CN105628117A - 一种雷达渠道流量测量***及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雷达渠道流量测量***及测量方法，该测量***包括有PLC控制器、流速检测器、水位检测器、输入单元、显示单元和电源；其中流速检测器是雷达传感器，水位检测器是超声波传感器，输入渠道参数后，利用雷达传感器和超声波传感器对渠道表面水流流速和水位进行一次以上检测，然后计算出渠道断面面积和平均流速，最后计算出渠道流量。这样，即可自动完成渠道流量测量，测量操作简单、轻松、方便，测量精确度高，而且结构简单，体积小巧，便于携带，生产加工容易、环境适应能力较强，成本低，有利于推广应用，解决了现有传统量水设施不规范、量水误差大和不能携带等技术问题。

Description

一种雷达渠道流量测量***及测量方法

技术领域

本发明属于渠道流量测量技术领域，特别涉及一种雷达渠道流量测量***及测量方法。

背景技术

目前，市场上的渠道流量测量的方法包括水工建筑物量水，特设量水设备量水等，大部分都需要安装到渠道上，或者投入水中。最常见的是量水堰槽法，大多数是现场浇注，由于施工队伍的技术水平和野外条件的限制，加之量水设施形体较为复杂，造成现场浇注时难以保证尺寸规范和施工精度，缺乏标准化设计和制造,造成较大量水误差，如果灌溉水质情况差，容易造成量水堰槽的底壁淤积，而且安装之后无法拆卸，无法进行校准。澳大利亚RUBICON公司研发生产的渠道测流槽闸，测量精度高、技术可靠，但其造价高，对大多数灌区应用此产品就有一定的难度,而且安装之后无法拆卸，无法进行校准。流速仪量水，即以流速面积法为主，需要人工操作，尽管测量精度高，但设备费用高，而且达不到自动化的要求。总之，特设量水设备量水，虽然精度较高，但不易看管，易丢失，而且部分测量设备价格高昂，非灌区所能承受。

总体来看，我国灌区量水缺乏相应的测量技术和设备，为加强末级渠系量水水平，规范灌溉用水管理，迫切需要研制开发经济实用、自动化程度高、快速、准确且便携性好的量水设备。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可自动完成渠道流量测量，测量操作简单、轻松、方便，测量精确度高，且结构简单，体积小巧，便于携带，生产加工容易、环境适应能力较强，成本低的雷达渠道流量测量***及测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：

一种雷达渠道流量测量***，包括有：

PLC控制器，用于对流速检测器和水位检测器传送过来的水流速度数据和水位数据、以及输入的测量参数进行处理，计算出渠道流量；

流速检测器，用于采集当前渠道内的水流速度数据、并传送给PLC控制器；

水位检测器，用于采集当前渠道内的水位数据、并传送给PLC控制器；

输入单元，用于向PLC控制器输入控制指令和测量参数；

显示单元，用于显示渠道流量的测量结果；

以及电源，向各组成部件供给工作电能；

而且，所述流速检测器、水位检测器、输入单元和显示单元均与PLC控制器导通连接，所述电源与各组成部件电连接。

进一步地，所述流速检测器是雷达传感器，所述水位检测器是超声波传感器。

进一步地，所述流速检测器是发射与接收频率为24GHz的雷达传感器，该传感器的测流速范围为0.15～15m/s，有效距离为0.5～30m；所述水位检测器是测量距离为150mm～1000mm的超声波传感器。

进一步地，所述雷达传感器的探头平面与水平面之间的夹角α范围为30°～60°。

进一步地，所述雷达渠道流量测量***包括有触摸屏，所述输入单元和显示单元分别为触摸屏的触控模组和显示屏幕。

进一步地，所述雷达渠道流量测量***包括有外壳和伸缩支架，所述PLC控制器、流速检测器、水位检测器和电源均设于外壳内，所述触摸屏嵌设在外壳的正面，所述伸缩支架设于外壳的上下两端。

进一步地，所述电源是蓄电池。

一种基于上述雷达渠道流量测量***的测量方法，包括：首先输入渠道参数，利用雷达传感器和超声波传感器对渠道表面水流流速和水位进行一次以上检测，然后计算出渠道断面面积和平均流速，最后计算出渠道流量。

进一步地，所述“利用雷达传感器对渠道表面水流流速检测”具体为：

首先，雷达传感器的振荡器振荡发出一个频率为ftra的发射信号，其中一路经发射天线发射出去，一路又分流成两路分别进入I、Q所在的通道的混频器中，而且Q通道的信号在混频之前进行90°的移相；然后，接收天线接收到回波信号，并对该回波信号进行低噪声放大处理后，再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频；最后，混频后的信号经中频滤波放大处理得到I、Q两路中频差频信号，该I、Q两路中频输出信号中即携带有探测目标的速度和方向信息；最后根据I和Q信号、并根据以下公式计算出的前水流流速，

$f_D=2f_0\·\frac{v}{c_0}\·\cos \mathrm{\α};$

其中，f_D为多普勒频率或差频，f₀为雷达的发射频率，v为运动物体的速度范围，c₀为光速，α为运动的实际方向与传感器目标连线之间的角度。

本发明的有益效果是：

本发明通过上述技术方案，即可自动完成渠道流量测量，测量操作简单、轻松、方便，测量精确度高，而且结构简单，体积小巧，便于携带，生产加工容易、成本低，设备采用非接触式测量方式，测量过程不需要投入水中，只需放置到渠道上方即可测量，不会破坏被测渠道的水流，不影响原水流分布，环境适应能力较强，有利于推广应用，解决了现有传统量水设施不规范、量水误差大和不能携带等技术问题。

附图说明

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明所述一种雷达渠道流量测量***实施例的结构原理示意框图；

图2是本发明所述一种雷达渠道流量测量***实施例的结构示意图；

图3是本发明所述一种雷达渠道流量测量***实施例的内部接线图；

图4是本发明所述一种雷达渠道流量测量***的测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图3中所示，本发明实施例提供了一种雷达渠道流量测量***，包括有PLC控制器1、流速检测器2、水位检测器3、输入单元4、显示单元5和电源6。其中，所述PLC控制器1可以是外加有模拟量I/O扩展单元的控制器(如松下公司的FPΣ控制模块外加FP0-A21模拟量I/O扩展单元)，主要用于对流速检测器2和水位检测器3传送过来的水流速度数据和水位数据、以及输入的测量参数进行处理，计算出渠道流量；所述流速检测器2可以是发射与接收频率为24GHz的雷达传感器，该传感器的测流速范围为0.15～15m/s，有效距离为0.5～30m(如德国InnoSenT公司生产的24GHz微波雷达传感器)，主要用于采集当前渠道内的水流速度数据、并传送给PLC控制器1，检测时雷达传感器的探头平面与水平面之间的夹角α为30°～60°(优选45°)；所述水位检测器3可以是超声波传感器(如美国Banner公司的U-GAGET30UINA超声波传感器)，其测量距离为150mm～1000mm，且每个传感器均有一个模拟量和一个开关量输出端，主要用于采集当前渠道内的水位数据、并传送给PLC控制器1；所述输入单元4主要用于向PLC控制器1输入控制指令和测量参数；所述显示单元5主要用于显示渠道流量的测量结果；而且，所述流速检测器2、水位检测器3、输入单元4和显示单元5均与PLC控制器1导通连接，所述电源6可以是可充电的24V蓄电池，其与各组成部件电连接、供给工作电能。

另外，所述雷达渠道流量测量***包括有外壳8和伸缩支架9，所述PLC控制器1、流速检测器2、水位检测器3和电源6均设于外壳8内，所述触摸屏嵌设在外壳8的正面，所述伸缩支架9设于外壳8的上下两端；所述雷达渠道流量测量***包括有触摸屏7，所述输入单元4和显示单元5分别为触摸屏7的触控模组和显示屏幕，其设有一个用作RS485和RS232通讯的COM接口。

如图4所示，本发明所述雷达渠道流量测量***的测试方法，包括：首先输入渠道参数，利用雷达传感器和超声波传感器对渠道表面水流流速和水位进行一次以上检测，然后计算出渠道断面面积和平均流速，最后计算出渠道流量。其中，所述“利用雷达传感器对渠道表面水流流速检测”具体为：首先，雷达传感器的振荡器振荡发出一个频率为ftra的发射信号，其中一路经发射天线发射出去，一路又分流成两路分别进入I、Q所在的通道的混频器中，而且Q通道的信号在混频之前进行90°的移相；然后，接收天线接收到回波信号，并对该回波信号进行低噪声放大处理后，再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频；最后，混频后的信号经中频滤波放大处理得到I、Q两路中频差频信号，该I、Q两路中频输出信号中即携带有探测目标的速度和方向信息；最后根据I和Q信号、并根据以下公式计算出的前水流流速，

$f_D=2f_0\·\frac{v}{c_o}\·\cos \mathrm{\α};$

公式中f_D为多普勒频率或差频，f₀为雷达的发射频率，v为运动物体的速度范围，c₀为光速，α为运动的实际方向与传感器目标连线之间的角度。

本发明所述雷达渠道流量测量***通过综合应用雷达技术、超声波技术、传感技术、自动控制技术和计算机技术等技术即可自动完成渠道流量测量，测量操作简单、轻松、方便，测量精确度高，而且结构简单，体积小巧，便于携带，生产加工容易、环境适应能力较强，成本低，有利于推广应用，解决了现有传统量水设施不规范、量水误差大和不能携带等技术问题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种雷达渠道流量测量***，其特征在于，包括有：

PLC控制器(1)，用于对流速检测器(2)和水位检测器(3)传送过来的水流速度数据和水位数据、以及输入的测量参数进行处理，计算出渠道流量；

流速检测器(2)，用于采集当前渠道内的水流速度数据、并传送给PLC控制器(1)；

水位检测器(3)，用于采集当前渠道内的水位数据、并传送给PLC控制器(1)；

输入单元(4)，用于向PLC控制器(1)输入控制指令和测量参数；

显示单元(5)，用于显示渠道流量的测量结果；

以及电源(6)，向各组成部件供给工作电能；

而且，所述流速检测器(2)、水位检测器(3)、输入单元(4)和显示单元(5)均与PLC控制器(1)导通连接，所述电源(6)与各组成部件电连接。

2.根据权利要求1所述的雷达渠道流量测量***，其特征在于，所述流速检测器(2)是雷达传感器，所述水位检测器(3)是超声波传感器。

3.根据权利要求2所述的雷达渠道流量测量***，其特征在于，所述流速检测器(2)是发射与接收频率为24GHz的雷达传感器，该传感器的测流速范围为0.15～15m/s，有效距离为0.5～30m；所述水位检测器(3)是测量距离为150mm～1000mm的超声波传感器。

4.根据权利要求2所述的雷达渠道流量测量***，其特征在于，所述雷达传感器的探头平面与水平面之间的夹角α范围为30°～60°。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的雷达渠道流量测量***，其特征在于，所述雷达渠道流量测量***包括有触摸屏，所述输入单元(4)和显示单元(5)分别为触摸屏的触控模组和显示屏幕。

6.根据权利要求5所述的雷达渠道流量测量***，其特征在于，所述雷达渠道流量测量***包括有外壳(8)和伸缩支架(9)，所述PLC控制器(1)、流速检测器(2)、水位检测器(3)和电源(6)均设于外壳(8)内，所述触摸屏嵌设在外壳(8)的正面，所述伸缩支架(9)设于外壳(8)的上下两端。

7.根据权利要求6所述的雷达渠道流量测量***，其特征在于，所述电源(6)是蓄电池。

8.一种基于上述权利要求2或3或5或6所述雷达渠道流量测量***的测量方法，其特征在于，包括：首先输入渠道参数，利用雷达传感器和超声波传感器对渠道表面水流流速和水位进行一次以上检测，然后计算出渠道断面面积和平均流速，最后计算出渠道流量。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述“利用雷达传感器对渠道表面水流流速检测”具体为：

首先，雷达传感器的振荡器振荡发出一个频率为ftra的发射信号，其中一路经发射天线发射出去，一路又分流成两路分别进入I、Q所在的通道的混频器中，而且Q通道的信号在混频之前进行90°的移相；然后，接收天线接收到回波信号，并对该回波信号进行低噪声放大处理后，再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频；最后，混频后的信号经中频滤波放大处理得到I、Q两路中频差频信号，该I、Q两路中频输出信号中即携带有探测目标的速度和方向信息；最后根据I和Q信号、并根据以下公式计算出的前水流流速，

$f_D=2f_0\·\frac{v}{c_0}\·\cos \mathrm{\α};$

其中，f_D为多普勒频率或差频，f₀为雷达的发射频率，v为运动物体的速度范围，c₀为光速，α为运动的实际方向与传感器目标连线之间的角度。