明渠测流方案典型设计

明渠流量监测系统方案设计北京金水中科科技有限公司10月10日目 录一、系统网络构造及构成二、明渠流量计的种类及选型（测流措施及选择）(一)、明渠流量计的种类（明渠测流措施）1、水位法2、流速面积法3、两种措施的比较(二)、明渠流量计的选型（测流措施选择）1、宽度20米以上的宽浅渠道的测流措施选择2、宽度20米以内的窄渠道的测流措施选择三、数据传播方案四、电源系统五、监控管理软件六、设备典型配备及预算附件:有关设备性能及技术指标一、系统网络构造及构成 系统网络构造图： 其中：流量计由水位流速传感器与终端机（二次仪表）构成； 监控管理软件安装于服务器上。 通讯仪器可选无线通讯设备或有线网络通讯设备。 电源系统可采用民用供电系统或太阳能供电系统，也可使用电池供电。系统构成： 明渠流量计通讯仪器监控软件及服务器电源系统二、 明渠流量计的种类及选型（测流措施及选择）（一）明渠流量计的种类（明渠测流措施）明渠测流措施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（事实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、水位法水位法流量计事实上是水位计加辅助的工程建筑物的总称。辅助的工程建筑物重要有：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）原则断面（指顺直的规则断面）闸孔涵洞 水位计重要有：超声波水位计（接触式式）超声波水位计（非接触式式）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，用一种上游水位就可通过公式换算或查曲线求得流量，如果是沉没出流，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%自由出流原则断面 10-20%沉没出流薄壁堰 20% 沉没出流宽顶堰 25%沉没出流巴希尔槽 25%沉没出流无喉道量水槽 25%沉没出流闸孔 20-30%沉没出流原则断面 30%（上述精度是渠道不不小于5米且流态较稳时的理论精度，渠道越宽精度越低） 2、流速面积法流速面积法流量计重要通过测流速及水位来计算求得流量，重要有：超声波时差法 测量线流速，分单声道法与多声道法。超声波多普勒法 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。）与一般多普勒法（适合宽20米内渠道）。电磁法 测量点流速，分为单点法与多点法。流速仪法 测量点流速，人工手动测量。按渠道宽窄具体使用如下方式： 窄渠道（一般宽度在20米如下）： 一般多普勒法（纵向发射） 精度2% 时差法流量计 精度2% 电磁流量计 精度5% 流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。）宽渠道： 固定ADCP法（横向发射） 多普勒走航式明渠流量计 时差法明渠流量计 流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。） 3、两种措施比较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。因此水位法流量计需要修建量水建筑物，且精度不高，当渠道沿程水头差较小时，量水建筑物会产生水头损失而影响渠道过水；另一方面当量水建筑物下游附近建有闸门等挡水建筑物时会在量水建筑物处形成沉没出流，此时测量精度会大幅下降。水位法一般应用于宽度比较小或流量比较小的渠道，渠道宽度超过1米时，量水建筑物造价会增长诸多，而此时不做量水建筑物直接用渠道的水位流量经验关系曲线测流时精度会很低。 流速面积法则不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（事实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，并且精度高，且不受下游顶托水的影响。流速面积法流量计重要有超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计。 由于超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计过去重要以国外产品为主，国内几乎没有同类产品，因此造价很高，一般在重要干渠及重要支渠上安装此类产品，斗口很难普及，一般均以水位法流量计（水位计+量水建筑物）作为斗口计量的重要设备。由北京金水中科科技有限公司开发生产的HOH-L-01型超声波多普勒流量计，在技术性能与国外同类产品同样的状况下，极具价格优势，特别是当渠道宽度较大时，其价格低于水位计与量水建筑物的造价之和，因此明渠流量计可首选HOH-L-01型超声波多普勒流量计。（二）明渠流量计的选型（测流措施选择）1、宽度20米以上的宽浅渠道的测流措施选择 渠道宽度在20米以上时，水位法误差会很大，因此只能采用流速面积法测流。可选用的流速面积法目前重要有如下四种措施： 固定ADCP法（横向发射） 多普勒走航式明渠流量计 时差法明渠流量计 流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。） 其中、需要人工辅助测量，不能在线自动监测；、为目前重要采用的在线监测措施。时差法明渠流量计合用于清水，水中汽泡与杂质不适宜过多，有单声道与多声道之分，安装于渠道的两岸，安装精度规定高，维护费用也高，目前使用比较少。固定ADCP法（横向发射）原理为多普勒法，合用于污水及有汽泡或杂质的清水，有单探头与多探头之分，安装于渠道单侧，安装维护相对简朴，目前被广泛使用。2、宽度20米以内的窄渠道的测流措施选择 如果水位法能满足测流规定，则尽量用水位法，因素重要有： 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。 可靠性好：不受水中悬浮物干扰，不易受环境影响。 安装维护简朴：不需停水安装与检修。水位法流速面积法：修建量水建筑物一般需要，费用随渠道宽度增长而增长。不需要渠宽限制2米以内没有顺直段规定前10后5前10后5可靠性及安全性高一般精度有些状况下高（如薄壁堰），有些很低（沉没出流原则断面）。普遍高水头损失有没有受下游雍水影响大没有造价随渠宽增大而增大与渠宽没关系流速面积法的选型： 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重要三种类型：超声波时差法（分单声道法与多声道法） 如：RISONIC（瑞士）超声波多普勒法 如：HOH-L-O1（北京金水中科）电磁法（分单点法与多点法） 如：LMM-601）超声波时差法（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=实际测速范畴内的杂质最大概率流速 3）电磁法（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措施互相比较如下： 测速原理均是测出原则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，因此这里只比较如下三种测量措施的精度：超声波时差法（多声道法）电磁法（多点法）超声波多普勒法从理论上讲，三种措施测得的各自测流范畴的流速精度应当都是很高的，都在1%以内，核心是换算为断面整体平均流速时其计算模型会产生误差，因此这三种措施的实际断面流量测量精度重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）的实际测量范畴是点，超声波时差法（多声道法）的实际测量范畴是线，超声波多普勒法的实际测量范畴为面，比较如下图： 从上述测量范畴可以看出，超声波时差法（多声道法）的测量范畴完全涉及了电磁法（多点法）的测量范畴，因此前者的精度肯定会比后者高（实际应用中也许后者的测量精度有时会高于前者，这重要是由于安装位置、安装精度、校准措施等引起的，如果在同样的位置并采用同样的安装精度及校准措施，后者的精度肯定不会高于前者。）。所如下面只对超声波时差法（多声道法）与超声波多普勒法的测量精度及优缺陷进行比较。 水质要 求安装维护价格可靠性测 量 精 度宽浅渠道（渠宽5倍水深）中档渠道（5倍水深渠宽水深）窄渠道（渠宽水深）超声波时差法（多声道法）清水，水中漂浮物要少难高中高高一般超声波多普勒法浑水，水中需有杂质或气泡易中中一般高很高（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。）如何提高测量精度 以上三种测流措施在实际应用中其实际测量精度与理论精度（即仪器出厂标定精度）肯定会有一定的差距，这重要是由于安装位置、安装精度、数据解决措施、校准措施等产生的，因此提高测量精度重要从这几点入手：（1） 调节安装位置 尽量选择具有原则断面的顺直渠道，满足前10后5的规定（既仪器上游顺直段有10倍渠宽，下游顺直段有5倍渠宽）。如果不满足这个规定，水的流态不会非常平稳，会产生测量成果偏大或偏小的状况，这时就需要进行修正，一般是乘以一种修正系数（该系数是通过现场率定产生的）或调节安装位置。（2） 提高安装精度重要为流速探头的安装角度、位置等与否精确，如果安装角度发生偏差，则成果会有一种固定的误差系数，这时候为提高测量精度则需要调节安装角度或乘以一种修正系数。（3） 数据解决措施重要是指在实际测量过程中现场会有多种干扰（如正在测量时有鱼在流速探头附近游过），使个别数据不准或完全失真，如果测量的时间间隔较大，则这些失真数据会对测量成果产生较大影响，因此需要增长测量时间间隔密度或对失真数据进行删除或平滑解决。（4） 校准措施 校准时一定要保证在一段时间内测量断面处的过流量保持恒定，否则在涨水或落水的过程中同样的水位会相应不同的流量，导致校准系数成果偏大（落水）或偏小（涨水）；另一种要注意的是要选择一种或几种合适的水位附近进行校准，不能选择极端水位；当实际断面过流量的精确值无法获得时，可通过对称法或反向法安装仪器来抵消系统误差。三、数据传播方案通讯方案有四种大类可选：a.有线方式:电缆、光缆b.无线超短波电台:230Mc.无线宽带通讯:CANPYd.公网通讯：GPRS、GSM 考虑造价及维护费用，一般首选公网通讯。 四、电源系统当监测现场有民用电时，可作为首选使用，可充电蓄电池作为备份。由于测流现场多为野外，一般无民用电可用或接电费用太高，因此供电基本采用太阳能电源或蓄电池方式。考虑蓄电池需一种月维护一次，野外测点多而分散，维护工作量很大，目前大都采用太阳能供电系统；在采用太阳能电源方式时，由于野外没有建筑物可用，重要考虑防盗需求，需要在测点旁竖立电杆以便架设太阳能板及其她现场设备。另当监测传播设备均为微功耗时，可采用一次性锂电池，可持续工作一年以上。五、监控管理软件监控管理软件一般为网络版，安装于管理站专用服务器上，并将根据国家防汛指挥系统工程实时水雨情库表构造制定的有关原则水情实时数据库，同步提供基于WEB方式的浏览、查询及记录等功能。一般具有如下基本功能：a.数据采集功能： 自动接受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；实时招测现场数据。b. 查询记录分析及报表功能以报表形式显示各用水户的用水流量及累积用水量、各用水户用水量的对比分析记录各用水户的水费记录分析以及有关的记录分析报表等 c.用水户管理: 系统可自动增长及修改用水户及有关测点内容； 人工输入用水户及测点等实体的有关属性数据。d.权限管理: 系统对不同顾客可设立不同的使用权限 六、设备典型配备及预算一种流速面积法流量测点（太阳能供电）的原则设备配备方案如下表：序号名称规格单位数量供货价（元）市场报价（元）备注1流速面积法流量计HOH-L-01套1涉及流速水位传感器与二次仪表2GPRS通讯仪 只13太阳能电源套1涉及太阳能电池板、充电电源、电源控制器、12V120AH免维护蓄电池4电杆根15避雷器套16控制箱只1保护设备及电池7数据电缆米208附属土建设施处1一种水位法流量测点（太阳能供电）的原则设备配备方案如下表：序号名称规格单位数量供货价市场报价备注1水位法流量计HOH-S-YD套1严格地讲水位法流量计涉及了量水建筑物。即水位法流量计的构成是：水位传感器+积算（二次仪表）+量水建筑物量水建筑物处12GPRS通讯仪 只3太阳能电源套14电杆根15避雷器套06控制箱只1保护设备及电池7数据电缆米8附属土建设施处1附件：有关设备性能及技术指标1、HOH-L-01多普勒超声波明渠流量计 仪器构造图： 各部件名称如下：1探头 2上位机（终端机） 3通信电缆 4转接线 其中探头安装于渠道底部，上位机置于控制箱与通讯设备相连，现场安装图如下：技术指标：流速： 量程： 21mm/s到10000mm/s。 精确度：测量流速的2%。 辨别率：1mm/s。温度：量程： 0到60。 辨别率：0.2。水位： 量程： 0.1到10m。 辨别率：1 mm。精确度：测量水位的1%。 流量： 量程： 0.001m3/s到1000m3/s。辨别率： 0.0002m3/s。精确度：测量流量的3%。 电源：12V DC 或220VAC。接口：原则RS232、RS485。 通讯合同： Modbus。数据储存容量：每10分钟采集一条记录，可以存储超过6个月的数据，并且这些数据即便在掉电的状况下，也可以长期不丢失。运营温度：0到60水温。外壳材料： pc塑料。尺寸： （25010535）mm（探头）。（23018065）mm（终端机）。10m（通信电缆原则长度，可加长到100 m）。 2、HOH-S-YD微功耗水位式流量计 应用范畴：具有量水槽或量水堰的渠道的流量测量。功能特点： 微功耗设计，自带蓄电池在野外可持续工作7200h。 内置无线传播模块，可实现流量数据的自动无线传播。安装简朴，运营稳定可靠，维护以便。防潮防盗性好，可安顿于水位井中或地埋。 技术指标：水位传感器：精度 0.5% ，量程3m，输出4-20mA。 上位机（数据采集器）：原则MODBUS-RTU合同、PSBUS合同， 存储半年数据，输出RS485/RS232。 流量精度：1%15%（与量水槽、堰的型式及其施工精度有关，其中薄 壁堰精度最高。）。