CS-3型流速流量儀研發(fā)與應(yīng)用

牛 奔 ，王素芬 ，郝改云

（1.濟(jì)寧市水利局科技研究推廣站，山東 濟(jì)寧 272019；2.濟(jì)寧水文水資源勘測局，山東 濟(jì)寧 272019；3.濟(jì)寧市水利工程施工公司，山東 濟(jì)寧 272010）

灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度,污水排放總量控制方案等，需要進(jìn)行大量的水流測量，其中90%的測量任務(wù)是中小型渠道和溝道，目前普遍使用的是便攜式轉(zhuǎn)子類流速儀。現(xiàn)有轉(zhuǎn)子類流速儀的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，主要是為了滿足和適應(yīng)江河大尺度水測量要求的，而用于灌區(qū)和城市污水排放的中小型溝渠水量測量，普遍存在著以下種種不足：1）沒有“斷面流量自動計(jì)算”的功能，不適應(yīng)基層農(nóng)民用水協(xié)會使用；2）儀器沒有測點(diǎn)、測量時(shí)間、流速、流量的自動存儲，無法實(shí)現(xiàn)無紙化測量記錄；3）由于傳感器體積較大，大多數(shù)儀器的最小測深為10～30cm，無法在淺水流渠道測量；4）鉛魚普遍過重，均在5公斤至幾百公斤，施測不方便；5）無夜視功能，不適宜在夜間和陰暗天氣測量；6）在測桿上安裝流速儀測量時(shí)，需要穿著皮褲站在水中測量；7）沒有與儀器相配套的灌區(qū)測水量水及污水排放管理的軟件，水量統(tǒng)計(jì)分析麻煩。

為解決上述問題，濟(jì)寧市水利局科技研究推廣站進(jìn)行了“CS－3型多功能流速流量儀、灌區(qū)水管理及城市污水排放管理軟件”系統(tǒng)的研發(fā)工作。該系統(tǒng)運(yùn)用流體力學(xué)、微電子工程學(xué)、電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、機(jī)械工程學(xué)等理論研制而成，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。系統(tǒng)由曲面渦輪流速傳感器、快速測量操作桿、微型鉛魚、智能儀表、測水量水管理軟件等構(gòu)成，主要用于灌區(qū)測水量水、污水排放量巡回監(jiān)測及水源調(diào)查等領(lǐng)域，目前已進(jìn)行了廣泛的推廣應(yīng)用。

1 CS-3型多功能流速流量儀設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由傳感器、二次儀表、測桿、儀器包、測水量水管理軟件等構(gòu)成。深水渠道還需配合本成果設(shè)計(jì)的微型鉛魚進(jìn)行水流測量。

1.1 流速傳感器

流速傳感器測流原理：流體推動渦輪不斷旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速取決于流體的流速，轉(zhuǎn)動信號經(jīng)非接觸檢測探頭將其轉(zhuǎn)化為電信號，并計(jì)算出流速值。

三維曲面流線型流速傳感器具有自主知識產(chǎn)權(quán)，由曲面流線型渦輪、寶石軸承、支架、磁敏傳感器、快速連接頭、傳感器保護(hù)罩等組成。

1.2 快速連接操作桿

測量操作桿主要在測量水流較淺的溝渠時(shí)使用，由兩節(jié)不銹鋼伸縮桿組成，每節(jié)1.25m，伸展總長度2.5m。測桿端部為磁性材料，并安裝微型滑輪，既可以與傳感器快速直連，又可以掛接微型鉛魚，結(jié)構(gòu)簡單、安裝快捷。在水淺的渠道上測量時(shí)，測桿插入傳感器連接頭的磁性插孔之中，即可靠地連為一體。

1.3 微型鉛魚

微型鉛魚主要在比較深的渠道測量時(shí)使用。鉛魚采用儒科夫斯基線型和沉壓式混合設(shè)計(jì)，隨著流速的增加，上下部壓力差加大，產(chǎn)生對鉛魚的下拉力，縱橫尾翼能夠保證入水即對準(zhǔn)水流方向且夾角小于5°。

1.4 儀器顯示功能

通過硬件、軟件設(shè)計(jì)的結(jié)合，硬件上充分利用了MSP430超低功耗的特點(diǎn)，分立器件采用CMOS電路、液晶顯示屏；儀器軟件的設(shè)計(jì)采用現(xiàn)代操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并對傳統(tǒng)單片機(jī)編程進(jìn)行改進(jìn)，嵌入運(yùn)算數(shù)學(xué)模型軟件，將平均流速計(jì)算方程式、各斷面形狀的斷面流量計(jì)算方程式等嵌入儀器計(jì)算子程序之中，實(shí)現(xiàn)儀器各種斷面流量運(yùn)算的自動化。

同時(shí)為了適應(yīng)弱光線條件下以及夜間測量，特設(shè)計(jì)了背投射光顯示功能。儀器對圓管、矩形、梯形、∪型、V型等渠道，可進(jìn)行流速和斷面流量的自動計(jì)算，免除了繁雜的人工計(jì)算。用于灌區(qū)測量時(shí)，輸入5位測點(diǎn)代碼，分別代表各用水戶的干、支、斗、農(nóng)、毛渠道測點(diǎn)，可將測點(diǎn)位置、測量時(shí)間、測水員姓名、流速、流量等自動存儲。

2 灌區(qū)水管理及城市污水排放管理軟件

軟件主要下載儀器測量存儲的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。軟件主要包括用戶系統(tǒng)設(shè)置、現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)信息傳輸或下載、測量儀器功能設(shè)置及參數(shù)設(shè)置、開放式用戶數(shù)據(jù)庫、開放式管理軟件操作員及管理員授權(quán)數(shù)據(jù)庫、各用戶水量統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算、各用戶用水量電子表格導(dǎo)出等，可對用戶開放式設(shè)置，設(shè)置成任何一個用戶的專用管理軟件以滿足灌區(qū)水利信息化監(jiān)測以及城市污水排放的各種需求。

流速流量儀直接與計(jì)算機(jī)連接，通過管理軟件可將各用水戶或排水戶的名稱代碼、測點(diǎn)位置、測量時(shí)間、測點(diǎn)流速、斷面流量等自動下載到計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)下載完畢之后，輸入供排水時(shí)間，自動計(jì)算各個用排水單位的總用水量及總排水量。對各用排水戶、各時(shí)段的總水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，存入數(shù)據(jù)庫，輸出電子表格和分析曲線等，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析灌區(qū)及城市污水排放的總水量以及時(shí)空分布等，并自動更新數(shù)據(jù)庫，生成電子報(bào)表，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

為保證數(shù)據(jù)安全，軟件設(shè)置了二級密碼保護(hù)，密碼與操作人自動綁定，便于數(shù)據(jù)責(zé)任追蹤。灌區(qū)用水戶（排污戶）數(shù)據(jù)庫對管理操作人員完全開放，只要填好各測量監(jiān)控?cái)嗝娴拇a和用戶名稱，形成“用（排）水單位名稱和與之對應(yīng)的代碼一覽表”，按照一覽表的內(nèi)容逐項(xiàng)輸入，軟件自動建立數(shù)據(jù)庫。

3 應(yīng)用情況

3.1 排污口調(diào)查

2008年和2009年，濟(jì)寧市水資源辦公室采用CS-3型多功能流速流量儀開展排污口調(diào)查工作，調(diào)查各個排污口每年排入河道的污水總量。排污口調(diào)查測量點(diǎn)共有113個，涉及濟(jì)寧市65條河流，排污口斷面形狀主要有矩形、梯形和圓管。

污水排放口斷面一般較小，適合采用測桿操作法測量，利用磁性吸合原理制作的伸縮測桿，能夠在5s之內(nèi)完成測桿與傳感器的快速連接。測量時(shí)，輸入渠道的斷面形狀及水深，操作人員站在岸邊，將傳感器插入污水中的測點(diǎn)位置，30s后分別顯示平均流速、斷面流量等數(shù)據(jù)。輸入5位測點(diǎn)位置代碼，即完成測點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲。由于傳感器尺寸較小，能夠測量水深4cm的淺水流，以便及時(shí)掌握排污水量不同時(shí)段的變化信息。

利用灌區(qū)水管理及城市污水排放管理軟件，通過GPRS將存儲的數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，圓滿完成了每年一度的排污口調(diào)查工作。

3.2 灌區(qū)測水量水

陳垓引黃灌區(qū)有效灌溉面積281km2，多年平均引水 1.31億 m3，干、支渠 211條，斗渠 740條，農(nóng)渠 2387條。測水量水隊(duì)伍由兩部分組成，一是陳垓灌區(qū)管理處測水隊(duì)，二是7個灌區(qū)用水者協(xié)會。為了搞好灌區(qū)的節(jié)水灌溉，2008年陳垓灌區(qū)引入了CS-3型多功能流速流量儀和管理軟件。

陳垓灌區(qū)管理處測水隊(duì)負(fù)責(zé)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級供水渠道的測水量水，根據(jù)渠道不同水深，分別采用測桿操作測量或微型鉛魚操作測量，多點(diǎn)法測流。灌區(qū)用水者協(xié)會負(fù)責(zé)鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部各村的供水渠道的測水量水，主要采用測桿操作測量，一點(diǎn)法測流。灌區(qū)利用CS-3型多功能流速流量儀，實(shí)施“干渠定水位、支渠定流量、畝次定水量”的灌溉方式。利用配置的灌區(qū)水管理軟件，進(jìn)行灌區(qū)水量分布統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)灌水量的實(shí)際變化情況，灌區(qū)信息中心及時(shí)進(jìn)行灌溉水量優(yōu)化配置調(diào)度。

該套測流設(shè)備操作簡單，測量快速，自動運(yùn)算存儲、統(tǒng)計(jì)分析。依據(jù)灌區(qū)的應(yīng)用對比分析，利用該套測流設(shè)備及其管理軟件，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子類流速儀相比提高功效3倍。在測量人員數(shù)量相同的條件下，達(dá)到了增加測站點(diǎn)數(shù)量、縮小測量時(shí)間間隔、提高灌區(qū)水信息完整度和實(shí)時(shí)度的效果。