一種用于田間作物凈灌溉用水量計量的超聲波水表智能量測系統研究

彭思易 余學芳 謝林聰

(浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018)

為深入貫徹節水優先方針，實施農業用水總量控制和定額管理制度，需要加強農業用水管理，推進節水灌溉，實現水資源高效利用，實現農業灌溉用水總量控制和定額管理，這些都離不開農田灌溉水有效利用系數(以下簡稱“利用系數”)這個指標[1]。利用系數是評價灌溉渠系工程狀況和管理水平的一個重要指標，它既反映了灌區各級渠道的滲漏損失，又反映了在管理過程中無益的水量損失。利用系數測算首先要知道田間作物的凈灌溉用水量，凈灌溉用水量需要在灌區內選取典型田塊，量測田間作物的用水量，通過換算得到。田間凈灌溉用水量是衡量灌溉用水效率的重要參數指標[2]，如何對灌區灌溉用水進行量測及控制對提高灌溉用水效率尤為重要[3]。

要精準量測典型田塊作物的灌溉水量，需要設置計量設施。選擇的典型田塊一般要求位于末級渠道，由于末級渠道現場條件復雜，典型田塊有可能存在邊界不清楚、形狀不規則、與灌區面積不協調，種植作物、進水口不夠單一等情況，即便選出了典型田塊，但由于多是U形渠道，不便于在末級渠道設置簡易量水檻或采用標準斷面量水，筆者在此之前提出了在田塊里設置量水檻[4]，但發現占地較大，且末級渠道距離較遠，現場若采用人工讀數和巡檢的管理模式，存在著計量和管理上的弊端，需要積極構建能夠自動讀數、實時監控管理、正確計量的一種智能測量系統，并且在灌水前要完成現場工作。

目前有些灌區采用機械水表量測田間作物用水。機械水表是利用機械測量元件把流體連續不斷地分割成已知的體積單元，根據計量室逐次、重復地充滿和排放該體積部分流體的次數來測量流量的體積總量，具有成本低、簡單易于實現的特點，但是無法解決山區距離較遠需要到現場人工讀數的問題。

基于此，本文提出了一種在典型田塊設置的超聲波水表智能量測系統。該系統中被測管道內無任何運動、阻流部件，無磨損，壓力損失小，靈敏度高，可檢測到流速的微小變化；同時，對被測介質幾乎無要求，具有極寬的量程比；該水表具有精度高、功耗低等特點[5-6]；此外智能系統占地面積小，農戶易接受，非常適合復雜條件下田間作物的灌溉用水計量。

1 超聲波水表智能系統組成

該自動系統由管道、水表與水表井和太陽能裝置三大部分組成。超聲波水表自動量測系統平面示意圖見圖1，超聲波水表自動量測系統立視示意圖見圖2，水表井平面圖和水表井剖面圖見圖3和圖4。

圖1 超聲波水表自動量測系統平面示意圖 (單位:cm)

圖2 超聲波水表自動量測系統立視示意圖

圖3 水表井平面圖 (單位:cm)

圖4 水表井剖面圖 (單位:cm)

1.1 管道

為了做到進水可控，可在渠道內管道進口設置閥門，即每次灌水時將閥門打開，灌水結束后將閥門關閉。水管在取水口部分采用彎頭，保證取水，彎頭為口徑150mm的45°PVC管，彎頭底高程不高于渠道最低水位或與渠底齊平。水管在水表進出口用口徑為150mm的45°PVC彎頭和管道相接，彎頭出水口底部盡量高出田面5cm，防止田里的水倒流。直管為口徑150mm的PVC管，直管與彎頭、直管與水表法蘭盤連接處涂膠水。

1.2 超聲波水表與水表井

超聲波水表主要由換能器、電子線路及流量顯示、累積等部分組成。超聲波水表采取時差法[7]對流量進行測量，即在測量通道(管段)的上游和下游分別安裝一只超聲波換能器，用于相互之間超聲波信號的發射和接收(見圖5)。由于超聲波信號與水流信號疊加，使聲波在順流和逆流時的傳播速度不同，順流方向傳播速度增大，逆流方向則減小，同一傳播距離有不同的傳播時間，因此不同的換能器發射的超聲波信號在水中的運行時間不同，通過測量該時間的差值可計算出流體的流速，然后再換算成流量，從而實現流量的測量。

圖5 時差法超聲波水表測量示意圖v—水流速度；θ—超聲波的入射角；D—管道直徑；L—換能器1到換能器2的距離

在管道的上、下游分別安裝換能器1和換能器2，當灌水時，水流通過管道，超聲波信號從換能器1向換能器2發射信號，此時為順流發射，順流傳播時間為T1，同時從換能器2向換能器1發射信號，此時為逆流發射，逆流傳播時間為T2。由于水流速度的影響，T1和T2不相等，存在一個時間差ΔT，最終通過ΔT計算出流量。設c為超聲波速度，A為管道的橫截面積，則T1、T2可以表示為

(1)

(2)

(Qc2≥v2cos2θ)

(3)

根據式(3)，流速為

則流量為

換能器將電能轉換成超聲波能量，并將能量信號發射到被測的水體中，接收器接收到的超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供顯示和計算，實現了流量的測量。

水表井采用磚砌形式，水表井尺寸為40cm×40cm×28cm。井內側表面和外側表面全部用水泥砂漿抹面，上面加井蓋，保護超聲波水表，井蓋尺寸為46cm×46cm。圖3、圖4中尺寸標注11.5cm為一塊磚的寬度。井底土壤應夯實，在其上鋪厚2cm的水泥墊層，再在上面砌筑井底磚。

1.3 太陽能裝置

太陽能裝置主要由太陽能板、設備箱和立桿組成。太陽能板是太陽能發電系統中的核心零部件之一，其作用是將太陽輻射能直接轉換成直流電，供負載使用或存儲于蓄電池內備用。太陽能板朝南以45°角安裝。

設備箱里有蓄電池、太陽能控制器和遠傳終端。太陽能控制器是由專用型處理器CPU、電子元件、顯示屏、控制開關功率管等構成。在太陽能發電系統中，太陽能控制器的基本作用是為蓄電池提供充電電流和電壓，快速、平穩、高效地為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命，同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現象的發生。同時記錄并顯示系統各種重要數據，如充電電流、電壓等。

蓄電池組是將太陽電池方陣發出的直流電儲存起來供負載使用。白天太陽能電池方陣給蓄電池充電,同時方陣給負載用電,晚上負載用電全部由蓄電池供給。因此,要求蓄電池的自放電盡量小，而且充電效率要高,同時還要考慮價格和使用是否方便等因素。

2 超聲波水表智能系統特點

a.超聲波水表采用管段式結構，基本等同水管，不會發生內部堵塞情況，被測管道內無任何阻流部件，無磨損，壓力損失小。

b.超聲波水表量程范圍寬，可檢測到流速的微小變化，計量準確度更高，靈敏度高，對被測介質幾乎無要求。

c.超聲波水表采用非接觸測量，不受砂粒、空氣等雜質的影響，對計量水質無導電要求，同時幾乎不受流體黏度等因素的影響，使用壽命長。

d.超聲波水表結構簡單、便于維護，占用田塊面積小，農戶易接受。

e.在后臺讀取數據方便，節省了遠距離現場讀數花費的人力成本，提高了灌區現代化管理水平。

f.雖然超聲波水表需要在滿管狀態下進行測量，但是農田灌溉本身就是從水源放水進行灌溉，不存在測量點出現非滿管流現象。

g.超聲波水表需要在滿管情況下測量，且測量結果的穩定性容易受到介質中氣泡、雜質等影響，安裝周邊如果有電場、磁場或安裝方式不對都會影響到測量結果的準確性。

3 結 語

本文提出了一種非末級渠道在典型田塊設置的超聲波水表智能量測系統，該系統結構簡單、便于維護；具有精度高、讀取數據方便，節省遠距離現場讀數花費的人力成本，且占地面積小、農戶易接受等特點，非常適合復雜條件下田間作物的灌溉用水計量。該智能量測系統能夠精準計量田間作物灌溉水量，可以增強群眾節水意識，提升灌區現代化管理水平，提高灌溉用水效率。