多泥沙明渠流量智能化精確計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王玉曉 崔峰 郭秋歌

摘 要：多泥沙引黃明渠流量的智能化精確計(jì)量一直是困擾業(yè)界的難題，其主要原因一是流速測(cè)量存在誤差，二是渠道沖淤變化大且快，過流面積測(cè)量不準(zhǔn)。為了保證明渠流量智能化精確計(jì)量，針對(duì)多泥沙明渠設(shè)計(jì)了一套流量智能化精確計(jì)量方案。該方案采用現(xiàn)代化測(cè)量設(shè)備及自動(dòng)控制裝置，基于超聲波技術(shù)測(cè)出流速，自動(dòng)測(cè)出淤積厚度，并形成多點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成數(shù)據(jù)庫后傳入PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理。比測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：該精確計(jì)量系統(tǒng)提升了流量計(jì)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性，滿足明渠流量智能化精確計(jì)量要求，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無人值守、智能化、通用化明渠流量監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞：超聲波技術(shù);流量計(jì)算;泥沙去淤;智能化計(jì)量

中圖分類號(hào)：TV62;TV882.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.036

Abstract：The intelligent accurate measurement of the discharge for sediment-laden open channel has been one of the problems in the hydraulic field. One of the main reasons is that there are errors in the velocity measurement， the other is the change of channel erosion and deposition is very large and fast. In order to ensure the intelligent accurate measurement of discharge for open channel， an intelligent accurate measurement system was designed for the sediment-laden open channel. The system automatically measured the thickness of deposition and then formed multi-point database with adopting modern measuring equipment and automatic control device， which based on ultrasonic technology to measure the velocity of flow. Finally， we processed the database and transferred it to PC for data visualization. The practical conclusion shows that this system improves the accuracy， stability and reliability of discharge measurement and satisfies the requirements of intelligent and accurate measurement of water flow in open channel. Meanwhile， it provides technical reserve for achieving the application of long-distance， unattended， intelligent and general utilization of open channel flow detection equipment.

Key words： ultrasonic technology; flow calculation; sediment desilting; intelligent measurement

1 引 言

隨著流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，目前應(yīng)用最為廣泛的是基于聲學(xué)原理的流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)?；诼晫W(xué)原理的流量計(jì)主要分為時(shí)差法多聲路超聲波流量計(jì)和超聲波多普勒流量計(jì)。此外，雷達(dá)明渠流量計(jì)在黃河下游明渠測(cè)流中應(yīng)用較多。

多聲路超聲波流量計(jì)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于管路和渠道流量測(cè)量中，根據(jù)超聲波在水流中的傳播特性，利用一組或多組超聲波換能器來測(cè)量同一水層線平均流速，通過水深計(jì)算斷面面積;超聲波多普勒流量計(jì)以聲學(xué)多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，采用一體化的結(jié)構(gòu)，將換能器和電子部件集中在一個(gè)密封容器內(nèi)，工作時(shí)全部浸入水下，通過防水電纜傳輸信息。非接觸式雷達(dá)明渠流量計(jì)是通過改進(jìn)雷達(dá)明渠流量計(jì)，結(jié)合流體力學(xué)模型，配合雷達(dá)流速儀得到。目前，國內(nèi)外測(cè)量河流流量的方法主要有時(shí)差法、垂直多普勒法、流速面積法、雷達(dá)波橋測(cè)法、曲線率定法、遙感測(cè)量法和控制斷面法等[1]。

相比雷達(dá)明渠流量計(jì)和超聲波多普勒流量計(jì)，超聲波流量計(jì)測(cè)量精度最高，且受現(xiàn)場(chǎng)條件影響小。雷達(dá)明渠流量計(jì)和超聲波多普勒流量計(jì)需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)率定，這會(huì)增加額外開銷。此外，通過對(duì)3種流量計(jì)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)明渠流量計(jì)、多普勒流量計(jì)、超聲波流量計(jì)的流量測(cè)量只在清水中具有較高的精度，無法在明渠底部淤積的情況下實(shí)時(shí)精確地測(cè)量明渠流量[2-3]。

本文針對(duì)多泥沙明渠，設(shè)計(jì)了一套流量智能化精確計(jì)量方案，該方案采用現(xiàn)代化測(cè)量設(shè)備及自動(dòng)控制裝置，基于超聲波技術(shù)測(cè)出流速并自動(dòng)測(cè)量淤積厚度，形成多點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)處理提升流量計(jì)量的精確性。

2 結(jié)構(gòu)說明

圖1為現(xiàn)代化測(cè)量設(shè)備及自動(dòng)控制裝置示意圖，其主要包括3部分：太陽能供電系統(tǒng)、走航系統(tǒng)和智能設(shè)備運(yùn)算系統(tǒng)。太陽能供電系統(tǒng)包括太陽能電池板、遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭等;走航系統(tǒng)包括控制箱、電機(jī)、樁、鋼絲纜等，用箱封裝;智能設(shè)備運(yùn)算系統(tǒng)包括淤積監(jiān)測(cè)運(yùn)算系統(tǒng)和流量運(yùn)算系統(tǒng)。配電箱與走航系統(tǒng)控制箱位于太陽能電池桿上，配電箱與控制箱連接，控制箱內(nèi)控制器與樁內(nèi)電機(jī)以及各類控制器連接;配電箱與淤積監(jiān)測(cè)運(yùn)算系統(tǒng)連接，結(jié)合流量運(yùn)算系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)出淤積厚度。

3 原理說明

（1）太陽能通過控制單元向走航系統(tǒng)供電，通過導(dǎo)線發(fā)送采集信號(hào)分別實(shí)時(shí)測(cè)出水面到明渠底部距離及水面到淤積面（圖1中紅線）的距離，實(shí)現(xiàn)渠道沖淤變化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。然后利用平均斷面法計(jì)算出渠道斷面面積。

（2）平均斷面法。對(duì)于非常規(guī)斷面，通常需要建立斷面水深—面積數(shù)學(xué)模型S（x），根據(jù)測(cè)量的各斷面流速和水深計(jì)算流量。若斷面流量函數(shù)Q（x）十分復(fù)雜，即無法獲得解析解時(shí)，采用數(shù)值積分代替函數(shù)積分來獲取渠道斷面面積，進(jìn)而計(jì)算流量。

本文所設(shè)計(jì)方案針對(duì)規(guī)則渠道斷面，利用平均斷面法計(jì)算渠道斷面面積，即通過逐層水深計(jì)算斷面面積，通過逐層流速—面積積分計(jì)算流量。規(guī)則渠道斷面面積如圖2所示。斷面面積計(jì)算公式為S總=S1+S2+S3+S變，其中S是與h有關(guān)的變量。

（3）將采集數(shù)據(jù)傳輸至淤積監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用相關(guān)智能設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成淤積數(shù)據(jù)庫。

（4）智能設(shè)備通過采集流量相關(guān)數(shù)據(jù)與淤積數(shù)據(jù)，采用流量計(jì)量經(jīng)典算法（流速—面積法）進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理，實(shí)現(xiàn)流量精確計(jì)量。

4 比例數(shù)據(jù)分析

以某一監(jiān)測(cè)站為例，取人工測(cè)量值與智能測(cè)量設(shè)備測(cè)量值以及理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，見表1～表3。

表2給出了9個(gè)觀測(cè)日內(nèi)智能化測(cè)量值與人工測(cè)量值。由表2可知，智能化測(cè)量值與人工測(cè)量值基本一致，這是因?yàn)槿斯y(cè)量值與智能化測(cè)量值都是在默認(rèn)去除淤積的情況下進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集，其誤差均在5%以下，在允許范圍內(nèi)，精度指標(biāo)達(dá)到了水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。

表3給出了9個(gè)觀測(cè)日內(nèi)智能化測(cè)量值與理論計(jì)算值的對(duì)比，其中智能化測(cè)量值分為含淤組和去淤組。含淤組智能化測(cè)量值與理論計(jì)算值基本一致，對(duì)比含淤組與去淤組智能化測(cè)量值，其誤差指標(biāo)達(dá)到了水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。含淤組和去淤組智能化測(cè)量值與理論計(jì)算值作對(duì)比，其誤差多數(shù)在4%以下。

5 結(jié) 論

針對(duì)多泥沙明渠設(shè)計(jì)了一套智能化精確計(jì)量方案，該方案采用現(xiàn)代化測(cè)量設(shè)備及自動(dòng)控制裝置，基于超聲波技術(shù)測(cè)出流速并自動(dòng)測(cè)量淤積厚度，實(shí)現(xiàn)了渠道沖淤變化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。通過數(shù)據(jù)分析對(duì)比了理論計(jì)算值、智能化測(cè)量值與人工測(cè)量值之間的關(guān)系，結(jié)果顯示，所提方案在能夠智能化記錄淤積變化的情況下，提升了流量計(jì)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性，滿足了渠道流量智能化精確計(jì)量要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫采鷹，田志強(qiáng)，曹凱.超聲波明渠流量計(jì)研究與設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，34（4）：333-336.

[2] 許漢武，胡業(yè)林，郭立全.超聲明渠流量計(jì)[J].電子世界，2017（12）：69-71.

[3] 任劍飛.基于流速面積法的河流水位流量計(jì)量研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（11）：69-71.

【責(zé)任編輯 張 帥】