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知识点二：渠道量水技术与设施

一、渠道量水技术与设施

渠道量水按照量取的数据可分为水位量测和流量量测两大类，其中水位量测最为普遍。与堰和闸等相结合，还可以通过水位来计算流量。水位或流量的量测需要通过相应的传感器完成，传感器和仪表是远端装置（RTU）的重要组成部分。这些仪表将测量的数据数字化并传输到中心计算机或中心控制设备上。

（一）传感器和测量仪表

传感器和仪表系统一般包括以下部分:机械部分、机电信号转换(模拟信号或数字信号)、A-D转换、信号调节设备等。信号转换可以一步完成，也可以分步完成。例如，数字式轴角编码器可以将循环的机械运动直接转换成数字信号，也可以首先将机械信号转换成模拟信号，再通过A-D转换器转换成数字信号，经过标定和补偿，这些数字信号就转换为控制系统的实际数据，如闸门开度、流量、绝对水位或相对水位等。信号的标定和补偿可以由测量仪表系统完成，也可以由RTU运算器或控制器完成，还可以由中心控制器完成。将数字信号进行转换、标定和补偿，并以工程单位显示渠道系统的有关参数，比较直观，便于调度人员理解和对渠道灌溉系统进行控制。

各种各样的传感器都可用于灌溉渠道自动控制系统中。实际中应根据传感器的适用性、精度、费用以及是否易于维护等情况来确定，常用的传感器有以下几种:

1．电位计电位计已经在渠道灌溉自动化中得到了普遍应用。电位计有多种，适用于闸门启闭机、水位量测设备以及其他一些可以用轴的转动表示的应用场合。

多数情况下，电位计用作分压器，分压器的输出作为模数转换器的输入，为RTU提供数字化信息。该数字信息经标定和补偿，可转换成以工程单位表示的量。

电位计也可以用作线性设备，并在平板闸门系统中得到了应用。像旋转电位计一样，线性电位计将线性位移直接转换成模拟电压。

2．数字轴角编码器数字轴角编码器可以代替电位计用于旋转编码。这种编码器既适宜于作为绝对编码器，也适宜于作为增量编码器。

数字轴角绝对编码器是一种旋转设备，它把输入数据直接数字化。绝对编码器使用带有滑动触点或发光二极管和光电接收元件的编码转盘，来提供编码位置。有关数据可以通过电缆并行传输，或转换为串行数据后通

过线对传输。采用绝对编码器时，在掉电的情况下不会漏失计数。常用的数字轴角编码器的规格为1～64圈，整体精度可达1/65536。位置可以用高达16个二进制字节来表达，它既可以是一个串联串，也可以是16个并联晶体管逻辑兼容信号。使用绝对编码器时存在的问题是费用较高和不易维修和维护。在气候条件变化较大和电源波动较大的情况下，可靠性有时也是需要考虑的问题。

增量编码器给出输出量的步长和方向，也可以单独输出增量或减量。增量编码器通过计算机保持累计位置。对于每个循环100个记数的编码器，增量编码器的精度在3mm以内。在停电情况下，编码器电源中断，其位置计数将会丢失。此时，必须重置编码器的位置，以保证与实际的测量值相符。因为位置重置必须由操作人员现场进行，因此在渠道自动控制系统中，为了避免这种情况，一般不使用增量编码器。

3．线性电压差变压器线性电压差变压器是模拟输出设备。变压器通过一个移动的磁芯来改变变压器绕组间的耦合，从而改变输出电压。通过一个电子元件，可以利用变压器的输出产生一个与线性位移或旋转角度成比例的线性输出量。这些设备的输出比电位计更加精确，但费用较高，结构复杂，因此在渠道系统中的应用受到了限制，而在电动阀开度测量方面应用较多。由于磁芯和变压器之间为精密公差，元件易被泥沙淤塞甚至损坏，因此，需要对其进行适当保护。闸阀控制器和平板闸门控制器采用线性电压差变压器时，可以获得较高的精度和较好的可靠性。

4．测斜仪测斜仪（角度变送器）产生一个与变送器的旋转角度相应的正弦或线性输出量。安装时只需将测斜仪安装在弧型闸门的启动臂上即可。正弦波输出量必须转换成线性函数，然后经过标定和补偿转换成闸门开度。测斜仪应该能够与基于计算机的设备相匹配。测斜仪的运行要求变送器旋转一个角度来生成输出量，而弧型闸门的启闭过程中，其启动臂成角度运行，因此非常适合测斜仪的安装和使用。溢流式拦水建筑物，如橡胶坝，也适合于测斜仪的安装和使用。测斜仪应安装在靠近闸门枢轴点的位置，以减小测斜仪锤摆或变送器内液体的运动速度。尽管测斜仪的安装较为容易，但由于其安装位置在远离闸门启闭建筑物的流动水面之上，因此维修较为困难。

5．压力变送器压力变送器正在渠道灌溉自动化系统中水位测量方面得到应用。当不需要现场图表记录时，压力变送器是较好的选择。压力变送器的适宜压力范围较广、信号输出和变送器类型较多。

许多变送器都可以安装在水下，因此非常适宜于渠道自动控制。变送器可以输出电压和电流。电流输出范围可以是0～1mA、0～5mA和4～20mA，这些范围的电流输出都可以很容易地输入到RTU。电压输出范围为0～10mV

直至0～10V。自动控制要求的电压输出较高，带有电流输出的变送器非常适宜于自动控制系统。这类压力变送器安装简单且具有高的抗噪声干扰能力。在信号线路较长(最长可达1.6km)和噪声较大的环境下，这些优点显得尤为重要。

（二）渠道水位的量测

传统的水位量测方法是在测验断面设立水尺，人工定时观测水位，这种测验方法不适应自动化迅速发展的需要，现在已经开发了大量的自动观测记录水位的设备，用以代替人工观测。

自动观测记录水位的设备有自记水位计、水位数据存储器等。自记水位计是至今最常用的水位观测仪器，它可以连续记录水位变化的完整过程，其类型很多，如按水位传感方式来划分，主要有浮子式、压力式和超声波式。此外，还有触针式、电容式、电阻式等，它们各自适用于不同的情况。

1．浮子式远传水位计浮子式自记水位计是最早发展起来的一种现在仍在世界各国得到广泛应用的水位观测仪器，它们的共同特点是用浮子感应水面升降变化而加以记录。它具有结构简单、精度高、性能稳定可靠、使用维修方便等优点，易于推广应用。能适应各种水位变动和时间比例的要求，做成各种自记周期（日、月、季以至半年）的水位记录设备，特别是可以利用适当的传感器将浮子感应的水位变化转换成电量，借以进行远传和遥测，从而实现在远离观测现场的地点随时了解江河、渠道、湖泊、水库等的水位变化，以满足用水管理、防汛、水库调度和水情预报等方面对实时水位信息的需要。另外，其记录方式也在原有画线记录的基础上发展为数字显示、数字打印或经编码后存储于磁带或固态存储器中等多种型式。主要缺点是必须建造静水测井，不仅需要土建方面的投入，还会给水位观测值带来测井滞后误差；一些测井的定期或经常性清淤也相当费工费时；在多沙河流及冲淤变化严重的测站，不宜甚至不能建造测井；结冰期无法进行观测。这些因素部分地限制了这类仪器的使用。

2．压力式水位计根据静水压强等于比重乘以水头的原理，通过检测水压力实现水位观测和自记的设备，统称为压力式水位计。在水的比重基本稳定的情况下，这种水位计可以获得相当精确的测量成果，且有不需要建造测井的突出优点。它主要适用于内陆河流，渠道、湖泊、水库的水位自记。主要有吹气引压式的压力水位计和压阻式传感器等类型。

以下是两种常见的压力式水位计:

（1）WQC-1型气泡水位计由美国Sutron公司和南京水利水文自动化研究所联合开发和生产的产品，它主要用于水文站水位观测点不易建井的地区，以及大坝测压管、河流的上下游水位，特别是河床斜坡较缓地段的水位观测。它具有安装、维护方便，操作、组网灵活，运行稳定、可靠