非接觸流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

摘 要：近年來(lái)國(guó)家實(shí)施了最嚴(yán)格水資源管理制度，對(duì)水資源的精細(xì)管理提高到一個(gè)新的高度。渠道沖淤劇烈，主流擺動(dòng)頻繁，尋找到主流并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握斷面淤積變化情況是流量準(zhǔn)確測(cè)驗(yàn)的關(guān)鍵。作者結(jié)合某典型河段，選取某典型閘對(duì)計(jì)量設(shè)施進(jìn)行了升級(jí)改造，結(jié)合典型水閘，安裝多垂線非接觸測(cè)流系統(tǒng)和泥沙淤積厚度傳感器，多點(diǎn)覆蓋斷面非接觸雷達(dá)測(cè)流設(shè)備的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)流速面積法精確計(jì)算斷面流量，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線精確計(jì)量。該項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研制，可以很好的解決典型河段渠道寬淺、主流擺動(dòng)及在線監(jiān)測(cè)等難題。

關(guān)鍵詞：非接觸 實(shí)時(shí)計(jì)量 流量監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（201501（b）-0002-01

為實(shí)現(xiàn)水資源的精細(xì)化管理，選取某典型河段實(shí)施了引水流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制，實(shí)現(xiàn)了引水的“實(shí)時(shí)、在線、精確”計(jì)量。由于該河段水多含沙特性，積極開(kāi)展科技攻關(guān)，采用新的方法對(duì)某典型水閘計(jì)量設(shè)施進(jìn)行了改造。該系統(tǒng)將多種類(lèi)型的自動(dòng)測(cè)量設(shè)備配合無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)等，研制集成非接觸流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1. 建設(shè)背景

精確計(jì)量水量，進(jìn)行精細(xì)化管理是促進(jìn)水資源節(jié)約利用的有效手段。目前水閘流量測(cè)驗(yàn)普遍采用流速面積法，即流量由流速與輸水?dāng)嗝婷娣e所確定。流速由傳統(tǒng)流速儀測(cè)量，水位多為人工觀測(cè)，自動(dòng)化程度較低，工作量大，作業(yè)效率低，資料實(shí)效性較差，難以滿足供水管理現(xiàn)代化、精細(xì)化、信息化的要求。

秋收時(shí)期輸水渠內(nèi)作物秸稈、雜草等較多，影響儀器測(cè)驗(yàn)精度甚至造成儀器設(shè)備的損壞。對(duì)此需要一種脫離水面工作的儀器進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。該典型閘渠道寬、淺，渠道沖淤劇烈，主流擺動(dòng)頻繁，尋找到主流并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握斷面淤積變化情況是流量準(zhǔn)確測(cè)驗(yàn)的關(guān)鍵。

2 項(xiàng)目概況

此次某典型閘安裝多垂線非接觸測(cè)流系統(tǒng)和泥沙淤積厚度傳感器。多點(diǎn)覆蓋斷面非接觸雷達(dá)測(cè)流設(shè)備的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)流速面積法精確計(jì)算斷面流量。該項(xiàng)技術(shù)是國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)研制并投入應(yīng)用，可以很好的解決典型河段渠道寬淺、主流擺動(dòng)及在線監(jiān)測(cè)等難題。

淤積厚度傳感器是對(duì)斷面泥沙淤積厚度進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)并通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行分析、處理，并且對(duì)過(guò)水面積進(jìn)行有效修正，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算斷面面積，保證了流量的準(zhǔn)確性。原始數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)傳設(shè)備傳送到現(xiàn)地站和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

流量（Q）測(cè)驗(yàn)是通過(guò)測(cè)量斷面平均流速（V）和過(guò)流面積（A）實(shí)現(xiàn)的，即：

Q=V×A

其中，斷面平均流速是通過(guò)測(cè)量斷面上某一點(diǎn)或某一區(qū)域的流速（Vi），然后通過(guò)水力學(xué)模型或標(biāo)定的方法和斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，從而得到斷面平均流速。而過(guò)流面積是與水位和斷面形狀有關(guān)系的，對(duì)于有沖淤變化的斷面我們要通過(guò)測(cè)量水位和斷面形狀來(lái)推算過(guò)流面積。

根據(jù)以上分析該系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置流速傳感器、水位傳感器和淤積傳感器分別對(duì)流速和過(guò)流面積進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)并通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行分析、處理、計(jì)算出流量，測(cè)量結(jié)果通過(guò)數(shù)傳設(shè)備傳送到數(shù)據(jù)中心；另外，系統(tǒng)還應(yīng)有控制設(shè)備對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)控制，還要配備電源、機(jī)柜等輔助設(shè)備保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 流速監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

由于渠道相對(duì)比較窄，而且渠道硬化相對(duì)比較規(guī)范，在纜道（桁架）移動(dòng)測(cè)流的基礎(chǔ)上升級(jí)在桁架上安裝三個(gè)非接觸雷達(dá)測(cè)流裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三條垂線流速，而且數(shù)據(jù)直接通過(guò)光纖傳輸?shù)介l管所，保證了設(shè)備的安全。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)，測(cè)驗(yàn)精度與移動(dòng)測(cè)流基本一致，保證了精度要求。這種測(cè)流方式的升級(jí)使得斷面測(cè)房的設(shè)備得到極大簡(jiǎn)化，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和推廣的需要。

系統(tǒng)建成后，經(jīng)多次試運(yùn)行和流量比測(cè)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，從走航式已經(jīng)升級(jí)為多點(diǎn)定位方式，達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面主流和控制整個(gè)斷面流量的效果。

3.3 水位測(cè)量方案設(shè)計(jì)

目前用于水位在線測(cè)量的儀器設(shè)備很多，如浮子水位計(jì)、壓力水位計(jì)、氣泡水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)等。其中浮子、壓力、氣泡水位計(jì)均為浸沒(méi)（接觸）式測(cè)量，它們共同缺點(diǎn)是隨著主流的擺動(dòng)和沖淤的變化存在著脫離被測(cè)水體的可能。而超聲波水位計(jì)和雷達(dá)水位計(jì)是非接觸測(cè)量?jī)x器，可靈活的安裝在常年有水的區(qū)域上方，其中雷達(dá)水位計(jì)更具有精度高、工作穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以柳園口測(cè)流系統(tǒng)應(yīng)采用雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量水位。

3.4 淤積測(cè)量方案設(shè)計(jì)

此次安裝的是XD-2202淤積厚度傳感器。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為自動(dòng)運(yùn)行，泥沙淤積厚度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量河底泥沙厚度，配合水位計(jì)得到斷面平均水深和斷面面積；安全監(jiān)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)則保證系統(tǒng)的運(yùn)行和用電安全。

3.5 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集可用一臺(tái)工控機(jī)來(lái)完成，它可以根據(jù)設(shè)置，控制纜道將儀器停留在主流的上方施測(cè)，并采集測(cè)量數(shù)據(jù)，分析、計(jì)算、顯示、輸出。

3.6 數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用GPRS傳輸方式，GPRS正常情況下信號(hào)較穩(wěn)定。一旦遇到通訊故障系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到備用信道，待主信道故障排除后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回到主信道傳輸數(shù)據(jù)。另外，系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)召回功能，當(dāng)主、備信道都出現(xiàn)故障，一旦恢復(fù)通訊系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將缺失的數(shù)據(jù)召回。

3.7 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括中心站軟件和數(shù)據(jù)查詢、發(fā)布軟件兩部分。各監(jiān)測(cè)站采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通信設(shè)備匯集于中心站，暫存于中心站數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器作為原始資料，經(jīng)分析、處理放入共享庫(kù)供調(diào)用。數(shù)據(jù)查詢軟件可根據(jù)用戶的權(quán)限提供其權(quán)限范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，它可以報(bào)表和過(guò)程線的形式顯示，還具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出和報(bào)表打印的功能。

該系統(tǒng)的成功研制，為多沙河流引水測(cè)流提供了便捷準(zhǔn)確的計(jì)量方式，有利于水量的準(zhǔn)確計(jì)量和自動(dòng)化水平的提高。

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