明渠测流方案典型设计.doc

明渠流量监测系统方案设计

北京金水中科科技有限公司
2011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（测流方法及选择）
(一)、明渠流量计的种类（明渠测流方法）
1、水位法
2、流速面积法
3、两种方法的比较
(二)、明渠流量计的选型（测流方法选择）
1、宽度20米以上的宽浅渠道的测流方法选择
2、宽度20米以内的窄渠道的测流方法选择

三、数据传输方案
四、电源系统
五、监控管理软件
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监控管理软件安装于服务器上。
③通讯仪器可选无线通讯设备或有线网络通讯设备。
④电源系统可采用民用供电系统或太阳能供电系统，也可使用电池供电。

系统组成：
①明渠流量计
②通讯仪器
③监控软件及服务器
④电源系统

二、 明渠流量计的种类及选型（测流方法及选择）
（一）明渠流量计的种类（明渠测流方法）
明渠测流方法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）水位并经经验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（实际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。
1、水位法
水位法流量计实际上是水位计加辅助的工程建筑物的总称。
·辅助的工程建筑物主要有：
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（指顺直的规则断面）
闸孔涵洞
·水位计主要有：
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）

一般讲如果是自由出流，用一个上游水位就可通过公式换算或查曲线求得流量，如果是淹没出流，则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）

2、流速面积法
流速面积法流量计主要通过测流速及水位来计算求得流量，主要有：
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。）与普通多普勒法（适合宽20米内渠道）。
③电磁法
测量点流速，分为单点法与多点法。
④流速仪法
测量点流速，人工手动测量。

按渠道宽窄具体使用以下方式：
·窄渠道（一般宽度在20米以下）：
普通多普勒法（纵向发射） 精度2%
时差法流量计 精度2%
电磁流量计 精度5%
流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。）
·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（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。）

3、两种方法比较
水位法是通过测量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并经经验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影响渠道过水；另一方面当量水建筑物下游附近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，此时测量精度会大幅下降。水位法一般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，而此时不做量水建筑物直接用渠道的水位流量经验关系曲线测流时精度会很低。
流速面积法则不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（实际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，并且精度高，且不受下游顶托水的影响。流速面积法流量计主要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主要以国外产品为主，国内几乎没有同类产品，因此造价很高，一般在主要干渠及重要支渠上安装此类产品，斗口很难普及，一般均以水位法流量计（水位计+量水建筑物）作为斗口计量的主要设备。
由北京金水中科科技有限公司开发生产的HOH-L-01型超声波多普勒流量计，在技术性能与国外同类产品一样的情况下，极具价格优势，特别是当渠道宽度较大时，其价格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型超声波多普勒流量计。

（二）明渠流量计的选型（测流方法选择）
1、宽度20米以上的宽浅渠道的测流方法选择
渠道宽度在20米以上时，水位法误差会很大，因此只能采用流速面积法测流。可选用的流速面积法目前主要有以下四种方法：
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流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。）

其中②、④需要人工辅助测量，不能在线自动监测；①、③为目前主要采用的在线监测方法。

时差法明渠流量计适用于清水，水中汽泡与杂质不宜过多，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，维护费用也高，目前使用比较少。
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，安装维护相对简单，目前被广泛使用。

2、宽度20米以内的窄渠道的测流方法选择
如果水位法能满足测流要求，则尽量用水位法，原因主要有：
①安全性好：其野外防盗防破坏及防淤积性能均优于流速面积法。
②可靠性好：不受水中悬浮物干扰，不易受环境影响。
③安装维护简单：不需停水安装与检修。

水位法
流速面积法：
修建量水建筑物
一般需要，费用随渠道宽度增加而增加。
不需要
渠宽限制
2米以内
没有
顺直段要求
前10后5
前10后5
可靠性及安全性
高
一般
精度
有些情况下高（如薄壁堰），有些很低（淹没出流标准断面）。
普遍高
水头损失
有
没有
受下游雍水影响
大
没有
造价
随渠宽增大而增大
与渠宽没关系

流速面积法的选型：
流速仪一般用于人工手动校核率定测量，不用于自动监测，ADCP一般用于宽渠道的测量，且价格很高。一般中小渠道流速面积法的选择主要三种类型：
①超声波时差法（分单声道法与多声道法）
如：RISONIC2000（瑞士）
②超声波多普勒法
如：HOH-L-O1（北京金水中科）
③电磁法（分单点法与多点法）
如：LMM-60
1）．超声波时差法（分单声道法与多声道法）
实物安装图如下图：

安装示意图如下：

测流原理如下图：

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）．超声波多普勒法
实物安装图如下图:

安装示意图如下图:

测流原理如下图:

断面的平均流速=实际测速范围内的杂质最大概率流速
3）．电磁法（分单点法与多点法）
实物安装图如下图：

安装示意图如下图:

测流原理如下图：

以三点法为例:
断面的平均流速等于=(V1 *A1+V2*A2+V3*A3)*K/A
Vi :第i个流速探头测量的点流速
Ai :第i个分割面积
K: 模型转换系数

以上三种方法相互比较如下：
测速原理均是测出标准断面上的部分流速来换算为整体断面的平均流速，其中超声波时差法的单声道法与电磁法的单点法在渠道水位变化时流速探头会接近甚至露出水面，因此精度不会很高，所以这里只比较以下三种测量方法的精度：
①超声波时差法（多声道法）
②电磁法（多点法）
③超声波多普勒法
从理论上讲，三种方法测得的各自测流范围的流速精度应该都是很高的，都在1%以内，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，因此这三种方法的实际断面流量测量精度主要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可以看出电磁法（多点法）的实际测量范围是点，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，比较如下图：

从上述测量范围可以看出，超声波时差法（多声道法）的测量范围完全包含了电磁法（多点法）的测量范围，因此前者的精度肯定会比后者高（实际应用中可能后者的测量精度有时会高于前者，这主要是由于安装位置、安装精度、校准方法等引起的，如果在同样的位置并采用同样的安装精度及校准方法，后者的精度肯定不会高于前者。）。
所以下面只对超声波时差法（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
（对窄渠道（一般宽度在20米一下）多普勒法（纵向发射）流量计与时差法流量计相比，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
以上三种测流方法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）肯定会有一定的差距，这主要是由于安装位置、安装精度、数据处理方法、校准方法等产生的，因此提高测量精度主要从这几点入手：
（1） 调整安装位置
尽量选择具有标准断面的顺直渠道，满足前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）。如果不满足这个要求，水的流态不会非常平稳，会产生测量结果偏大或偏小的情况，这时就需要进行修正，一般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
主要为流速探头的安装角度、位置等是否准确，如果安装角度发生偏差，则结果会有一个固定的误差系数，这时候为提高测量精度则需要调整安装角度或乘以一个修正系数。
（3） 数据处理方法
主要是指在实际测量过程中现场会有各种干扰（如正在测量时有鱼在流速探头附近游过），使个别数据不准或完全失真，如果测量的时间间隔较大，则这些失真数据会对测量结果产生较大影响，因此需要增加测量时间间隔密度或对失真数据进行删除或平滑处理。
（4） 校准方法
校准时一定要保证在一段时间内测量断面处的过流量保持恒定，否则在涨水或落水的过程中同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合适的水位附近进行校准，不能选择极端水位；当实际断面过流量的准确值无法获得时，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

通讯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.无线宽带通讯:CANPY
d.公网通讯：GPRS、GSM
考虑造价及维护费用，一般首选公网通讯。

四、电源系统
当监测现场有民用电时，可作为首选使用，可充电蓄电池作为备份。
由于测流现场多为野外，一般无民用电可用或接电费用太高，因此供电基本采用太阳能电源或蓄电池方式。考虑蓄电池需一个月维护一次，野外测点多而分散，维护工作量很大，目前大都采用太阳能供电系统；在采用太阳能电源方式时，由于野外没有建筑物可用，主要考虑防盗需求，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，可采用一次性锂电池，可连续工作一年以上。

五、监控管理软件
监控管理软件一般为网络版，安装于管理站专用服务器上，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方式的浏览、查询及统计等功能。一般具有以下基本功能：
a.数据采集功能：
自动接收现场设备采集的实时数据，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累积用水量、
②各用水户用水量的对比分析统计
③各用水户的水费统计分析
④以及相关的统计分析报表等
c.用水户管理:
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.权限管理:
系统对不同用户可设置不同的使用权限

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：
序号
名称
规格
单位
数量
供货价（元）
市场报价（元）
备注
1
流速面积法流量计

HOH-L-01
套
1

包括流速水位传感器与二次仪表
2
GPRS通讯仪

只
1

3
太阳能电源

套
1

包括太阳能电池板、充电电源、电源控制器、12V120AH免维护蓄电池
4
电杆

根
1

5
避雷器

套
1

6
控制箱

只
1

保护设备及电池

7
数据电缆

米
20

8
附属土建设施

处
1

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：
序号
名称
规格
单位
数量
供货价
市场报价
备注
1
水位法流量计

HOH-S-YD
套
1

严格地讲水位法流量计包括了量水建筑物。即水位法流量计的组成是：水位传感器+积算（二次仪表）+量水建筑物
量水建筑物

处
1

2
GPRS通讯仪

只

3
太阳能电源

套
1

4
电杆

根
1

5
避雷器

套
0

6
控制箱

只
1

保护设备及电池
7
数据电缆

米

8
附属土建设施

处
1

附件：相关设备性能及技术指标

1、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，上位机置于控制箱与通讯设备相连，现场安装图如下：

技术指标：
·流速：
        ·量程： 21mm/s到10000mm/s。
        ·准确度：测量流速的±2%。
         ·分辨率：1mm/s。
·温度：
·量程： 0℃到60℃。
         ·分辨率：0.2℃。
   ·水位：
·量程： 0.1到10m。
·分辨率：1 mm。
·准确度：测量水位的±1%。
    ·流量：
·量程： 0.001m3/s到1000m3/s。
·分辨率 0.0002m3/s。
·准确度：测量流量的±3%。
·电源：
12V DC 或220VAC。
·接口：
  标准RS232、RS485。
·通讯协议：
Modbus。
·数据储存容量：
每10分钟采集一条记录，可以存储超过6个月的数据，而且这些数据即便在掉电的情况下，也可以长期不丢失。
·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）。

2、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连续工作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，运行稳定可靠，维护方便。
◆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 0.5% ，量程3m，输出4-20mA。
上位机（数据采集器）：
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。）。

２６