灌区水情监测系统方案.docx

<<灌区水位流量监测系统方案>> 北京金水中科科技有限公司 目 录 一.系统网络结构 二.水位计的选型 1.压力式水位计 2.超声波水位计（非接触式） 3. 浮子式水位计 三.明渠流量计的选型 1.明渠流量计的分类 2.明渠(宽 20 米以内的窄渠道)流量计的选型 3.多普勒超声波明渠流量计 四.监测管理软件 五.系统集成与安装 六.系统预算 一、系统网络结构 其中：①水位计由水位传感器与终端机（采集控制器）组成； 流量计由流量传感器与终端机（采集控制器）组成。 ②监控管理软件安装于服务器上，BS 结构，管理者可在 任何地点上网登录查询及操控； ③服务器与固定 IP 最好租用电信运营商的。 ④电源可选太阳能供电或电池供电两种方式。 二、水位计的选型 目前应用的水位计主要有： 浮子式水位计 压力式水位计 超声波水位计（非接触式） 超声波水位计（接触式） 雷达水位计 磁伸缩水位计 水尺（人工读数） 传统上浮子式水位计应用比较多，主要特点是可靠性与稳定性好、 精度也高，缺点是需要较大的安装井，机械式为格雷编码，需十几根 数据线。压力式随着其稳定性的提高且安装简单，近几年有着较广泛 的发展应用。雷达式在测量大量程方面有着独特的优势，但过去价格 一直偏高，影响了其普及。超声式（非接触式）这几年随着其价格的 大幅下降，在小量程领域发展很快。磁伸缩水位计由于其绝对精度很 高，抗干扰性能好且价格也适中，普及也很快。超声式（接触式）一 般市场上产品很少，价格也很高，在实验室偶见使用。水尺主要是人 工辅助读数，不能实现远程自动监测。 水位计比较表 序 种类 号 1 可 稳 使 靠 定 用 性 性 寿 精度 价 安装难易 格 （辅助建筑 功耗 缺点 较大的水位 机械式 机械式为格雷 井 不用电 编码,需 17 根 物） 备注 命 浮子式 高 高 长 水位计 高(绝对 中 精度) 数据线；电子 式断电后零点 需重新设定。 2 压力式 高 高 中 水位计 3 超声波 高(相对 低 安装简单 低 精度) 差 差 中 水位计 低(相对 有零点漂移， 每年需校准。 低 安装简单 底 精度) 不加套管安装 时易受环境影 （非接 响。 触式） 4 雷达 中 中 中 水位 中(相对 高 安装简单 高 精度) 外安全保护难 计 5 磁伸缩 5 设备较大，野 度较大。 中 中 中 水位计 高(绝对 中 安装难度大 低 精度) 安装时必须有 套管，大量程 时安装困难。 6 超声波 差 高 短 水位计 高(相对 高 安装难度大 低 精度) 易受水中沉积 物影响 （接触 式） 水尺（人 7 高 高 长 工读数） ①压力式水位计 低(绝对 很 精度) 低 安装简单 不需电 不能实现自动 人工 监测 读数 HOH-S-Y 型压力式水位计实物及安装图如下： 应用范围：地表水或地下水水位测量，当水体含沙量≤5kg/m3 时都 可应用该传感器精确测量。 功能特点：安装简单、维护方便、受现场环境干扰少。 技术指标：传感器：精度 0.2% ，量程 1-100m，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。 ②超声波水位计（非接触式） HOH-S-CF 型超声波水位计实物及安装图如下： 应用范围：地表水或地下水水位测量，不受水质及含沙量影响。 功能特点：安装简单、维护方便、不受水质影响。 技术指标：传感器：精度 1% ，量程 1-10m，输出 RS485/RS232; 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。 ③浮子式水位计 HOH-S-F 型浮子式水位计实物及安装图如下： 应用范围：地表水或地下水水位测量，不受水质及含沙量影响。 功能特点：运行可靠、维护方便、能适用各种水质。 技术指标：传感器：精度 0.5% ，量程 1-100m，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。 三、明渠流量计的选型 1．明渠流量计的分类 明渠流量计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).水位法流量计 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） 超声波水位计（非接触式） 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） 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） 2).流速面积法流量计 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超声波时差法流量计 测量线流速，分单声道法与多声道法。 ②超声波多普勒法流量计 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电磁法流量计 测量点流速，分为单点法与多点法。 ④流速仪法流量计 测量点流速，人工手动测量。 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）： 普通多普勒法流量计（纵向发射） 精度 2% 超声波时差法流量计 精度 2% 电磁流量计 精度 2% 流速仪法流量计（手动测量，比较可靠，现场率定 用。） ·宽渠道： 固定 ADCP 法流量计 多普勒走航式流量计 超声波时差法流量计 流速仪法流量计（手动测量，比较可靠，现场率定 用。） 2. 明渠(宽 20 米以内的窄渠道)流量计的选型 如果水位法能满足测流要求，则尽量用水位法流量计，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。 水位法流量计 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 一般需要，费用随渠道宽 度增加而增加。 流速面积法流量计 不需要 2 米以内 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）。 普遍高 水头损失 有 没有 受下游雍水影响 大 没有 随渠宽增大而增大 造价 与渠宽没关系 流速面积法流量计的选型： 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电磁法流量计（分单点法与多点法） 如：LMM-60（开封仪表） 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： 测流原理如下图： 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 2).超声波多普勒法流量计 实物安装图如下图: 安装示意图如下图: 测流原理如下图: 断面的平均流速=实际测速范围内的杂质最大概率流速 3).电磁法流量计（分单点法与多点法） 实物安装图如下图： 安装示意图如下图: 测流原理如下图： 以三点法为例: 断面的平均流速等于=(V1 *A1+V2*A2+V3*A3)*K/A Vi :第 i 个流速探头测量的点流速 Ai :第 i 个分割面积 K: 模型转换系数 以上三种流量计相互比较如下： 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，其中超声波时差法流量计的单声道法与电磁法的单点法 在渠道水位变化时流速探头会接近甚至露出水面， 因此精度不会很高， 所以这里只比较以下三种流量计的精度： ①超声波时差法流量计（多声道法） ②超声波多普勒法流量计 ③电磁法流量计（多点法） 从理论上讲，三种流量计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，因此这三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电 磁法（多点法）的实际测量范围是点，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： 从上述测量范围可以看出，超声波时差法（多声道法）的测 量范围完全包含了电磁法（多点法）的测量范围，因此前者的精度肯 定会比后者高（实际应用中可能后者的测量精度有时会高于前者，这 主要是由于安装位置、安装精度、校准方法等引起的，如果在同样的 位置并采用同样的安装精度及校准方法，后者的精度肯定不会高于前 者。）。 所以下面只对超声波时差法流量计（多声道法）与超声波多普勒 法流量计的测量精度及优缺点进行比较。 测 量 精 度 水 质 安装 价格 可靠性 要 求 维护 清水， 水中漂 超声波时差 浮物要 法流量计（多 少 声道法） 难 高 中 高 高 一般 浑水， 水中需 有杂质 或气泡 易 中 中 一般 高 很高 超声波多普 勒法流量计 宽浅渠 中等渠道 窄渠道 道（渠宽〉 （5 倍水深》 （渠宽〈水 5 倍水深） 渠宽》水深） 深） （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。） 3、多普勒超声波明渠流量计 HOH-L-01 型多普勒超声波明渠流量计实物及现场安装图如下： 仪器结构图 各部件名称如下： 1 探头 5 转接线 2 上位机 3 通信电缆 4 输出输入数据线 应用范围：渠道或河流的流量计量，适合各种水质：城市污水、工业废水、 灌溉用水、饮用水、海水。 功能特点： 同时测量平均流速、水深、水温，对非宽浅渠道测流精度很高； 为国内首次开发的超声波多普勒明渠流量计，其中分体式具有良 好的防堵防盗性能。 技术参数： ·流速： ·量程：21mm/s 到 5000mm/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 5m 。 ·分辨率：1 mm。 ·准确度：测量水位的±0.5%。 ·电源：12V DC/220AC。 ·输出接口：标准 RS232、RS485。 ·数据储存容量：每 10 分钟采集一条记录，可以存储超过半年的数据。 ·运行温度：0℃到 60℃水温。 四、监测管理软件 监控管理软件主要功能： 1).数据采集功能： 自动定时采集与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。 2).取水点管理 系统可自动增加及修改取水点及相关测点内容； 人工输入取水点等实体的相关属性数据。 3).报警功能 在设备断电或遭人为破坏系统自动报警 4).权限管理 系统对不同用户可设置不同的使用权限 5).数据查询及统计分析报表功能 主界面 实时水位流量 流量日报表 流量月报表 流量年报表 五、系统集成与安装 一个水位或流量监测点的组成如下： 水位或流量传感器 二次仪表（数据采集器） 通信设备（GPRS 方式或 GSM 方式） 电源系统（太阳能系统或市电） 室内或室外设备保护箱（控制箱） 其它辅助设备（信号分配器、空气开关、防雷、 备用电源、门开关等） 单个监测点设备组成图 系统结构图 控制箱内部结构 太阳能供电系统实物图（主要包括太阳能电池板、太阳能控制器、蓄 电池、安装电杆） 六、系统预算 序号 1 产品名称 太阳能供 电水位计 系统 产品部件 数 量 终端机（采集控制器） 1只 GPRS 通信仪 1只 超声水位传感器 1个 不锈钢室外机箱 1个 分价（元） 合价（ 元） 太阳能电源系统（包括蓄 电池、太阳能电池板 1套 （40W）、太阳能控制器） 其他（电源避雷器、端子、 1套 线材、门开关等附件） 2 太阳能供 电流量计 系统 终端机（采集控制器） 1只 GPRS 通信仪 1只 多普勒超声流量传感器 1个 不锈钢室外机箱 1个 太阳能电源系统（包括蓄 电池、太阳能电池板 1套 （40W）、太阳能控制器） 其他（电源避雷器、端子、 1套 线材、门开关等附件） 3 监测软件 系统 4 其它费用 太阳能保护杆 1 水位井或 PVC 护套管 1 备注：监控管理软件先按通用模式开发，用户要求功能增加时费用另加。 合计：小写金额：￥ 大写金额： 备注