明渠流量监测系统方案设计

明渠流量监测系统方案设计
北京金水中科科技
2020年10月10日
目录
一、系统网络结构及组成
二、明渠流量计的种类及选型（测流方式及选择）
(一)、明渠流量计的种类（明渠测流方式）
一、水位法
二、流速面积法
3、两种方式的比较
(二)、明渠流量计的选型（测流方式选择）
一、宽度20米以上的宽浅渠道的测流方式选择
二、宽度20米之内的窄渠道的测流方式选择
三、数据传输方案
四、电源系统
五、监控治理软件
六、设备典型配置及预算
附件:相关设备性能及技术指标
一、系统网络结构及组成
系统网络结构图：
其中：①流量计由水位流速传感器与终端机（二次仪表）组成；
②监控治理软件安装于效劳器上。

③通信仪器可选无线通信设备或有线网络通信设备。

④电源系统可采纳民用供电系统或太阳能供电系统，也可利用电池供电。

系统组成：
①明渠流量计
②通信仪器
③监控软件及效劳器
④电源系统
二、明渠流量计的种类及选型（测流方式及选择）
（一）明渠流量计的种类（明渠测流方式）
明渠测流方式从原理上可分为两大类：水位法与流速面积法。

水位法是通过测量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并经体会公式或实验曲线换算成流量来实现计量的。

流速面积法不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（事实上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速来求得流量。

一、水位法
水位法流量计事实上是水位计加辅助的工程建筑物的总称。

·辅助的工程建筑物要紧有：
量水槽（巴希尔槽、无喉道量水槽等）
量水堰（薄壁堰、三角堰、宽顶堰等）
标准断面（指顺直的规那么断面）
闸孔涵洞
·水位计要紧有：
超声波水位计（接触式式）
超声波水位计（非接触式式）
浮子式水位计
压力式水位计
雷达水位计
磁伸缩水位计
水尺（人工读数）
一样讲若是是自由出流，用一个上游水位就可通过公式换算或查曲线求得流量，若是是淹没出流，那么需要上下游两个水位。

在精度方面，由高向低排列如下：
类型精度
自由出流薄壁堰2%
自由出流宽顶堰3%
自由出流巴希尔槽3%
自由出流无喉道量水槽3%-5%
自由出流闸孔5%
自由出流标准断面10-20%
淹没出流薄壁堰20%
淹没出流宽顶堰25%
淹没出流巴希尔槽25%
淹没出流无喉道量水槽25%
淹没出流闸孔20-30%
淹没出流标准断面30%
（上述精度是渠道小于5米且流态较稳时的理论精度，渠道越宽精度越低）
二、流速面积法
流速面积法流量计要紧通过测流速及水位来计算求得流量，要紧有：
①超声波时差法
测量线流速，分单声道法与多声道法。

②超声波多普勒法
测量局部面流速，分为ADCP法（适合宽渠道，有固定
与走航式两种。

）与一般多普勒法（适合宽20米内渠道）。

③流速仪法
测量点流速，人工手动测量。

④非接触面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪）
按渠道宽窄具体利用以下方式：
·窄渠道（一样宽度在20米以下）：
一般多普勒法（纵向发射）精度2%
时差法流量计精度2%
流速仪法（一样是手动测量，比较靠得住，现场率定用。

）
非接触面流速仪
·宽渠道：
固定ADCP法（横向发射）
多普勒走航式明渠流量计
时差法明渠流量计
流速仪法（一样是手动测量，比较靠得住，现场率定用。

）
非接触面流速仪
3、两种方式比较
水位法是通过测量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并经体会公式或实验曲线换算成流量来实现计量的。

因此水位法流量计需要修建量水建筑物，且精度不高，当渠道沿程水头差较小时，量水建筑物会产生水头损失而阻碍渠道过水；另一方面当量水建筑物下游周围建有闸门等挡水建筑物时会在量水建筑物处形成淹没出流，现在测量精度会大幅下降。

水位法一样应用于宽度比较小或流量比较小的渠道，渠道宽度超过1米时，量水建筑物造价会增加很多，而现在不做量水建筑物直接用渠道的水位流量体会关系曲线测流时精度会很低。

流速面积法那么不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（事实上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速来求得流量，而且精度高，且不受下游顶托水的阻碍。

流速面积法流量计要紧有超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计。

由于超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计过去要紧以国外产品为主，国内几乎没有同类产品，因此造价很高，一样在要紧干渠及重要支渠上安装此类产品，斗口很难普及，一样均以水位法流量计（水位计+量水建筑物）作为斗口计量的要紧设备。

由北京金水中科科技开发生产的HOH-L-01型多普勒超声波明渠流量计，在技术性能与国外同类产品一样的情形下，极具价钱优势，专门是当渠道宽度较大时，其价钱低于水位计与量水建
筑物的造价之和，因此明渠流量计可首选HOH-L-01型多普勒超
声波明渠流量计。

（二）明渠流量计的选型（测流方式选择）
一、宽度20米以上的宽浅渠道的测流方式选择
渠道宽度在20米以上时，水位法误差会专门大，因此只能采纳流速面积法测流。

可选用的流速面积法目前要紧有以下四种方式：
①固定ADCP法（横向发射）
②多普勒走航式明渠流量计
③时差法明渠流量计
④流速仪（一样是手动测量，比较靠得住，现场率定用。

）
⑤非接触面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪）
其中②、④需要人工辅助测量，不能在线自动监测；①、③为目前要紧采纳的在线监测方式，⑤即可人工测也可在线自动监测。

时差法明渠流量计适用于清水，水中汽泡与杂质不宜过量，有单声道与多声道之分，安装于渠道的两岸，安装精度要求高，保护费用也高，目前利用比较少。

固定ADCP法（横向发射）原理为多普勒法，适用于污水及有汽泡或杂质的清水，有单探头与多探头之分，安装于渠道单侧，安装保护相对简单，目前被普遍利用。

二、宽度20米之内的窄渠道的测流方式选择
若是水位法能知足测流要求，那么尽可能用水位法，缘故要紧有：
①平安性好：其野外防盗防破坏及防淤积性能均优于流速面积法。

②靠得住性好：不受水中悬浮物干扰，不易受环境阻碍。

③安装保护简单：不需停水安装与检修。

流速面积法的选型：
流速仪一样用于人工手动校核率定测量，不用于自动监测，ADCP 一样用于宽渠道的测量，且价钱很高。

一样中小渠道流速面积法的选择要
紧三种类型：
①超声波时差法流量计（分单声道法与多声道法）
如：RISONIC2000（瑞士）
②超声波多普勒法流量计
如：HOH-L-O1（北京金水中科）
③非接触面流速仪（雷达流速仪、超声流速仪）
1）．超声波时差法流量计（分单声道法与多声道法）
实物安装图如以下图：
安装示用意如下：
测流原理如以下图：
断面的平均流速等于=(V1*A1+V2*A2+…Vi*Ai+…+Vn*An)/A Vi :第i个流速探头测量的平均线流速
Ai :第i个分割面积
2）．超声波多普勒流量计
实物安装图如以下图:
安装示用意如以下图:
测流原理如以下图:
断面的平均流速=实际测速范围内的杂质最可能率流速
3）．非接触面流速仪法（雷达流速仪、超声流速仪）
前两种经常使用方式彼此比较如下：
测速原理均是测出标准断面上的部份流速来换算为整体断面的平均流速，那个地址只比较两种测量方式的精度：
①超声波时差法（多声道法）
②超声波多普勒法
从理论上讲，两种方式测得的各自测流范围的流速精度应该都是很高的，都在1%之内，关键是换算为断面整体平均流速时其计算模型会产生误差，因此这两种方式的实际断面流量测量精度主若是换算模型及公式的精度及校准精度。

从上述测量原理图中能够看出，超声波时差法（多声道法）的实际测量范围是线，超声波多普勒法的实际测量范围为面，比较如以下图：
超声波时差法（多声道法）与超声波多普勒法的测量精度及优缺点进行比较。

水质要求安装
维护
价格可靠性
测量精度
宽浅渠
道（渠
宽〉5倍
水深）
中等渠道
（5倍水
深》渠宽》
水深）
窄渠道
（渠宽〈水
深）
超声波时差法（多声道法）清水，
水中漂
浮物要
少
难高中高高一般
超声波多普勒法浑水，
水中需
有杂质
或气泡
易中中一般高很高
较，当水位波动较大时，前者精度较高，当流态左右岸不均匀时，后者较高。

）如何提高测量精度
以上两种测流方式在实际应用中其实际测量精度与理论精度（即仪器出厂标定精度）确信会有必然的差距，这主若是由于安装位置、安装精度、数据处置方式、校准方式等产生的，因此提高测量精度要紧从这几点入手：
（1）调整安装位置
尽可能选择具有标准断面的顺直渠道，知足前10后5的要求（既仪器上游顺直段有10倍渠宽，下游顺直段有5倍
渠宽）。

若是不知足那个要求，水的流态可不能超级平稳，会
产生测量结果偏大或偏小的情形，这时就需要进行修正，一
样是乘以一个修正系数（该系数是通过现场率定产生的）或
调整安装位置。

（2）提高安装精度
要紧为流速探头的安装角度、位置等是不是准确，若是安装角度发生误差，那么结果会有一个固定的误差系数，这时
为提高测量精度那么需要调整安装角度或乘以一个修正系
数。

（3）数据处置方式
主若是指在实际测量进程中现场会有各类干扰（如正在测量时有鱼在流速探头周围游过），使个别数据不准或完全失
真，若是测量的时刻距离较大，那么这些失真数据会对测量
结果产生较大阻碍，因此需要增加测量时刻距离密度或对失
真数据进行删除或滑腻处置。

（4）校准方式
校准时必然要保证在一段时刻内测量断面处的过流量维持恒定，不然在涨水或落水的进程中一样的水位会对应不同的流量，造成校准系数结果偏大（落水）或偏小（涨水）；另一个要注意的是要选择一个或几个适合的水位周围进行校准，不能选择极端水位；当实际断面过流量的准确值无法取得时，可通过对称法或反向法安装仪器来抵消系统误差。

三、数据传输方案
通信方案有四种大类可选：
a.有线方式:电缆、光缆
b.无线超短波电台:230M
c.无线宽带通信:CANPY
d.公网通信：GPRS、GSM
考虑造价及保护费用，一样首选公网通信。

四、电源系统
当监测现场有民用电时，可作为首选利用，可充电蓄电池作为备份。

由于测流现场多为野外，一样无民用电可用或接电费用太高，因此供电大体采纳太阳能电源或蓄电池方式。

考虑蓄电池需一个月保护一次，野外测点多而分散，保护工作量专门大，目前多数采纳太阳能供电系统；在采纳太阳能电源方式时，由于野外没有建筑物可用，要紧考虑防盗需求，需要在测点旁竖立电杆以便架设太阳能板及其他现场设备。

另当监测传输设备均为微功耗时，可采纳一次性锂电池，可持续工作一年以上。

五、监控治理软件
监控治理软件一样为网络版，安装于治理站专用效劳器上，并将依照《国家防汛指挥系统工程实时水雨情库表结构》制订的相关标准水情实时数据库，同时提供基于WEB方式的阅读、查询及统计等功能。

一样具有以下大体功能：
a.数据搜集功能：
自动接收现场设备搜集的实时数据，并存储于相应的数据库表中；人工方式导入人工上报的现场数据；实时招测现场数据。

b. 查询统计分析及报表功能
①以报表形式显示各用水户的用水流量及积存用水量、
②各用水户用水量的对照分析统计
③各用水户的水费统计分析
④和相关的统计分析报表等
c.用水户治理:
系统可自动增加及修改用水户及相关测点内容；
人工输入用水户及测点等实体的相关属性数据。

d.权限治理:
系统对不同用户可设置不同的利用权限
六、设备典型配置及预算
一个流速面积法流量测点（太阳能供电）的标准设备配置方案如下表：
一个水位法流量测点（太阳能供电）的标准设备配置方案如下表：
附件：相关设备性能及技术指标
一、HOH-L-01多普勒超声波明渠流量计
仪器结构图：
各部件名称如下：
1探头 2上位机（终端机） 3通信电缆 4转接线其中探头安装于渠道底部，上位机置于操纵箱与通信设备相连，现场安装图如下：
技术指标：
·流速：
·量程： 20mm/s到10000mm/s。

·准确度：测量流速的±1%。

·分辨率：1mm/s。

·温度：
·量程： 0℃到60℃。

·分辨率：℃。

·水位：
·量程： 0到10m。

·分辨率：1 mm。

·准确度：测量水位的±%。

·流量：
·准确度：测量流量的±2%。

·电源：
12V DC 或220VAC。

·接口：
标准RS23二、RS485。

·通信协议：
Modbus。

·数据贮存容量：
每10分钟搜集一条记录，能够存储超过6个月的数据，而且这些数据即便在掉电的情
形下，也能够长期不丢失。

·运行温度：
0℃到60℃水温。

·外壳材料：
pc塑料。

·尺寸：
（250×105×35）mm（探头）。

（230×180×65）mm（终端机）。

10m（通信电缆标准长度，可加长到100 m）。

二、HOH-S-YD微功耗水位式流量计
应用范围：具有量水槽或量水堰的渠道的流量测量。

功能特点：
◆微功耗设计，自带蓄电池在野外可持续工作7200h。

◆内置无线传输模块，可实现流量数据的自动无线传输。

◆安装简单，运行稳固靠得住，保护方便。

◆防潮防盗性好，可安置于水位井中或地埋。

技术指标：
水位传感器：
精度 % ，量程3m，输出4-20mA。

上位机（数据搜集器）：
标准MODBUS-RTU协议、PSBUS协议，存储半年数据，输出
RS485/RS232。

流量精度：
1%～15%（与量水槽、堰的型式及其施工精度有关，其中薄
壁堰精度最高。

）。