CS-3型流速流量儀研發與應用

牛 奔 ，王素芬 ，郝改云

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

灌區水資源優化調度,污水排放總量控制方案等，需要進行大量的水流測量，其中90%的測量任務是中小型渠道和溝道，目前普遍使用的是便攜式轉子類流速儀。現有轉子類流速儀的設計技術指標，主要是為了滿足和適應江河大尺度水測量要求的，而用于灌區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“斷面流量自動計算”的功能，不適應基層農民用水協會使用；2）儀器沒有測點、測量時間、流速、流量的自動存儲，無法實現無紙化測量記錄；3）由于傳感器體積較大，大多數儀器的最小測深為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，需要穿著皮褲站在水中測量；7）沒有與儀器相配套的灌區測水量水及污水排放管理的軟件，水量統計分析麻煩。

為解決上述問題，濟寧市水利局科技研究推廣站進行了“CS－3型多功能流速流量儀、灌區水管理及城市污水排放管理軟件”系統的研發工作。該系統運用流體力學、微電子工程學、電子信息技術、計算機編程技術、機械工程學等理論研制而成，具有自主知識產權。系統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成，主要用于灌區測水量水、污水排放量巡回監測及水源調查等領域，目前已進行了廣泛的推廣應用。

1 CS-3型多功能流速流量儀設計

該系統主要由傳感器、二次儀表、測桿、儀器包、測水量水管理軟件等構成。深水渠道還需配合本成果設計的微型鉛魚進行水流測量。

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，其轉速取決于流體的流速，轉動信號經非接觸檢測探頭將其轉化為電信號，并計算出流速值。

三維曲面流線型流速傳感器具有自主知識產權，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使用，由兩節不銹鋼伸縮桿組成，每節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，結構簡單、安裝快捷。在水淺的渠道上測量時，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使用。鉛魚采用儒科夫斯基線型和沉壓式混合設計，隨著流速的增加，上下部壓力差加大，產生對鉛魚的下拉力，縱橫尾翼能夠保證入水即對準水流方向且夾角小于5°。

1.4 儀器顯示功能

通過硬件、軟件設計的結合，硬件上充分利用了MSP430超低功耗的特點，分立器件采用CMOS電路、液晶顯示屏；儀器軟件的設計采用現代操作系統的設計思想，并對傳統單片機編程進行改進，嵌入運算數學模型軟件，將平均流速計算方程式、各斷面形狀的斷面流量計算方程式等嵌入儀器計算子程序之中，實現儀器各種斷面流量運算的自動化。

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

2 灌區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據，并進行相關統計分析。軟件主要包括用戶系統設置、現場測量數據信息傳輸或下載、測量儀器功能設置及參數設置、開放式用戶數據庫、開放式管理軟件操作員及管理員授權數據庫、各用戶水量統計分析計算、各用戶用水量電子表格導出等，可對用戶開放式設置，設置成任何一個用戶的專用管理軟件以滿足灌區水利信息化監測以及城市污水排放的各種需求。

流速流量儀直接與計算機連接，通過管理軟件可將各用水戶或排水戶的名稱代碼、測點位置、測量時間、測點流速、斷面流量等自動下載到計算機。數據下載完畢之后，輸入供排水時間，自動計算各個用排水單位的總用水量及總排水量。對各用排水戶、各時段的總水量進行統計分析，存入數據庫，輸出電子表格和分析曲線等，進行統計分析灌區及城市污水排放的總水量以及時空分布等，并自動更新數據庫，生成電子報表，進行統計分析。

為保證數據安全，軟件設置了二級密碼保護，密碼與操作人自動綁定，便于數據責任追蹤。灌區用水戶（排污戶）數據庫對管理操作人員完全開放，只要填好各測量監控斷面的代碼和用戶名稱，形成“用（排）水單位名稱和與之對應的代碼一覽表”，按照一覽表的內容逐項輸入，軟件自動建立數據庫。

3 應用情況

3.1 排污口調查

2008年和2009年，濟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查工作，調查各個排污口每年排入河道的污水總量。排污口調查測量點共有113個，涉及濟寧市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之內完成測桿與傳感器的快速連接。測量時，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位置，30s后分別顯示平均流速、斷面流量等數據。輸入5位測點位置代碼，即完成測點的數據存儲。由于傳感器尺寸較小，能夠測量水深4cm的淺水流，以便及時掌握排污水量不同時段的變化信息。

利用灌區水管理及城市污水排放管理軟件，通過GPRS將存儲的數據下載到計算機，進行數據統計分析，圓滿完成了每年一度的排污口調查工作。

3.2 灌區測水量水

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

陳垓灌區管理處測水隊負責鄉鎮級供水渠道的測水量水，根據渠道不同水深，分別采用測桿操作測量或微型鉛魚操作測量，多點法測流。灌區用水者協會負責鄉鎮內部各村的供水渠道的測水量水，主要采用測桿操作測量，一點法測流。灌區利用CS-3型多功能流速流量儀，實施“干渠定水位、支渠定流量、畝次定水量”的灌溉方式。利用配置的灌區水管理軟件，進行灌區水量分布統計分析，根據灌水量的實際變化情況，灌區信息中心及時進行灌溉水量優化配置調度。

該套測流設備操作簡單，測量快速，自動運算存儲、統計分析。依據灌區的應用對比分析，利用該套測流設備及其管理軟件，與傳統的轉子類流速儀相比提高功效3倍。在測量人員數量相同的條件下，達到了增加測站點數量、縮小測量時間間隔、提高灌區水信息完整度和實時度的效果。