非接觸流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

摘 要：近年來國家實(shí)施了最嚴(yán)格水資源管理制度，對水資源的精細(xì)管理提高到一個(gè)新的高度。渠道沖淤劇烈，主流擺動(dòng)頻繁，尋找到主流并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握斷面淤積變化情況是流量準(zhǔn)確測驗(yàn)的關(guān)鍵。作者結(jié)合某典型河段，選取某典型閘對計(jì)量設(shè)施進(jìn)行了升級(jí)改造，結(jié)合典型水閘，安裝多垂線非接觸測流系統(tǒng)和泥沙淤積厚度傳感器，多點(diǎn)覆蓋斷面非接觸雷達(dá)測流設(shè)備的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)流速面積法精確計(jì)算斷面流量，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線精確計(jì)量。該項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)研制，可以很好的解決典型河段渠道寬淺、主流擺動(dòng)及在線監(jiān)測等難題。

關(guān)鍵詞：非接觸 實(shí)時(shí)計(jì)量 流量監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（201501（b）-0002-01

為實(shí)現(xiàn)水資源的精細(xì)化管理，選取某典型河段實(shí)施了引水流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的研制，實(shí)現(xiàn)了引水的“實(shí)時(shí)、在線、精確”計(jì)量。由于該河段水多含沙特性，積極開展科技攻關(guān)，采用新的方法對某典型水閘計(jì)量設(shè)施進(jìn)行了改造。該系統(tǒng)將多種類型的自動(dòng)測量設(shè)備配合無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)等，研制集成非接觸流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。

1. 建設(shè)背景

精確計(jì)量水量，進(jìn)行精細(xì)化管理是促進(jìn)水資源節(jié)約利用的有效手段。目前水閘流量測驗(yàn)普遍采用流速面積法，即流量由流速與輸水?dāng)嗝婷娣e所確定。流速由傳統(tǒng)流速儀測量，水位多為人工觀測，自動(dòng)化程度較低，工作量大，作業(yè)效率低，資料實(shí)效性較差，難以滿足供水管理現(xiàn)代化、精細(xì)化、信息化的要求。

秋收時(shí)期輸水渠內(nèi)作物秸稈、雜草等較多，影響儀器測驗(yàn)精度甚至造成儀器設(shè)備的損壞。對此需要一種脫離水面工作的儀器進(jìn)行測驗(yàn)。該典型閘渠道寬、淺，渠道沖淤劇烈，主流擺動(dòng)頻繁，尋找到主流并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握斷面淤積變化情況是流量準(zhǔn)確測驗(yàn)的關(guān)鍵。

2 項(xiàng)目概況

此次某典型閘安裝多垂線非接觸測流系統(tǒng)和泥沙淤積厚度傳感器。多點(diǎn)覆蓋斷面非接觸雷達(dá)測流設(shè)備的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)流速面積法精確計(jì)算斷面流量。該項(xiàng)技術(shù)是國內(nèi)首次開發(fā)研制并投入應(yīng)用，可以很好的解決典型河段渠道寬淺、主流擺動(dòng)及在線監(jiān)測等難題。

淤積厚度傳感器是對斷面泥沙淤積厚度進(jìn)行同步監(jiān)測并通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行分析、處理，并且對過水面積進(jìn)行有效修正，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算斷面面積，保證了流量的準(zhǔn)確性。原始數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)通過數(shù)傳設(shè)備傳送到現(xiàn)地站和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

流量（Q）測驗(yàn)是通過測量斷面平均流速（V）和過流面積（A）實(shí)現(xiàn)的，即：

Q=V×A

其中，斷面平均流速是通過測量斷面上某一點(diǎn)或某一區(qū)域的流速（Vi），然后通過水力學(xué)模型或標(biāo)定的方法和斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，從而得到斷面平均流速。而過流面積是與水位和斷面形狀有關(guān)系的，對于有沖淤變化的斷面我們要通過測量水位和斷面形狀來推算過流面積。

根據(jù)以上分析該系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置流速傳感器、水位傳感器和淤積傳感器分別對流速和過流面積進(jìn)行同步監(jiān)測并通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行分析、處理、計(jì)算出流量，測量結(jié)果通過數(shù)傳設(shè)備傳送到數(shù)據(jù)中心；另外，系統(tǒng)還應(yīng)有控制設(shè)備對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)控制，還要配備電源、機(jī)柜等輔助設(shè)備保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 流速監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

由于渠道相對比較窄，而且渠道硬化相對比較規(guī)范，在纜道（桁架）移動(dòng)測流的基礎(chǔ)上升級(jí)在桁架上安裝三個(gè)非接觸雷達(dá)測流裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測三條垂線流速，而且數(shù)據(jù)直接通過光纖傳輸?shù)介l管所，保證了設(shè)備的安全。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比對，測驗(yàn)精度與移動(dòng)測流基本一致，保證了精度要求。這種測流方式的升級(jí)使得斷面測房的設(shè)備得到極大簡化，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測和推廣的需要。

系統(tǒng)建成后，經(jīng)多次試運(yùn)行和流量比測試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，從走航式已經(jīng)升級(jí)為多點(diǎn)定位方式，達(dá)到監(jiān)測斷面主流和控制整個(gè)斷面流量的效果。

3.3 水位測量方案設(shè)計(jì)

目前用于水位在線測量的儀器設(shè)備很多，如浮子水位計(jì)、壓力水位計(jì)、氣泡水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)等。其中浮子、壓力、氣泡水位計(jì)均為浸沒（接觸）式測量，它們共同缺點(diǎn)是隨著主流的擺動(dòng)和沖淤的變化存在著脫離被測水體的可能。而超聲波水位計(jì)和雷達(dá)水位計(jì)是非接觸測量儀器，可靈活的安裝在常年有水的區(qū)域上方，其中雷達(dá)水位計(jì)更具有精度高、工作穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，所以柳園口測流系統(tǒng)應(yīng)采用雷達(dá)水位計(jì)測量水位。

3.4 淤積測量方案設(shè)計(jì)

此次安裝的是XD-2202淤積厚度傳感器。監(jiān)測系統(tǒng)為自動(dòng)運(yùn)行，泥沙淤積厚度傳感器實(shí)時(shí)測量河底泥沙厚度，配合水位計(jì)得到斷面平均水深和斷面面積；安全監(jiān)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)則保證系統(tǒng)的運(yùn)行和用電安全。

3.5 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集可用一臺(tái)工控機(jī)來完成，它可以根據(jù)設(shè)置，控制纜道將儀器停留在主流的上方施測，并采集測量數(shù)據(jù)，分析、計(jì)算、顯示、輸出。

3.6 數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用GPRS傳輸方式，GPRS正常情況下信號(hào)較穩(wěn)定。一旦遇到通訊故障系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到備用信道，待主信道故障排除后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回到主信道傳輸數(shù)據(jù)。另外，系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)召回功能，當(dāng)主、備信道都出現(xiàn)故障，一旦恢復(fù)通訊系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將缺失的數(shù)據(jù)召回。

3.7 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括中心站軟件和數(shù)據(jù)查詢、發(fā)布軟件兩部分。各監(jiān)測站采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通信設(shè)備匯集于中心站，暫存于中心站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為原始資料，經(jīng)分析、處理放入共享庫供調(diào)用。數(shù)據(jù)查詢軟件可根據(jù)用戶的權(quán)限提供其權(quán)限范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，它可以報(bào)表和過程線的形式顯示，還具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出和報(bào)表打印的功能。

該系統(tǒng)的成功研制，為多沙河流引水測流提供了便捷準(zhǔn)確的計(jì)量方式，有利于水量的準(zhǔn)確計(jì)量和自動(dòng)化水平的提高。

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