择） (一)、明渠流量计的种类（明渠测流方法） 1、水位法 2、流速面积法 3、两种方法的比较 (二)、明渠流量计的选型（测流方法选择） 1、宽度 20 米以上的宽浅渠道的测流方法选择 2、宽度 20 米以内的窄渠道的测流方法选择 三、数据传输方案 四、电源系统 五、监控管理软件 六、设备典型配置及预算 附件:相关设备性能及技术指标 １ 一、系统网络结构及组成 系统网络结构图： 其中：①流量计由水位流速传感器与终端机（二次仪表）组成； ②监控管理软件安装于服务器上。 ③通讯仪器可选无线通讯设备或有线网络通讯设备。 ④电源系统可采用民用供电系统或太阳能供电系统，也可使用电池供电。 ２ 系统组成： ①明渠流量计 ②通讯仪器 ③监控软件及服务器 ④电源系统 ３ 二、明渠流量计的种类及选型（测流方法及选择） （一）明渠流量计的种类（明渠测流方法） 明渠测流方法从原理上可分为两大类：水位法与流速面积法。 水位法是通过测量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并经 经验公式或实验曲线换算成流量来实现计量的。 流速面积法不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（实 际上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速 来求得流量。 1、水位法 水位法流量计实际上是水位计加辅助的工程建筑物的总称。 ·辅助的工程建筑物主要有： 量水槽（巴希尔槽、无喉道量水槽等） 量水堰（薄壁堰、三角堰、宽顶堰等） 标准断面（指顺直的规则断面） 闸孔涵洞 ·水位计主要有： 超声波水位计（接触式式） 超声波水位计（非接触式式） 浮子式水位计 压力式水位计 雷达水位计 磁伸缩水位计 水尺（人工读数） ４ 一般讲如果是自由出流，用一个上游水位就可通过公式换算或查 曲线求得流量，如果是淹没出流，则需要上下游两个水位。在精度方 面，由高向低排列如下： 类型 精度 自由出流薄壁堰 2% 自由出流宽顶堰 3% 自由出流巴希尔槽 3% 自由出流无喉道量水槽 3%-5% 自由出流闸孔 5% 自由出流标准断面 10-20% 淹没出流薄壁堰 20% 淹没出流宽顶堰 25% 淹没出流巴希尔槽 25% 淹没出流无喉道量水槽 25% 淹没出流闸孔 20-30% 淹没出流标准断面 30% （上述精度是渠道小于 5 米且流态较稳时的理论精度，渠道越 宽精度越低） ５ 2、流速面积法 流速面积法流量计主要通过测流速及水位来计算求得流量，主要 有： ①超声波时差法 测量线流速，分单声道法与多声道法。 ②超声波多普勒法 测量局部面流速，分为 ADCP 法（适合宽渠道，有固定 与走航式两种。）与普通多普勒法（适合宽 20 米内渠道） 。 ③流速仪法 测量点流速，人工手动测量。 ④非接触面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪） 按渠道宽窄具体使用以下方式： ·窄渠道（一般宽度在 20 米以下）： 普通多普勒法（纵向发射） 精度 2% 时差法流量计 精度 2% 流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定 用。） 非接触面流速仪 ·宽渠道： 固定 ADCP 法（横向发射） 多普勒走航式明渠流量计 时差法明渠流量计 流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定 ６ 用。） 非接触面流速仪 3、两种方法比较 水位法是通过测量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并经 经验公式或实验曲线换算成流量来实现计量的。因此水位法流量 计需要修建量水建筑物，且精度不高，当渠道沿程水头差较小时， 量水建筑物会产生水头损失而影响渠道过水；另一方面当量水建 筑物下游附近建有闸门等挡水建筑物时会在量水建筑物处形成淹 没出流，此时测量精度会大幅下降。水位法一般应用于宽度比较 小或流量比较小的渠道，渠道宽度超过 1 米时，量水建筑物造价 会增加很多，而此时不做量水建筑物直接用渠道的水位流量经验 关系曲线测流时精度会很低。 流速面积法则不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（实 际上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速 来求得流量，并且精度高，且不受下游顶托水的影响。流速面积 法流量计主要有超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计。 由于超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计过去主要以 国外产品为主，国内几乎没有同类产品，因此造价很高，一般在 主要干渠及重要支渠上安装此类产品，斗口很难普及，一般均以 水位法流量计（水位计+量水建筑物）作为斗口计量的主要设备。 由北京金水中科科技有限公司开发生产的 HOH-L-01 型多普 勒超声波明渠流量计，在技术性能与国外同类产品一样的情况下， 极具价格优势，特别是当渠道宽度较大时，其价格低于水位计与 ７ 量水建筑物的造价之和，因此明渠流量计可首选 HOH-L-01 型多 普勒超声波明渠流量计。 （二）明渠流量计的选型（测流方法选择） 1、宽度 20 米以上的宽浅渠道的测流方法选择 渠道宽度在 20 米以上时，水位法误差会很大，因此只能采用流速 面积法测流。可选用的流速面积法目前主要有以下四种方法： ①固定 ADCP 法（横向发射） ②多普勒走航式明渠流量计 ③时差法明渠流量计 ④流速仪（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。） ⑤非接触面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪） 其中②、④需要人工辅助测量，不能在线自动监测；①、③为目前 主要采用的在线监测方法，⑤即可人工测也可在线自动监测。 时差法明渠流量计适用于清水，水中汽泡与杂质不宜过多，有单声 道与多声道之分，安装于渠道的两岸，安装精度要求高，维护费用也高， 目前使用比较少。 固定 ADCP 法（横向发射）原理为多普勒法，适用于污水及有汽泡 或杂质的清水，有单探头与多探头之分，安装于渠道单侧，安装维护相对 简单，目前被广泛使用。 ８ 2、宽度 20 米以内的窄渠道的测流方法选择 如果水位法能满足测流要求，则尽量用水位法，原因主要有： ①安全性好：其野外防盗防破坏及防淤积性能均优于流速面积法。 ②可靠性好：不受水中悬浮物干扰，不易受环境影响。 ③安装维护简单：不需停水安装与检修。 水位法 修建量水建筑物 渠宽限制 顺直段要求 可靠性及安全性 精度 水头损失 受下游雍水影响 造价 一般需要，费用随渠道宽度增加而增 加。 2 米以内 流速面积法： 不需要 没有 前 10 后 5 前 10 后 5 高 一般 有些情况下高（如薄壁堰），有些很 低（淹没出流标准断面）。 有 普遍高 没有 大 没有 随渠宽增大而增大 与渠宽没关系 流速面积法的选型： 流速仪一般用于人工手动校核率定测量，不用于自动监测，ADCP 一般用于宽渠道的测量，且价格很高。一般中小渠道流速面积法的选择主 ９ 要三种类型： ①超声波时差法流量计（分单声道法与多声道法） 如：RISONIC2000（瑞士） ②超声波多普勒法流量计 如：HOH-L-O1（北京金水中科） ③非接触面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪） 1）．超声波时差法流量计（分单声道法与多声道法） 实物安装图如下图： 安装示意图如下： １０ 测流原理如下图： １１ 断面的平均流速等于=(V1*A1+V2*A2+…Vi*Ai+…+Vn*An)/A Vi :第 i 个流速探头测量的平均线流速 Ai :第 i 个分割面积 １２ 2）．超声波多普勒流量计 实物安装图如下图: 安装示意图如下图: 测流原理如下图: １３ 断面的平均流速=实际测速范围内的杂质最大概率流速 １４ 3）．非接触面流速仪法（雷达流速仪、超声流速仪） 前两种常用方法相互比较如下： 测速原理均是测出标准断面上的部分流速来换算为整体断面的平 均流速，这里只比较两种测量方法的精度： ①超声波时差法（多声道法） ②超声波多普勒法 从理论上讲，两种方法测得的各自测流范围的流速精度应该都是很 高的，都在 1%以内，关键是换算为断面整体平均流速时其计算模型会产 生误差，因此这两种方法的实际断面流量测量精度主要是换算模型及公式 的精度及校准精度。从上述测量原理图中可以看出，超声波时差法（多声 道法）的实际测量范围是线，超声波多普勒法的实际测量范围为面，比较 如下图： １５ 超声波时差法（多声道法）与超声波多普勒法的测量精度及优缺点进 行比较。 测 量 精 度 水质 要 求 清水， 超声波时差法 水 中 漂 （多声道法） 浮 物 要 少 浑水， 超声波多 水中需 普勒法 有杂质 或气泡 安装 价格 可靠性 维护 宽 浅 渠 道 中 等 渠 道 窄渠道 （渠宽〉 5 （5 倍水深》 （渠宽〈水 倍水深） 渠宽》水深） 深） 难 高 中 高 高 一般 易 中 中 一般 高 很高 （对窄渠道（一般宽度在 20 米一下）多普勒法（纵向发射）流量计与时差法流量计相 比，当水位波动较大时，前者精度较高，当流态左右岸不均匀时，后者较高。 ） 如何提高测量精度 １６ 以上两种测流方法在实际应用中其实际测量精度与理论精度（即 仪器出厂标定精度）肯定会有一定的差距，这主要是由于安装位置、安装 精度、数据处理方法、校准方法等产生的，因此提高测量精度主要从这几 点入手： （1）调整安装位置 尽量选择具有标准断面的顺直渠道，满足前 10 后 5 的要 求（既仪器上游顺直段有 10 倍渠宽，下游顺直段有 5 倍渠 宽）。如果不满足这个要求，水的流态不会非常平稳，会产生 测量结果偏大或偏小的情况，这时就需要进行修正，一般是 乘以一个修正系数（该系数是通过现场率定产生的）或调整 安装位置。 （2）提高安装精度 主要为流速探头的安装角度、位置等是否准确，如果安装 角度发生偏差，则结果会有一个固定的误差系数，这时候为 提高测量精度则需要调整安装角度或乘以一个修正系数。 （3）数据处理方法 主要是指在实际测量过程中现场会有各种干扰（如正在测 量时有鱼在流速探头附近游过），使个别数据不准或完全失 真，如果测量的时间间隔较大，则这些失真数据会对测量结 果产生较大影响，因此需要增加测量时间间隔密度或对失真 数据进行删除或平滑处理。 （4）校准方法 校准时一定要保证在一段时间内测量断面处的过流量保 １７ 持恒定，否则在涨水或落水的过程中同样的水位会对应不同 的流量，造成校准系数结果偏大（落水）或偏小（涨水） ；另 一个要注意的是要选择一个或几个合适的水位附近进行校 准，不能选择极端水位；当实际断面过流量的准确值无法获 得时，可通过对称法或反向法安装仪器来抵消系统误差。 １８ 三、数据传输方案 通讯方案有四种大类可选： a.有线方式:电缆、光缆 b.无线超短波电台:230M c.无线宽带通讯:CANPY d.公网通讯：GPRS、GSM 考虑造价及维护费用，一般首选公网通讯。 四、电源系统 １９ 当监测现场有民用电时，可作为首选使用，可充电蓄电池作为备份。 由于测流现场多为野外，一般无民用电可用或接电费用太高，因此供 电基本采用太阳能电源或蓄电池方式。考虑蓄电池需一个月维护一次，野 外测点多而分散，维护工作量很大，目前大都采用太阳能供电系统；在采 用太阳能电源方式时，由于野外没有建筑物可用，主要考虑防盗需求，需 要在测点旁竖立电杆以便架设太阳能板及其他现场设备。另当监测传输设 备均为微功耗时，可采用一次性锂电池，可连续工作一年以上。 五、监控管理软件 监控管理软件一般为网络版，安装于管理站专用服务器上，并将依 照《国家防汛指挥系统工程实时水雨情库表结构》制订的相关标准水 情实时数据库，同时提供基于 WEB 方式的浏览、查询及统计等功能。 一般具有以下基本功能： a.数据采集功能： 自动接收现场设备采集的实时数据，并存储于相应的数据库 表中；人工方式导入人工上报的现场数据；实时招测现场数据。 b. 查询统计分析及报表功能 ①以报表形式显示各用水户的用水流量及累积用水量、 ②各用水户用水量的对比分析统计 ③各用水户的水费统计分析 ④以及相关的统计分析报表等 c.用水户管理: ２０ 系统可自动增加及修改用水户及相关测点内容； 人工输入用水户及测点等实体的相关属性数据。 d.权限管理: 系统对不同用户可设置不同的使用权限 六、设备典型配置及预算 ２１ 一个流速面积法流量测点（太阳能供电）的标准设备配置方案如下表： 序号 名称 规格 1 流速面积法流 量计 单位 数 量 套 1 HOH-L-01 2 GPRS 通讯仪 供货价 （元） 市场报价（元） 备注 包括流速水位传感器与 二次仪表 1 只 3 太阳能电源 套 1 4 电杆 根 1 5 避雷器 套 1 包括太阳能电池板、充电 电源、电源控制器、 12V120AH 免维护蓄电池 保护设备及电池 6 控制箱 只 1 7 数据电缆 米 20 8 附属土建设施 处 1 一个水位法流量测点（太阳能供电）的标准设备配置方案如下表： 序号 名称 规格 单 位 数 量 供货价 1 水位法流量 计 HOH-S-YD 套 1 量水建筑物 处 1 GPRS 通讯仪 只 3 太阳能电源 套 1 4 电杆 根 1 5 避雷器 套 0 控制箱 只 7 数据电缆 米 8 附属土建设 施 处 市场报价 备注 严格地讲水位法流量计包括 了量水建筑物。即水位法流量 计的组成是：水位传感器+积 算（二次仪表）+量水建筑物 2 6 保护设备及电池 1 1 附件：相关设备性能及技术指标 ２２ 1、HOH-L-01 多普勒超声波明渠流量计 仪器结构图： 各部件名称如下： 1 探头 2 上位机（终端机） 3 通信电缆 4 转接线 其中探头安装于渠道底部，上位机置于控制箱与通讯设备相连，现场 安装图如下： ２３ 技术指标： ·流速： ·量程： 20mm/s 到 10000mm/s。 ·准确度：测量流速的±1%。 ·分辨率：1mm/s。 ·温度： ·量程： 0℃到 60℃。 ·分辨率：0.2℃。 ·水位： ·量程： 0 到 10m。 ·分辨率：1 mm。 ·准确度：测量水位的±0.5%。 ·流量： ·准确度：测量流量的±2%。 ·电源： 12V DC 或 220VAC。 ·接口： 标准 RS232、RS485。 ·通讯协议： Modbus。 ·数据储存容量： 每 10 分钟采集一条记录，可以存储超过 6 个月的数据，而且这些数据即便在掉电的情 况下，也可以长期不丢失。 ·运行温度： 0℃到 60℃水温。 ·外壳材料： pc 塑料。 ·尺寸： （250×105×35）mm（探头）。 （230×180×65）mm（终端机）。 10m（通信电缆标准长度，可加长到 100 m）。 ２４ 2、HOH-S-YD 微功耗水位式流量计 应用范围：具有量水槽或量水堰的渠道的流量测量。 功能特点： ◆微功耗设计，自带蓄电池在野外可连续工作 7200h。 ◆内置无线传输模块，可实现流量数据的自动无线传输。 ◆安装简单，运行稳定可靠，维护方便。 ◆防潮防盗性好，可安置于水位井中或地埋。 技术指标： 水位传感器： 精度 0.5% ，量程 3m，输出 4-20mA。 上位机（数据采集器）： 标准 MODBUS-RTU 协议、PSBUS 协议， 存储半年数据，输出 RS485/RS232。 流量精度： 1%～15%（与量水槽、堰的型式及其施工精度有关，其中薄 壁堰精度最高。 ）。 ２５