流速流量遙測方案

本方案適用與河道規(guī)則的明渠河道流速流量在線監(jiān)測。

系統(tǒng)分為現(xiàn)場監(jiān)測探頭安裝、現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送、中心控制室數(shù)據(jù)接收處理幾部分組成。

一、        監(jiān)測探頭

現(xiàn)場探頭安裝采用澳大利亞生產(chǎn)的Starflow多普勒流速流量儀作為監(jiān)測探頭。該測量儀由⑴流量儀和數(shù)據(jù)記錄器；⑵數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸線（連接流量計(jì)于計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)發(fā)射臺(tái)的信號(hào)線）；⑶工作電源（12v蓄電池或12v直流電源）；⑷配套的計(jì)算機(jī)采集、處理軟件和用戶指南等組成。具體詳見圖示（圖1）。

圖 1.1  多普勒流量測量裝置組成圖

                      圖  1.2  多普勒流量測量裝置組成圖

本儀器是一種普遍適用于小型河流、渠系、涵管的水量測量設(shè)備。適用斷面流速21mm/s～4500mm/s,斷面水深0～5.0m；適用工作溫度-17℃～60℃；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量100K；測量間隔（可編程）5s～1天；測量時(shí)間（可編程）7個(gè)半小時(shí)～5399天；數(shù)據(jù)傳輸途徑有線計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)取、無線發(fā)射—接收、手機(jī)短信發(fā)射接收等。

多普勒超聲波水量計(jì)的工作原理

Unidata多普勒超聲波水量計(jì)是通過測量流速值、水深值、溫度值，依據(jù)給定的斷面面積自動(dòng)計(jì)算出流量值，并在時(shí)間軸上進(jìn)行總流量的累計(jì)。

通過測量某一點(diǎn)的橫截面積和在此橫截面的平均流速來計(jì)算流量，并zui終計(jì)算累計(jì)用水量。

          W=Q·t

式中：W為用水量，Q為實(shí)測流量，t為時(shí)間。而流量的測量通過實(shí)時(shí)測定的水流流速和過水?dāng)嗝娣e進(jìn)行計(jì)算獲得。

Q（流量）=S（橫截面）·V（平均流速）

橫截面面積通過安裝在儀器底部的壓力傳感器測量水位，然后根據(jù)渠道的形狀和尺寸計(jì)算得到。

平均流速則根據(jù)多普勒原理測量，在渠道底部安裝設(shè)備發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，利用測量聲波被水中移動(dòng)的懸浮物質(zhì)反射回波信號(hào)與發(fā)射頻率之間的頻差，計(jì)算流速。如圖3-1所示。其測量原理如下：

多普勒效應(yīng)是一個(gè)較常見的現(xiàn)象，通過聲源發(fā)出一定頻率的聲波，聲源可以靜止，或者以一個(gè)速度在運(yùn)動(dòng)著，聲波被周圍介質(zhì)中移動(dòng)的懸浮物質(zhì)反射后，由接收器（可以靜止或者以一個(gè)速度在運(yùn)動(dòng)）接受到的聲波的頻率可能有所變化，這個(gè)頻率與發(fā)射頻率之間的差值就是通常所說的多普勒頻移。其表達(dá)式如下所示：

 （1/秒）

其中：

c：聲波在周圍介質(zhì)中的傳播速度

：接收器移動(dòng)的速度

：聲源移動(dòng)的速度

f₀：聲源發(fā)射頻率

f₁：接收到的頻率

圖2.2 流速測量示意圖

聲波經(jīng)發(fā)射后，測量聲波被水中移動(dòng)的懸浮物質(zhì)反射回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)頻率之間的頻差，即多普勒頻移，就可以計(jì)算流速。

在一個(gè)測量周期內(nèi)，首先換能器產(chǎn)生一束超聲波，其頻率為定值，即通常所說的發(fā)射頻率，這束波被一個(gè)懸浮質(zhì)以不同于發(fā)射頻率的頻率接受到（或者反射），將這個(gè)差值歸于多普勒頻移，然后又一次反射回多普勒儀器，再一次產(chǎn)生一個(gè)多普勒頻移。兩個(gè)多普勒頻移存在于這個(gè)交換過程中，前一個(gè)歸于信號(hào)通過多普勒儀傳到懸浮質(zhì)，第二個(gè)歸于信號(hào)從懸浮質(zhì)反射回多普勒儀。

在這兩個(gè)過程里，應(yīng)用前述多普勒原理，同時(shí)考慮發(fā)射角ø的影響可以推導(dǎo)以下結(jié)論：

假定 ＝ ＝ ， /c≈0

其中：

為水流流速

為多普勒頻移

c為聲波在水中的速度

ø為波束與平面的交角

目前所用多普勒儀的接收器能“聽”到從任何一個(gè)反射體反射回來的那束聲波；一個(gè)測量周期內(nèi)檢測到的頻率改變，就是多普勒頻移。系統(tǒng)累計(jì)和分析這些頻移，并且計(jì)算出接受范圍內(nèi)的中間值，從而可以通過測量多普勒頻移來計(jì)算水流流速值：

其中聲波在水中的傳播速度與水溫、組成成分相關(guān)，其具體關(guān)系如表2.1所示，選用聲速時(shí)需要通過溫度T查表或內(nèi)插求得；。

本儀器發(fā)生頻率 與型號(hào)有關(guān)，當(dāng)前 為一定值：1.563MHz；

二、        現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示及發(fā)送

現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示通過LCD液晶顯示屏顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)信息，通過安裝盒安裝在現(xiàn)場監(jiān)測室或者野外觀測箱內(nèi)。顯示屏可顯示當(dāng)前探頭深度、平均流速等信息。數(shù)據(jù)發(fā)送單元采用瑞士產(chǎn)GSM2無線傳輸模塊。

GSM2技術(shù)參數(shù)：

技術(shù)參數(shù): 內(nèi)置大氣壓傳感器 輸入 /SDI-12

連接： 適用于擁有RS485接口的30系列壓力傳感器或DCX數(shù)據(jù)記錄儀

防護(hù)等級： IP65 供電： 鋰電池3.9V/32Ah

電池壽命: >10年，在每小時(shí)測量一次，每天傳送一次數(shù)據(jù)的情況下 GSM波段： Quad850/900/1800/1900MHz

傳送選項(xiàng)： （STMP和POP3），SMS和Data Conection（V.32/V.110）

可選接口： SMA Femle

接口： RS485 KELLER-BUS/2線電壓輸入（ADC 0.....2.5V）/2線數(shù)字信號(hào) 溫度范圍： -20℃....50℃

zui短測量/發(fā)送比率： 1分鐘

 外殼材料： 不銹鋼316L（DIN1.4435）

外殼尺寸： 48×330mm（直徑×長度）

性能表現(xiàn)： 典型±0.5mbar（-20℃..40℃）

 分辨率： 典型0.2mbar

長時(shí)間穩(wěn)定性： 典型＋1mbar（12月）

溫度分辨率： 典型0.2℃

三、        中心控制室數(shù)據(jù)接收及處理部分

中心控制室可以只需要接收電子郵件數(shù)據(jù)即可。電子郵件的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入Excel表格進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)量根據(jù)設(shè)置的采集間隔來確定。

全部系統(tǒng)組成：

Starflow 流速流量儀   1套     標(biāo)配15米電纜、干燥劑2個(gè)

現(xiàn)場顯示模塊         1套     LCD液晶顯示+安裝盒

顯示單元電源         1套     蓄電池或者可以用開關(guān)電源接220V交流電

數(shù)據(jù)傳輸模塊GSM2    1套     內(nèi)置電池

SIM卡                1張     流量包月或者短信包月

電子             1個(gè)

控制部分軟件         1套     設(shè)置采集間隔、發(fā)送數(shù)據(jù)格式等

數(shù)據(jù)處理軟件         1套