機(jī)翼型閘墩量水閘門自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)研發(fā)

王世隆，王文娥，劉政光，陳土成，劉渡坤，胡笑濤

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

0 引 言

【研究意義】灌區(qū)量水是促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展、提高灌溉水利用率的一項(xiàng)基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性技術(shù)[1]，渠系流量自動(dòng)化測(cè)量是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化的關(guān)鍵。但目前我國(guó)灌區(qū)渠系測(cè)流系統(tǒng)不配套，特別是小型渠道自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)匱乏，急需研發(fā)測(cè)流精度高、適用性強(qiáng)的自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)[1-3]。【研究進(jìn)展】目前，灌區(qū)干支渠流量測(cè)量技術(shù)比較成熟、測(cè)流設(shè)施較完善，但由于斗渠及以下渠道數(shù)量大、類型復(fù)雜、費(fèi)用較高等原因，量水設(shè)施建設(shè)程度不高。為了促進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平，我國(guó)從20 世紀(jì)50 年代就開(kāi)始引進(jìn)及研發(fā)渠系量水設(shè)施，目前量水設(shè)施超過(guò)百余種，如巴歇爾量水槽[4]、直壁式量水槽[5]、長(zhǎng)喉道量水槽[6]、機(jī)翼形量水槽[7]等，均具有較高的測(cè)流精度，但不具備控制流量、調(diào)節(jié)渠道流量的作用。節(jié)制閘和分水閘是常見(jiàn)的渠系建筑物，具有調(diào)節(jié)渠道水位和流量的功能，閘門還具備測(cè)量流量的功能[8]，可以利用渠系閘門實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量與調(diào)控。隨著量測(cè)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于渠道自動(dòng)化測(cè)控設(shè)施的研發(fā)已成為熱點(diǎn)。Goel 等[9]研發(fā)出一種在自由流和淹沒(méi)流下都可使用的流量計(jì)。Michalski等[10]提出應(yīng)用超聲波法測(cè)量流量的思路，并說(shuō)明了測(cè)流的誤差來(lái)源以及對(duì)精度的影響。張從鵬等[11]設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程自動(dòng)控制計(jì)量閘門系統(tǒng)，包含基于ARM 的主控與存儲(chǔ)電路、液晶顯示屏模塊等硬件平臺(tái)；王家琪等[12]將自動(dòng)化測(cè)控與矩形薄壁量水堰結(jié)合，設(shè)計(jì)出水頭可調(diào)的測(cè)控一體的量水堰；林俊[13]將上下游水位測(cè)量和閘門控制結(jié)合測(cè)流，采用PIC 系列單片機(jī)作為遠(yuǎn)程終端控制處理器，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)擬合閘孔出流流量系數(shù)公式；王啟飛等[14]研發(fā)出測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)，在閘門后安置巴歇爾量水槽測(cè)流，根據(jù)流量需求調(diào)節(jié)閘門開(kāi)度進(jìn)而控制干、支渠分流量。韓宇等[15]針對(duì)弧形底部渠道流速分布特征，推導(dǎo)流速傳感器特征測(cè)點(diǎn)的位置表達(dá)式，提高了弧底渠道測(cè)流精度。【切入點(diǎn)】前人的研究多集中在閘門測(cè)控設(shè)計(jì)方面，關(guān)于閘墩體型對(duì)于閘門測(cè)流的影響研究較少。利用平板閘門量水具有無(wú)二次水頭損失和可控制流量的優(yōu)點(diǎn)，但是在閘門全開(kāi)時(shí)，閘門的閘墩型式會(huì)對(duì)測(cè)流精度產(chǎn)生影響，當(dāng)閘門開(kāi)度較大時(shí)會(huì)形成堰流，導(dǎo)致測(cè)流精度降低。將量水槽體型曲線應(yīng)用在閘墩上，在閘門開(kāi)度較大時(shí)可利用閘墩形式的量水槽測(cè)流，既減少了局部水頭損失又提高了測(cè)流精度。機(jī)翼形量水槽的試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用已有很多，而且已完成了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化工作[15-18]。陳土成等[19]將機(jī)翼形量水槽改造作為平板閘門的閘墩，形成流量測(cè)控一體裝置，命名為機(jī)翼型閘墩量水閘門，通過(guò)試驗(yàn)分析其水力性能，可為系列化開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。但機(jī)翼型閘墩量水閘門尚未實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)測(cè)量?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本文選取機(jī)翼型閘墩量水閘門作為流量測(cè)控一體量水設(shè)施，在明確其測(cè)流原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用超聲波傳感技術(shù)收集水位和閘門開(kāi)度信息，以STC89C51RC 為核心處理運(yùn)算，研發(fā)渠系自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，可用于灌區(qū)渠系水位流量等信息的自動(dòng)測(cè)量與控制。

1 渠系自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)渠系流量自動(dòng)測(cè)量，渠系自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)包括流量測(cè)量設(shè)施、數(shù)據(jù)處理與通訊設(shè)施及動(dòng)力設(shè)施3 個(gè)主要組成部分。其中水位流量測(cè)量設(shè)施為現(xiàn)地設(shè)備，由量水設(shè)施、水位傳感器、閘門開(kāi)度傳感器構(gòu)成；信息處理與通訊設(shè)施包超聲波測(cè)距模塊、數(shù)碼顯示模塊和程序下載模塊等；動(dòng)力設(shè)施包括光伏板、蓄電池等，測(cè)流設(shè)施如圖1 所示。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)渠道水位測(cè)量、瞬時(shí)流量計(jì)算、累計(jì)水量計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸、電源供電等功能。

圖1 測(cè)流設(shè)施示意圖Fig.1 Schematic diagram of flow measuring facilities

1.1 流量測(cè)量設(shè)施設(shè)計(jì)

利用渠系上的閘門測(cè)流時(shí)，在閘墩和閘門的作用下，水位及閘門開(kāi)度不同時(shí)，閘門對(duì)水流控制作用不同，會(huì)形成閘孔出流及堰流。常見(jiàn)的分水閘及節(jié)制閘的閘墩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形成堰流時(shí)不具備較高精度的測(cè)流條件。由于機(jī)翼形量水槽具有測(cè)流精度高且水頭損失小，本文提出采用機(jī)翼形量水槽作為閘墩，結(jié)合直升式矩形平板閘門組成機(jī)翼型閘墩量水閘門測(cè)流設(shè)施（圖1），在閘門開(kāi)度較大形成堰流時(shí)利用閘墩量水，閘門開(kāi)度較小時(shí)為閘孔出流。由能量方程和恒定總流的連續(xù)性方程推導(dǎo)，可得自由出流流量計(jì)算式為：

式中：Q為過(guò)閘流量（L/s）；b為過(guò)流寬度（cm）；e為閘門開(kāi)度（cm）；H為閘門上游穩(wěn)定處水位（cm）；g 為重力加速度，取9.81 m/s2；μ為閘孔自由出流的流量系數(shù)。

當(dāng)閘門下游水深影響上游出流時(shí)形成淹沒(méi)出流。淹沒(méi)出流下的流量計(jì)算式為：

式中：m為淹沒(méi)出流流量系數(shù)；H為閘門上游穩(wěn)定處水位（cm）；ht為閘門下游穩(wěn)定處水位（cm）。

當(dāng)閘門開(kāi)度較大，水流脫離閘門底緣時(shí)，閘門失去約束作用，水面連續(xù)降落，閘孔出流轉(zhuǎn)化為堰流，可用量水槽測(cè)流。機(jī)翼形量水槽通過(guò)束窄過(guò)水?dāng)嗝媸沟盟鲃?shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在喉口斷面附近形成臨界流，通過(guò)測(cè)量上游水位即可求得流量，具有穩(wěn)定的水位-流量關(guān)系。根據(jù)已有研究，機(jī)翼形量水槽的流量公式[15]：

式中：a、n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，需要通過(guò)模型試驗(yàn)得出；Bc為量水槽喉口寬度（cm）；HL為量水槽上游穩(wěn)定水位（cm）。根據(jù)以上測(cè)流原理可知，通過(guò)測(cè)量閘門開(kāi)度e、閘門上游水深H及下游水深ht，判斷是閘孔出流還是堰流、自由出流還是淹沒(méi)出流，確定流量系數(shù)及淹沒(méi)系數(shù)，即可得到通過(guò)設(shè)施的流量，因此需要建立機(jī)翼型閘墩量水在閘孔出流及堰流條件下的流量系數(shù)及淹沒(méi)系數(shù)。

1.2 流量公式

為擬合堰流和閘孔出流流量系數(shù)公式，在矩形渠道上進(jìn)行測(cè)流試驗(yàn)。矩形渠道寬0.6 m，深0.3 m，長(zhǎng)12 m，采用水泥抹面，糙率n為0.013。渠身為預(yù)制混凝土，底部砌磚作為支撐，接縫處采用水泥防滲。為保證渠道有較大的過(guò)流范圍，選擇收縮比為0.58的機(jī)翼形量水槽作為閘墩，翼長(zhǎng)60 cm，翼高12.6 cm。平板閘門長(zhǎng)34.8 cm，寬30 cm。閘門上下游水位采用精度為±1 mm 的SCM60 型測(cè)針進(jìn)行測(cè)量，渠道流量由電磁流量計(jì)測(cè)量。試驗(yàn)系統(tǒng)由潛水泵、蓄水池、電磁流量計(jì)、穩(wěn)水池、矩形渠道槽、尾閥和回水渠道組成。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)和整體設(shè)計(jì)如圖2 所示。試驗(yàn)設(shè)置閘門開(kāi)度變化范圍5～14 cm，變化梯度1～2 cm，選定流量范圍10～60 L/s，變化梯度2～5 L/s。

圖2 試驗(yàn)布置Fig.2 Layout of the experimental setup

1.2.1 閘孔出流

閘孔自由出流流量公式的形式已確定，流量Q、閘門開(kāi)度e和上游水位H均可測(cè)量得到，代入式（1）求得流量系數(shù)μ。擬合自由出流各流量下的相對(duì)開(kāi)度與流量系數(shù)，得到自由出流流量系數(shù)與相對(duì)開(kāi)度的關(guān)系式：

自由出流流量系數(shù)μ都隨著閘門相對(duì)開(kāi)度的增大而減小，在相同流量下，閘門開(kāi)度越大上游水深越小。由復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.951 可知相關(guān)性良好。

在試驗(yàn)中調(diào)節(jié)渠道尾門改變下游水深，當(dāng)影響到上游水深時(shí)，即形成淹沒(méi)出流，此時(shí)除了測(cè)量上游水深之外，還需要測(cè)量下游水面較穩(wěn)定處的水深，過(guò)閘流量與上下游水深有關(guān)。與自由出流類似，將試驗(yàn)中測(cè)得的Q、e和ΔH代入式（2）即可得出淹沒(méi)出流下的流量系數(shù)m，擬合得到m的表達(dá)式為：

R2=0.919 相關(guān)性較好，可以看出，淹沒(méi)出流流量系數(shù)隨閘門相對(duì)開(kāi)度增大而增大。將閘門下游穩(wěn)定處水位ht與閘門上游穩(wěn)定處水位H之比定義為淹沒(méi)度，根據(jù)不同閘門開(kāi)度下的淹沒(méi)度判斷當(dāng)前是否為淹沒(méi)出流。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，不同閘門開(kāi)度范圍下的淹沒(méi)出流條件為：

隨著閘門開(kāi)度的增大，需要更大的淹沒(méi)度才能達(dá)到淹沒(méi)出流。當(dāng)滿足以上條件時(shí)，按式（2）和式（5）計(jì)算過(guò)閘流量，否則按式（1）和式（4）計(jì)算。

1.2.2 堰流

試驗(yàn)中調(diào)整閘門開(kāi)度，使水流脫離閘門底緣，形成堰流。以機(jī)翼形量水槽作為測(cè)流設(shè)施，測(cè)得上游水深，與渠道流量擬合，得出機(jī)翼形量水槽測(cè)流公式：

R2=0.999 7，相關(guān)性極好。在堰流狀態(tài)下，流量隨水深增大而增大，而且水深越大對(duì)流量的影響也越大。式中，HL為上游穩(wěn)定處水位（cm），渠道流量Q（L/s）。將擬合的閘孔出流流量公式計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相比，吻合度較高，如圖3 所示，其中自由出流和淹沒(méi)出流下相對(duì)誤差絕對(duì)值的最大值分別為2.98%、4.92%，最小分別為0.01%、0.04%，平均誤差為0.85%、1.25%，表明機(jī)翼型閘墩量水閘門具有較高的測(cè)流精度，符合灌區(qū)渠道量水要求。

圖3 實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量對(duì)比Fig.3 Comparison of measured discharge and calculated discharge

1.3 孔堰流形態(tài)判別閾值

機(jī)翼型閘墩量水閘門有堰流和閘孔出流兩種形態(tài)。閘孔出流與堰流的測(cè)流公式不同，形態(tài)判別對(duì)測(cè)流精度有重要影響。閘前水位下降，閘門開(kāi)度增大時(shí)，水流逐漸脫離閘門底緣，在機(jī)翼形量水槽的束窄作用下，收縮段渠道中線水深略有壅高，將水流即將脫離閘門底緣的狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)。閘門為平底坎時(shí)，一般認(rèn)為閘門相對(duì)開(kāi)度e/H＞0.65 為堰流，e/H≤0.65 為閘孔出流，判別閾值受到閘門、閘墩及底坎形式的影響[20-21]。張敬樓[22]認(rèn)為以0.65 為界較為粗略，沒(méi)有考慮底坎高低和形狀以及閘門布置形式等因素。閘底坎和閘墩形式的改變都會(huì)影響判別閾值，邱勇等[23]分析了駝峰堰和WES 堰形的孔堰流判別閾值，隨著閘門開(kāi)度和流量的增大，判別閾值逐漸增大；李紅等[8]研究發(fā)現(xiàn)，梯形渠道平板節(jié)制閘的孔堰流判別閾值在0.78～0.81 之間，隨主渠道流量增大而增大。機(jī)翼型閘墩量水閘門的判別閾值有類似的規(guī)律。水流流過(guò)機(jī)翼型閘墩量水閘門時(shí)，過(guò)流斷面先逐漸收縮再擴(kuò)散，在閘門前端的收縮段處受到閘門擋水和閘墩收縮的影響，渠道中線水位升高，使得臨界狀態(tài)下的閘門開(kāi)度略有抬升，臨界開(kāi)度相應(yīng)增大，導(dǎo)致判別閾值發(fā)生變化。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)閘門開(kāi)度和渠道流量，記錄臨界狀態(tài)下的各數(shù)值如表1 所示。渠道過(guò)流量為10～60 L/s 時(shí)，臨界相對(duì)開(kāi)度值發(fā)生變化，不再是0.65，而是在0.77～0.82 之間變化，平均值為0.80，在流量大于10 L/s 時(shí)，相對(duì)開(kāi)度臨界值隨著流量的增大小幅度上升。

表1 臨界狀態(tài)下相對(duì)開(kāi)度值Table 1 Relative opening value at critical state

2 信息處理與通訊設(shè)施

根據(jù)測(cè)流原理及流量計(jì)算公式，在閘門上下游和頂部安設(shè)超聲波傳感器，將采集的距離信息進(jìn)一步處理計(jì)算得到閘門上下游水位和閘門開(kāi)度，通過(guò)內(nèi)置軟件計(jì)算輸出渠道實(shí)時(shí)流量。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

本測(cè)流系統(tǒng)主要由包含以下模塊：供電模塊、程序下載模塊、超聲波測(cè)距模塊、數(shù)碼顯示模塊。以STC89C51RC 單片機(jī)為核心采集距離信息，經(jīng)處理輸出水位、流量信息。系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Diagram of system structure

2.2 主芯片電路

本測(cè)流裝置采用STC89C51RC 為主控芯片。STC89C51RC 芯片共包含4 組8 位并行端口，其低功耗模式掉電＜0.1 μA，可外中斷或?qū)Ｓ枚〞r(shí)器喚醒，2個(gè)16 位定時(shí)器。時(shí)鐘電路方面，設(shè)置一個(gè)振蕩頻率11.059 2 MHz 的晶振，并外接2 個(gè)22PF 電容。為保證裝置運(yùn)行穩(wěn)定，需要設(shè)置復(fù)位電路，無(wú)論系統(tǒng)當(dāng)前處于何種狀態(tài)，按下復(fù)位按鍵即可恢復(fù)到初始狀態(tài)。單片機(jī)通過(guò)端口驅(qū)動(dòng)傳感器工作或?qū)崿F(xiàn)其他功能[24]，P3.0 端口和P3.1 端口用來(lái)下載程序，P1.2～P1.7 端口驅(qū)動(dòng)3 個(gè)超聲波傳感器，P0.0～P0.7 端口和P2.5～P2.7端口驅(qū)動(dòng)顯示屏LCD1602。主芯片引及晶振電路如圖5 所示，復(fù)位電路圖如圖6 所示。

圖5 主芯片電路圖Fig.5 Circuit diagram of the chip

圖6 復(fù)位電路圖Fig.6 Reset circuit diagram

2.3 超聲波測(cè)距模塊

利用機(jī)翼型閘墩量水閘門測(cè)流，首先需要根據(jù)測(cè)得的上游水位和閘門開(kāi)度判斷當(dāng)前形態(tài)，再應(yīng)用流量公式計(jì)算出當(dāng)前渠道流量。超聲波測(cè)距作為一種非接觸式測(cè)距方式，通過(guò)發(fā)射和接收超聲波脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出目標(biāo)物體與傳感器之間的距離，適用于水位和閘門開(kāi)度的測(cè)量。HC-SR04 超聲波傳感器測(cè)距模塊可提供2～400 cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)3 mm，受光照、電測(cè)波等干擾較小，適用于渠道水位測(cè)量采集。HC-SR04 超聲波模塊包含2 個(gè)通用的壓電陶瓷超聲傳感器，分別用來(lái)發(fā)出和接收超聲波信號(hào)。為了將信號(hào)穩(wěn)定地傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，需要用外圍信號(hào)放大器提高發(fā)出信號(hào)的功率。模塊有4 個(gè)引腳，VCC、TRIG（控制端）、ECHO（接收端）、GND，其中VCC接5 V電源，TRIG控制發(fā)出超聲波信號(hào)，ECHO接收反射回的超聲波信號(hào)，連接電路如圖7 所示。

圖7 超聲波傳感器電路圖Fig.7 Circuit diagram of ultrasonic sensor

模塊采用IO 口TRIG 觸發(fā)測(cè)距，當(dāng)有一個(gè)大于10 μs 脈沖觸發(fā)信號(hào)時(shí)，模塊內(nèi)部自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過(guò)IO 口ECHO 輸出一個(gè)高電平，用計(jì)時(shí)器記錄高電平持續(xù)的時(shí)間，即信號(hào)從發(fā)射到接收的時(shí)間[25]。測(cè)量距離按式（8）計(jì)算。

式中：Δh為超聲波傳感器到待測(cè)物表面的垂直距離（m）；t為高電平持續(xù)時(shí)間（s）；v為超聲波傳播速度，取340 m/s。采集到超聲波傳感器測(cè)得距離信息后，為獲得相應(yīng)的水位及閘門開(kāi)度，按式（9）換算：

式中：對(duì)于超聲波傳感器1 和傳感器3，H0為傳感器與渠道底部的垂直距離（m），對(duì)于超聲波傳感器2，H0為閘門閉合狀態(tài)下，傳感器與閘門頂部的垂直距離（m）。在測(cè)流過(guò)程中，超聲波傳感器1、傳感器3 用來(lái)測(cè)量閘門上下游穩(wěn)定水面的斷面水深，分別需要安裝在閘門上游2～3 倍的渠道深度及下游3～4 倍渠道深度處。超聲波傳感器2 則需安裝在平板閘門頂部上方超過(guò)1.2 倍的閘門高度處。根據(jù)試驗(yàn)情況，確定超聲波傳感器1、傳感器3 分別安裝在閘門上下游0.8 m 和1.2 m 處，閘門閉合狀態(tài)下，超聲波傳感器2 安裝在閘門頂部上方0.36 m 處。

2.4 數(shù)碼顯示模塊

本測(cè)流系統(tǒng)主要顯示閘門上下游水位、開(kāi)度及渠道流量信息，占用空間較小，為減小功耗，顯示模塊選取LCD1602 顯示屏。LCD1602 是一種字符型液晶顯示模塊，具有輻射低，抗干擾，體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)。LCD 電路圖如圖8 所示。

圖8 LCD1602 電路圖Fig.8 Circuit diagram of LCD1602

2.5 軟件設(shè)計(jì)

裝置軟件在Keil uVision5 中采用C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。程序編寫完畢后，可使用STC_ISP_V6 軟件下載到單片機(jī)中。首先，給裝置供電，發(fā)送讀取脈沖，分別獲取3 個(gè)超聲波傳感器的測(cè)量距離并保存，等待后續(xù)處理，然后進(jìn)行顯示屏初始化，對(duì)已采集的距離信息作初步判斷輸出到顯示屏上，3 個(gè)傳感器輸出距離的時(shí)間間隔為100 ms；根據(jù)傳感器布設(shè)高度換算出對(duì)應(yīng)的水位和開(kāi)度信息，判斷當(dāng)前水位是否在渠道運(yùn)行狀況設(shè)定合理的水位范圍之內(nèi)；根據(jù)閘門開(kāi)度和水位判斷是否為堰流，若為閘孔出流則需根據(jù)淹沒(méi)度進(jìn)一步判斷是否為淹沒(méi)出流，然后計(jì)算不同出流狀態(tài)下的流量系數(shù)及過(guò)閘流量，最后將流量值輸出到顯示屏。系統(tǒng)軟件流程圖如圖9 所示。

圖9 軟件流程圖Fig.9 Software flow diagram

2.6 動(dòng)力設(shè)施

動(dòng)力設(shè)施包括光伏板、蓄電池等?？紤]到灌區(qū)渠道閘門多在野外運(yùn)行，而且灌水期持續(xù)時(shí)間不定，不宜采用市電，因此本系統(tǒng)采用蓄電池組和太陽(yáng)能光伏板組合裝置供電。使用24 V 蓄電池作為整個(gè)系統(tǒng)的總電源，太陽(yáng)能光伏板進(jìn)行充放電管理，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成5 V 給傳感器模塊、數(shù)碼顯示模塊等供電，所采用的電壓轉(zhuǎn)換芯片為 LM2576 系列的LM2576HV-ADJ，其是降壓型開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，具備良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)能力，改變內(nèi)部電路的電阻值改變輸出電壓，可固定輸出3.3、5 V 和12 V 電壓[13]。

2.7 性能測(cè)試

在上述矩形試驗(yàn)渠道內(nèi)檢驗(yàn)測(cè)流裝置的可靠性，將3 個(gè)超聲波傳感器分別用橫桿固定，安設(shè)在閘門上游、閘門頂端以及閘門下游相應(yīng)位置，開(kāi)啟水泵供水，調(diào)整閘門至合適開(kāi)度，調(diào)節(jié)渠道尾閥，形成自由出流，等待顯示屏上數(shù)據(jù)穩(wěn)定再讀數(shù)，并記錄同一時(shí)刻下的電磁流量計(jì)讀數(shù)；再次調(diào)節(jié)尾閥，抬升下游水位形成淹沒(méi)出流，讀取測(cè)流裝置和電磁流量計(jì)流量數(shù)值；調(diào)整渠道控制閥門，改變渠道來(lái)流量，重復(fù)上述過(guò)程。將測(cè)流裝置與電磁流量計(jì)計(jì)算的流量值相比，結(jié)果如表2 所示，不同開(kāi)度下的流量值均較為接近，最大相對(duì)誤差為6.19%，最小僅為0.30%，表明自動(dòng)測(cè)流裝置可靠性較高，滿足灌區(qū)末級(jí)渠道的量水需求。

表2 測(cè)流裝置水位流量測(cè)量值Table 2 Measurement value of water level and flowrate of measuring device

3 討 論

在矩形渠道中，閘門量水和量水槽量水兩種方法均非常成熟，對(duì)于閘門流量計(jì)算模型和量水槽水力性能研究已較為完善[26-27]。閘門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，還具有量水和控制流量的優(yōu)點(diǎn)，但是在閘門全開(kāi)且形成堰流的情況下，傳統(tǒng)閘墩不具備測(cè)流功能。機(jī)翼形量水槽量水精度高、水頭損失小，在灌區(qū)已進(jìn)行推廣使用，目前的研究方向主要為體形曲線的進(jìn)一步優(yōu)化[28]。機(jī)翼型閘墩量水閘門結(jié)合2 種量水方法的優(yōu)點(diǎn)，閘門開(kāi)度較大時(shí)閘墩具有量水槽的測(cè)流功能，在不同條件下均具有較高的測(cè)流精度，同時(shí)也具有流量控制功能，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)配套的自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人測(cè)流。與矩形渠道的其他量水設(shè)施對(duì)比，測(cè)流精度均比較接近。李偉等[29]進(jìn)行4 種不同體形量水槽的模擬研究，公式計(jì)算流量值與模擬流量值平均誤差為2.42%；賀夢(mèng)楊等[30]研究便攜式仿機(jī)翼形量水槽在矩形渠道中的水力性能，收縮比0.709 時(shí)的平均誤差為4.91%；孫斌等[31]應(yīng)用量綱分析和能量守恒原理建立不同底坡的無(wú)喉道量水槽測(cè)流公式，平均誤差為3.16%、4.79%。由以上研究可知，量水槽體形曲線、收縮比和渠道底坡均對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生影響，流線型的體形曲線能減小水頭損失，適當(dāng)?shù)氖湛s比可以提高測(cè)流范圍并減小壅水高度。另外，平板閘門的位置在閘墩不同位置會(huì)改變閘門的過(guò)流寬度，進(jìn)而影響流量公式，不同量水槽作閘墩時(shí)閘門的位置可能會(huì)有不同，需要進(jìn)一步研究。本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了機(jī)翼型閘墩量水閘門在矩形渠道的測(cè)流原理，不同渠道形狀下應(yīng)對(duì)閘墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，機(jī)翼形量水槽在U 形渠道[32]和梯形渠道[33]中已有相關(guān)研究，可參考其中的布置形式。在實(shí)際應(yīng)用中安置平板閘門時(shí)應(yīng)在閘墩喉口處預(yù)留門槽。后續(xù)應(yīng)針對(duì)不同閘墩曲線、收縮比、渠道形狀和坡度下量水閘門測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。

4 結(jié) 論

1）機(jī)翼型閘墩量水閘門由機(jī)翼形量水槽和矩形平板閘門組成，測(cè)流原理是閘孔出流和堰流，在閘門底緣接觸水流導(dǎo)致流線不連續(xù)時(shí)形成閘孔出流，當(dāng)閘門開(kāi)度較大時(shí)失去對(duì)水流的約束作用時(shí)形成堰流。臨界相對(duì)開(kāi)度為0.77～0.82。

2）在矩形渠道上選取收縮比為0.58 的機(jī)翼型閘墩進(jìn)行試驗(yàn)，擬合出閘孔出流和堰流的測(cè)流公式，分析孔堰流判別閾值變化，公式的計(jì)算值與電磁流量計(jì)測(cè)值相比，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

3）以STC89C51RC 為核心研發(fā)自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，采用蓄電池組和太陽(yáng)能光伏板提供動(dòng)力，利用超聲波傳感器測(cè)得水位及閘門開(kāi)度值，判斷過(guò)流形式，計(jì)算當(dāng)前渠道過(guò)流量，輸出到LCD 顯示屏上。裝置計(jì)算值和電磁流量計(jì)數(shù)值均較為接近，最大相對(duì)誤差為6.19%，最小為0.30%。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）