CN104535123A - 在线式渠道流量自动测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种在线式渠道流量自动测量方法是在上位机上设置测量参数，微控制器自动将断面细分为若干个分区并自动选取特征测点，测得断面某点的流速和断面水位后，由断面垂线方向的流速分布规律、测点位置、测点流速和水深值计算得出流速点所在垂线的平均流速，再根据平均流速的横向分布规律得到各分区中垂线平均流速，各个分区的平均流速由分区中垂线平均流速表示，求得各分区的流量后求和，即可获得断面的总流量。本发明能够准确可靠地自动定位特征测点，提高了检测精度，实现了流量测量的自动化，减少了人力的投入。
Description
技术领域
本发明涉及一种渠道液体流量检测方法，具体而言，是一种利用水位流速法的在线式渠道流量自动测量方法。
技术背景
明渠测流是灌区节约用水、提高灌水质量和灌溉效率的有效措施，是执行用水计划过程中能准确引水、输水、配水和灌水的重要手段，也是核定和计收水费的主要依据。
转轮式量水计。转轮式量水计由转轮、水槽和计数器三个部分组成，目前主要应用与澳大利亚等国家。其工作原理是当量水计上、下游一定的水位差时，转轮在水头的作用下旋转，计数器记录下某一时段的转数，再根据一定的工作范围内，转轮每转所通过的水量，就可以确定某一时段通过的水量。
电磁流量计。电磁流量计由传感器和转换器组成。其工作原理是根据法拉第电磁感应定律支撑，当水流流过该磁场时，切割磁力线，安装在该管段管壁上一个特定位置的电极将产生电动势，其电动势的大小与水流流过的速度成正比。由于电磁流量计具有压力损失小、测流范围广、没有转动部件、没有阻水（***式除外）物体、对流体的适应性很强等一系列优点，近年来，在灌区量水工作中得到了较为广泛的应用。
分流旋翼式流量计。该流量计主要由测流管、旋翼水表和导压管组成，用来测量主管管道内的过水流量。该流量计安装在主管路的旁路上，不会影响主管的流量，具有过流能力大、功耗低、阻力小、不易堵塞等技术特点。
超声波流量计。它主要由电子线路板、超声波换能器和瞬时流量和累积流量显示三部分组成。其原理是超声波流量计中的超声波发射换能器将电能转换成超声波能量，并将能量信号发射到被测流体中，被换能器接收后转换成可以代表流量并被容易检测的信号，这样就可以实现流量的测量和显示。
涡轮流量计。它包括传感器和能够记录脉冲信号的流量计算仪配套组成，用于测量流体的瞬时流量和总水量。传感器主要由壳体、前导向架、叶轮、后导向架、紧圈和带放大器的电磁感应转换器组成。当被测流体流经传感器时，推动叶轮旋转，叶轮周期性改变磁电感应***中的磁阻值，使通过线圈的磁通量发生变化并产生电流脉冲信号，经过放大后传送至二次仪表，实现流量测量。
智能微功耗明渠流量计。它由磁矩阵式水位传感器和智能明渠流量显示仪组成，可以用来测量矩形、梯形等明渠流量。它采用了比较先进的微功耗微电脑技术和电子技术。工作原理是：利用水位轮、超声波、压力膜片、开关、激光灯感应水位或水压的变化，测出渠道中的实际水位深度，再通过一定的计算、信息处理和信息转换，最后将所得结果存储和记录，并在智能型明渠流量显示仪上显示。当测定某一渠道流量时，这类仪表必须安装在较为规则的明渠渠道中，渠道底面和坡面都整齐规范。该类仪表功耗低，无需交流电源，流量计的灵敏度高，对渠道不产生任何阻力。
目前，明渠断面测流方法或多或少都存在一些不足。我国一贯沿用的流速面积法，需要人工操作，尽管测量精度很高，但达不到自动化测量要求。堰槽法，较准确也较易实现自动化测量，但是需要改造已有明渠，投资大，另外，这种方法的精度易受明渠冲淤变化的影响。而依靠进口仪器（如多普勒法声学流量计、时差法声学流量计、电磁流量计等）自动化测量的方法，由于仪器价格昂贵，维护费用高，无法满足量多面广的明渠流量自动测量的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种在线式渠道流量自动测量方法，以解决渠道流量自动检测、降低成本、操作简单、安装方便和易于维护等问题，同时提高流量测量精度。
本发明上述的一种在线式渠道流量自动测量方法，其所述方法是采用水位流速法基于渠道流量自动测量装置实现渠道流量自动测量方法；
所述渠道流量自动测量方法是在上位机上设置测量参数，微控制器自动将断面细分为若干个分区并自动选取特征测点，测得断面某点的流速和断面水位后，由断面垂线方向的流速分布规律、测点位置、测点流速和水深值计算得出流速点所在垂线的平均流速，再根据平均流速的横向分布规律得到各分区中垂线平均流速，各个分区的平均流速由分区中垂线平均流速表示，求得各分区的流量后求和，即可获得断面的总流量；
所述渠道流量自动测量装置是在H型支架的横梁上固定有T型滑板，第一位移丝杠的一端连接有第一步进电机，并穿过H型支架的一端、T型滑板和H型支架的另一端水平转动连接，第一步进电机带动第一位移丝杠转动，实现T型滑板的水平位移；在T型滑板的一侧设置有第二步进电机连接有第二位移丝杠的一端头，在第二位移丝杠上设置有第二滑板，底端连接有连接板，并在T型滑板、第二滑板与连接板上垂直设置有水位传感器，在滑板的一边垂直设置有流速仪，第二步进电机带动第二滚珠丝杠转动，实现第二滑板垂直上下位移。
在上述技术方案中，所述测控***接收流速仪、水位传感器的信号，并根据渠道结构和水位信息输出脉冲驱动水平方向的第一步进电机和第二步进电机，控制相应位移丝杠的运动行程方向，使水位传感器和流速仪分别移动到特征点进行数据采集；微控制器将测到水位信息和流速信息经过计算得到流量值，并将水位信息、流速信息和流量信息传送到上位机进行存储和实时监控。
本发明上述所提供得一种在线式渠道流量自动测量方法，与现有渠道流量自动测量方法相比，其有益效果在于本方法采用结构简单、安装方便、操作简单和便于维护的渠道流量自动测量装置，并用水位流速法来测量渠道流量，根据上位机对测量参数的设置，包括明渠系数、断面分区数n，该装置自动选取测点位置，将采集到的数据经过计算得到流量值，并将数据通过无线传输模块传送至上位机界面进行存储和实时监控，实现了在线渠道流量的自动测量。本方法解决了以往的使用流速面积法测流不易实现自动化测量的现状，能准确自动定位特征测点，再提高测流精度的同时，测流装置还不易受明渠冲淤变化的影响，能有效的监控明渠流量的变化。
附图说明
图1是本方法采用的渠道流量自动测量装置的结构示意图。
图2 是本方法的硬件控制原理框图。
图3是本方法的水位流速法测量渠道断面流量示意图。
图4 是本方法的流量计算流程图。
图中：1：测控***；2：流速仪；3：水位传感器；4：H型支架；5：第一步进电机；6：第二步进电机；7：第一位移丝杠；8：第二位移丝杠；9：T型滑板；10：第二滑板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，使本专业的技术人员能够按照本具体实施方式能够再现本发明所述的在线式渠道流量自动测量方法，同时也能够实施本发明所述的在线式渠道流量自动测量装置。
实施本发明所提供的一种在线式渠道流量自动测量方法，该方法是采用水位流速法作为渠道流量自动测量的基本方法。由上位机设置测量参数，微控制器自动将断面细分为若干个分区并自动选取特征测点，测得断面某点的流速和断面水位后，由断面垂线方向的流速分布规律、测点位置、测点流速和水深值计算得出流速点所在垂线的平均流速，再根据平均流速的横向分布规律得到各分区中垂线平均流速，各个分区的平均流速由分区中垂线平均流速表示，求得各分区的流量后求和即可得到断面的总流量。流量计算公式为：
(i=1,2,3,…,n) (1)
式中：Q为总流量值，m3/s；ΔSi为第i分区的面积；V i 为第i分区中垂线的等效平均流速，对于矩形断面，其值为该分区中垂线的平均流速； n为断面分区个数；B为水面宽度； H m 为断面中垂线的水深。
对于矩形断面，V i 的计算方法如下。
矩形断面明渠垂线的平均流速横向分布规律为
(2)
式中：Z i 为第i分区中垂线距离渠道左边壁的距离；V max为断面中垂线的平均流速；k、p、q为系数。
矩形断面明渠外区和表面区（y/H≥0.6）的垂线流速分布规律为:
(3)
矩形断面明渠底部内区(y/H<0.6)的垂线流速分布规律为:
(4)
式(3)、(4)中：u为测点流速；V max 为垂线平均流速；y为测点距离渠底的距离； H为水深；a、b、c为系数。
实施上述渠道流量自动测量方法的渠道流量自动测量装置如下。
参照附图1，本发明在具体实施方法中所述的在线式渠道流量自动测量装置，包括测控***1、流速仪2、水位传感器3、支架4、第一步进电机5、第二步进电机6、第一位移丝杠7、第二位移丝杠8、滑板9、滑板10组成。在渠道两侧分别安装可调节设备高度的支架；第一步进电机5、第一位移丝杠7通过联轴器组成的水平电机传动模块架设在渠道两边支架的适当高度上；安设在第一位移丝杠7上的T型滑板9安装有水位传感器3以及由第二步步进电机6、第二位移丝杠8通过联轴器组成的垂直电机传动模块；第二位移丝杠8上安装的第二滑板10下方竖直安装流速仪2。
参照附图2，测控***1通过导线连接至第一步进电机5、第二步进电机6、流速仪2、水位传感器3，并输出脉冲控制第一步进电机5和第二步进电机6运行，进而控制相应的第一位移丝杠7和第二位移丝杠8的运动方向和行程，使得安装在第一位移丝杠7和第二位移丝杠8上的T型滑板和第二滑板作出相应的运动，并将水位传感器3和流速仪2移动到相应特征测点进行测量。测控***将测得的所有特征点的流速信息和水位信息进行计算得出流量进行显示，并将测得水位信息、流速信息和计算得到的流量信息通过GPRS无线通信模块传送至上位机进行存储和实时监控，从而完成流量测量的工作。
附图3为本发明采用的水位流速法测流的一个矩形断面测流实例，在测量之前，首先将整个断面在宽度上进行n等分，对于流速的计算有多种方法：一点法、三点法、五点法等，本发明采用一点法，具体的测流步骤和流量计算过程参见附图4。在***连接完成并上电后，首先在上位机界面上设置明渠参数（如水面宽度、边坡系数、糙率）、断面分区数n、流速测点距离渠底距离与该测线水深的比值y/H。控制***接收到上位机的启动命令和测流参数后，首先输出脉冲控制水平电机传动***，将水平滑板移动至断面第1分区中垂线上，此时水位传感器已到达其指定的特征测点并开始采集该位置的水位信息，测控***根据采集到得水位信息以及y/H的值可以得出流速测点距离渠底的距离y，并输出脉冲控制垂直方向电机传动***，使安装在垂直滑板上的流速传感器移动到距离渠底距离为y的特征测点位置，并进行流速信息的采集。第一分区的水位和流速采集完成之后，测控***输出脉冲控制垂直方向电机传动***，使流速仪向上移动至水面，即完成了第一分区的信息采集。当n个分区的水位和流速信息都采集完成之后，测控***首先使用公式（3）或（4）来计算出相应垂线的平均流速V max ，再将求得的垂线的平均流速V max 按照公式（2）求得各分区分区中垂线的等效平均流速V i ，最后按照公式（1）计算即可得到断面的流量值。
Claims (2)
1.一种在线式渠道流量自动测量方法，其所述方法是采用水位流速法基于渠道流量自动测量装置实现渠道流量自动测量方法；
所述渠道流量自动测量方法是在上位机上设置测量参数，微控制器自动将断面细分为若干个分区并自动选取特征测点，测得断面某点的流速和断面水位后，由断面垂线方向的流速分布规律、测点位置、测点流速和水深值计算得出流速点所在垂线的平均流速，再根据平均流速的横向分布规律得到各分区中垂线平均流速，各个分区的平均流速由分区中垂线平均流速表示，求得各分区的流量后求和，即可获得断面的总流量；
所述渠道流量自动测量装置是在H型支架(4) 的横梁上固定有T型滑板(9)，第一位移丝杠(7)的一端连接有第一步进电机(5)，并穿过H型支架(4)的一端、T型滑板(9)和H型支架(4)的另一端水平转动连接，第一步进电机(5)带动第一位移丝杠(7)转动，实现T型滑板(9)的水平位移；在T型滑板(9)的一侧设置有第二步进电机(6) 连接有第二位移丝杠(8)的一端头，在第二位移丝杠(8)上设置有第二滑板(10)，底端连接有连接板(12)，并在T型滑板(9)、第二滑板(10)与连接板(12)上垂直设置有水位传感器(3)，在滑板(10)的一边垂直设置有流速仪(2)，第二步进电机(6) 带动第二滚珠丝杠(7)转动，实现第二滑板(10)垂直上下位移。
2.如权利要求1所述的方法，其所述测控***(1)接收流速仪(2)、水位传感器 (3) 的信号，并根据渠道结构和水位信息输出脉冲驱动水平方向的第一步进电机(5)和第二步进电机(6)，控制相应位移丝杠的运动行程方向，使水位传感器(3)和流速仪(2)分别移动到特征点进行数据采集；微控制器将测到水位信息和流速信息经过计算得到流量值，并将水位信息、流速信息和流量信息传送到上位机进行存储和实时监控。
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