CN104535125A

CN104535125A - 一种河流流量监测装置及河流流量计算方法

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Publication number: CN104535125A
Application number: CN201510038677.9A
Authority: CN
Inventors: 陈英义; 李翠丽; 于辉辉; 李源; 李道亮; 赵云; 马智杰; 汪群; 查同刚; 袁旭音; 张长征
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-04-22

Abstract

本发明属于流量监测技术领域，特别涉及一种河流流量监测装置及河流流量计算方法。该装置包括流速测量模块、水位测量模块、微处理器模块、存储模块、键盘显示模块、GPRS模块和电源模块；所述流速测量模块采用了超声波换能器，采用超声波速度差法计算河流流速；所述水位测量模块采用了超声波换能器计算水位，再计算得到河道横截面积；从而计算得到河流流量；所述GPRS模块可以实现远程数据传输，进行实时控制。本发明可以实现河流流量实时监控以及数据远程传输，具有采用无接触式测量安装简单、对设备影响小、准确度高、可以远程传输的优点，非常适合我国山区小型水电站河流流量的监测。

Description

一种河流流量监测装置及河流流量计算方法

技术领域

本发明属于流量监测技术领域，特别涉及一种河流流量监测装置及河流流量计算方法。

背景技术

小水电以其规模小、工程简单、建设工期短、收效快、充分利用自然资源、生态效益好的特点广泛分布在远离大电网的山区，是我国农村能源的重要组成部分。在小水电发电过程中，河流流量是影响小水电发电效益的重要因素，准确实时的河流流量监测，可以在丰/枯水期及时采取措施，保证小水电有效供电，同时也是实现农村用电合理化的关键环节。因此在小水电发电过程中实时监测河流流量，对控制小水电发电效能以及农村合理用电具有重要的意义。

现在的流量监测多应用在管道排污、管道能源传输以及简单的流量测量方面，少有人监测山区河流流量。而且自然河道情况复杂，使用液位传感器布置困难，大多流量监测装置直接将液位传感器安装在被测介质中，长时间使用易被腐蚀，精度不高，不可远程传输。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种河流流量监测装置及河流流量计算方法，从而解决了现有设备难以布置、易腐蚀、精确度不高、不可远程传输的缺点。

本发明所采用的技术方案是：

所述河流流量监测装置包括流速测量模块、水位测量模块、微处理器模块、存储模块、键盘显示模块、GPRS模块和电源模块，其特征在于：所述流速测量模块、水位测量模块、存储模块、键盘显示模块、GPRS模块和电源模块分别与微处理器模块连接；

所述流速测量模块设置两个超声波换能器，采用超声波速度差法测量河流流速；

所述水位测量模块采用一个超声波换能器测量水位；

所述GPRS模块实现数据的远程传输。

所述流速测量模块包括时间测量电路、第一CPLD芯片、第一超声换能驱动电路、第一换能器、第二换能器、第一收发时序控制电路以及第一信号处理电路；第一CPLD芯片分别与第一超声换能驱动电路、时间测量电路、第一收发时序控制电路连接，第一超声换能驱动电路分别与第一换能器、第二换能器连接，第一换能器、第二换能器均与第一收发时序控制电路连接，第一收发时序控制电路与第一信号处理电路连接，第一信号处理电路与第一CPLD芯片连接；时间测量电路和第一CPLD芯片分别与微处理器模块连接。

所述水位测量模块包括第二CPLD芯片、第二超声换能驱动电路、第三换能器、第二收发时序控制电路以及第二信号处理电路；第二CPLD芯片与第二超声换能驱动电路、第二收发时序控制电路连接，第二超声换能驱动电路与第三换能器连接，第三换能器与第二收发时序控制电路连接，第二收发时序控制电路与第二信号处理电路连接，第二信号处理电路与第二CPLD芯片连接；第二CPLD芯片与微处理器模块连接。

本发明提供的一种所述河流流量监测装置的河流流量计算方法，包括以下步骤：

步骤(1)：由流速测量模块通过超声波速度差法测量获得河流流速；

步骤(2)：由水位测量模块测量河流水位，分为规则河道形状测量方法和不规则河道形状测量方法；

所述规则河道形状测量方法如下：

超声波换能器发出一束脉冲至返回时间为T，计算出超声波换能器距离被测水面的距离因此，河流水位H＝H₀-H₁，其中，H₀为超声波换能器距离河道底部最低位置的距离，V为声波传播速度；

所述不规则河道形状测量方法如下：

超声波换能器发出一束脉冲至返回时间为T，计算出超声波换能器距离被测水面的距离沿河道截面的底部划分出若干个均匀分布的测量点，将河道截面分为n段，分别测量超声波换能器与这些测量点之间的垂直距离A_i，因此，各测量点处的河流水位为a_i＝A_i-H₁，其中，V为声波传播速度，i为不大于n-1的正整数；

步骤(3)：根据步骤(2)测量得到的水位数据计算河道横截面积S；

步骤(4)，测量河水流量：Q＝S×V。

所述步骤(3)中，河道横截面为抛物形时，河道横截面积S为：其中，ε为最小可积分常数；

河道横截面为梯形时，河道横截面积S为：其中，L为河底宽度，α为河底与河堤夹角；

河道横截面为不规则形时，河道横截面积S为：其中，l为河道截面的底部相邻两个测量点的间距，n为大于1的正整数。

还包括将测量得到的数据存储到存储模块，并且将测量得到的河流流速、河流水位、河流流量数据通过GPRS模块传送到远程无线终端设备的步骤。

本发明的有益效果是：

流速测量模块采用了超声波换能器，采用超声波速度差法计算河流流速；水位测量模块采用了超声波水位传感器测量水位。流量测量模块和水位测量模块采用超声波换能器，提高了数据测量精度以及设备使用寿命；GPRS模块可以将测量获得的河流流速、河流水位、河流流量信息实时的传输到远程无线终端设备。所述河流流量监测装置在实际中便于布设，支持小水电河流流量监测，并且可以将河流流速、河流水位、河流流量数据远程传送到无线终端设备，具有采用无接触式测量安装简单、对设备影响小，准确度高、可远程传输的优点，非常适合我国山区小水电河流流量的监测。

附图说明

图1为本发明实施例中河流流量监测装置结构示意图；

图2抛物形河道形状示意图；

图3为梯形河道形状示意图；

图4为不规则形河道形状示意图；

图5为河流流量计算流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种河流流量监测装置及河流流量计算方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

河流流量监测装置如图1所示。该河流流量监测装置包括流速测量模块、水位测量模块、微处理器模块、存储模块、键盘显示模块、GPRS模块和电源模块，其特征在于：所述流速测量模块、水位测量模块、存储模块、键盘显示模块、GPRS模块和电源模块分别与微处理器模块连接。GPRS模块实现数据的远程传输。

所述流速测量模块包括时间测量电路、第一CPLD芯片、第一超声换能驱动电路、第一换能器、第二换能器、第一收发时序控制电路以及第一信号处理电路；第一CPLD芯片分别与第一超声换能驱动电路、时间测量电路、第一收发时序控制电路连接，第一超声换能驱动电路分别与第一换能器、第二换能器连接，第一换能器、第二换能器均与第一收发时序控制电路连接，第一收发时序控制电路与第一信号处理电路连接，第一信号处理电路与第一CPLD芯片连接；时间测量电路和第一CPLD芯片分别与微处理器模块连接。流速测量模块采用超声波速度差法测量河流流速。

采用上述河流流量监测装置的河流流量计算方法，其步骤如下：

所述规则河道形状测量方法如下：

高度固定的超声波换能器发出一束脉冲至返回时间为T，计算出超声波换能器距离被测水面的距离因此，河流水位H＝H₀-H₁，其中，H₀为超声波换能器距离河道底部最低位置的距离，V为声波传播速度，为344m/s；

所述不规则河道形状测量方法如下：

高度固定的超声波换能器发出一束脉冲至返回时间为T，计算出超声波换能器距离被测水面的距离沿河道截面的底部划分出若干个均匀分布的测量点，将河道截面分为n段，分别测量超声波换能器与这些测量点之间的垂直距离A_i，因此，各测量点处的河流水位为a_i＝A_i-H₁，其中，V为声波传播速度，i为不大于n-1的正整数；

河道截面通常分为规则形状(如抛物形和梯形)和不规则形状，以下以这三种情况为例，分别给出河道横截面积S的计算方法：

如图2所示，河道横截面为抛物形时，河道横截面积S为：其中，ε为最小可积分常数；

如图3所示，河道横截面为梯形时，河道横截面积S为：

其中，L为河底宽度，α为河底与河堤夹角；

如图4所示，河道横截面为不规则形时，河道横截面积S为：其中，l为河道截面的底部相邻两个测量点的间距，n为大于1的正整数。

仍以图4为例，设置11个测量点，将河道横截面等分为12份，其中，最中间的测量点的水位记为a₁，自最中间测量点向左的测量点水位依次记为a₂、a₃、a₄、a₅、a₆，自最中间测量点向右的测量点水位依次记为a₇、a₈、a₉、a₁₀、a₁₁，其则河道各段的横截面积记为S_j，1≤j≤12，得到：

S_{1} = \frac{a_{1} + a_{2}}{2} \times l; S_{2} = \frac{a_{2} + a_{3}}{2} \times l; S_{3} = \frac{a_{3} + a_{4}}{2} \times l; S_{4} = \frac{a_{4} + a_{5}}{2} \times l; S_{5} = \frac{a_{5} + a_{6}}{2} \times l;

S_{6} = \frac{a_{6} \times l}{2}; S_{7} = \frac{a_{7} + a_{1}}{2} \times l; S_{8} = \frac{a_{8} + a_{7}}{2} \times l; S_{9} = \frac{a_{9} + a_{8}}{2} \times l; S_{10} = \frac{a_{10} + a_{9}}{2} \times l;

S_{11} = \frac{a_{11} + a_{10}}{2} \times l; S_{12} = \frac{a_{11} \times l}{2};

则可得到：

S = Σ_{1}^{12} S_{i} = Σ_{1}^{12} a_{i} \times l .

步骤(4)，计算河水流量：Q＝S×V。

本实施例中可以将已知的河道参数通过键盘输入微处理器模块，从而判断河道形状，选择合适的计算公式计算横截面积，同时和采用超声波传播速度差法测量获得的河流流速乘积计算河流流量，计算流程如图5所示。

进一步，将用所述计算方法得到的河流流速、河流水位、河流流量存储到存储模块，并且通过LCD显示河流流量；同时将用所述计算方法得到的河流流速、河流水位、河流流量数据通过GPRS模块传送到远程无线终端设备。

以上所述实施方式仅用于说明发明专利，而非对本发明专利的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种河流流量监测装置，包括流速测量模块、水位测量模块、微处理器模块、存储模块、键盘显示模块、GPRS模块和电源模块，其特征在于：所述流速测量模块、水位测量模块、存储模块、键盘显示模块、GPRS模块和电源模块分别与微处理器模块连接；

所述水位测量模块采用一个超声波换能器测量水位；

所述GPRS模块实现数据的远程传输。

2.根据权利要求1所述的一种河流流量监测装置，其特征在于，所述流速测量模块包括时间测量电路、第一CPLD芯片、第一超声换能驱动电路、第一换能器、第二换能器、第一收发时序控制电路以及第一信号处理电路；第一CPLD芯片分别与第一超声换能驱动电路、时间测量电路、第一收发时序控制电路连接，第一超声换能驱动电路分别与第一换能器、第二换能器连接，第一换能器、第二换能器均与第一收发时序控制电路连接，第一收发时序控制电路与第一信号处理电路连接，第一信号处理电路与第一CPLD芯片连接；时间测量电路和第一CPLD芯片分别与微处理器模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种河流流量监测装置，其特征在于，所述水位测量模块包括第二CPLD芯片、第二超声换能驱动电路、第三换能器、第二收发时序控制电路以及第二信号处理电路；第二CPLD芯片与第二超声换能驱动电路、第二收发时序控制电路连接，第二超声换能驱动电路与第三换能器连接，第三换能器与第二收发时序控制电路连接，第二收发时序控制电路与第二信号处理电路连接，第二信号处理电路与第二CPLD芯片连接；第二CPLD芯片与微处理器模块连接。

4.一种基于权利要求1所述河流流量监测装置的河流流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述规则河道形状测量方法如下：

所述不规则河道形状测量方法如下：

步骤(4)，测量河水流量：Q＝S×V。

5.根据权利要求4所述的河流流量计算方法，其特征在于，所述步骤(3)中，河道横截面为抛物形时，河道横截面积S为：其中，ε为最小可积分常数；

6.根据权利要求4所述的河流流量计算方法，其特征在于，还包括将测量得到的数据存储到存储模块，并且将测量得到的河流流速、河流水位、河流流量数据通过GPRS模块传送到远程无线终端设备的步骤。