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        超聲波流量計在地表水明渠水量計量當中的應用

        發布時間:2020-01-04 19:24:26 瀏覽:

        1 工程概況

        張掖市甘州區西浚灌區地處河西走廊中部的黑河中游左岸,甘州區西端,距城區37km。灌區東北以黑河為界,西南與肅南縣相連,西北和臨澤縣接壤,南北長約60km,東西寬約25km,總土地面積98.79萬畝。灌區內綠洲與戈壁相間,地勢由東南向西北方向傾斜,海拔1453~1700m之間,屬祁連山前沖洪積平原區。

        灌區現有干、支渠47條,其中在大型灌區續建配套與節水改造項目建設中修建無喉段量水槽8處,其余均為標準斷面測水。

        2 項目區地表水計量現狀及存在的問題分析

        1)目前灌區干、支渠量測水方式均采用標準斷面量水,利用現狀渠道的標準斷面,設置水尺,采取人工多次讀取數據的方式,率定測流斷面的水位流量關系,以此來測量渠道水量,這種量水方式人力、物力耗費大、且測量精度低。

        2)灌區干、支渠多數建于上世紀六、七十年代,工程建設標準偏低。經過多年的運行,渠道凍賬變形嚴重,水流不穩、測量精度低、水量計量爭議大,水費征收困難的情況嚴重。

        3)現有的量測水方式自動化程度低,不能適時觀測流量,且不符合當前經濟社會發展的需要。

        為此,隨著工農業生產和生活用水量的持續增長以及水資源嚴重不足的矛盾,灌區地表水明渠計量除人工配合外,還有通過自動化量水設備進行實時采集、傳輸和存儲已勢在必行。

        2018年,結合大型灌區續建配套與節水改造量測水設施項目建設,甘州區在西浚灌區建設超聲波明渠流量計量水19處。通過超聲波明渠流量計的建設使灌區部分渠道水量得到精確計量,量水得到了遠程實時監測。

        3 項目區地表水計量方案比選

        目前水利行業均采用水位法測流。此種測流方式具有測流精度低,管理難度大的缺點。我國大部分灌區均采用這種方式進行測流,而在節水型社會和新時代的背景下,提高計量精度和降低管理難度將是大勢所趨。近年來,隨著灌區信息化建設進程的加快,利用超聲波流量計測量明渠渠道的過水流量,實現灌區量水的遠程實時監測,在越來越多的地方得到應用。為此,本次設計量測水設施采用超聲波法與流速儀法兩種方式綜合比較。

        流速儀法測流是國內外使用最基本的方法,也是最廣泛的測流方法。也是評定和衡量各種測流新方法精度的標準。流速儀法測流基于速度面積法,測流時必須在斷面上布設測速垂線和測速點,以測量斷面面積和流速,測速方法一般采用積點法。

        用超聲波來測量明渠的流量實質上是測量明渠水流的流速。當明渠水流流速向量與聲波方向平行時,聲波的波速將發生變化,即當聲波向上游傳播時波速降低,聲波向下游傳播時波速增加。在明渠中,一定高程的水流平均流速是通過測量兩個換能器之間傳播的歷時差來確定的。

        通過兩種方法的比較可以看出:超聲波明渠測流通過高精度時間數字轉換芯片對超聲波傳輸時間進行測量,有效克服零點漂移、小流量測量誤差大等問題;綜合利用頻差法和時差法,使用實時聲速、溫度補償等技術對流量進行補償;人機接口畫面豐富,支持多種通信方式;測量精度高,方法簡單,操作安全,不影響渠道水流狀態,可直接與計算機結合,實現水情數據的實時監測和實時傳送,為灌區水資源的優化配置和現代化管理打下了基礎。

        4 超聲波明渠流量計應用

        超聲波明渠流量計專為明渠方涵流量測量而設計。該設備采用先進的超聲波時差法進行分層測量,精確計量方涵的實時過水流量,又可以以30ma低功率進行正常運行。明渠流量測水箱具有GPRS無線傳輸功能同時也可以進行以太網局有線傳輸,且不需外接電源,自帶鋰電池可以長時間不間斷工作,解決了方涵野外測量不精準,施工困難的實時計量難題。聲波矩陣進行流量測量,可以有效的避免因水流流態的不穩定、建筑物不標準而引起的無法精準測量問題。使用實時聲速、溫度補償等技術對流量進行補償;人機接口畫面豐富,支持多種通信方式;具有計量精度高、操作簡便、運行穩定等優點。

        支持多聲道測量(默認八聲道),有效提高了儀表在復雜流體狀態中的測量準確性和可靠性;

        綜合采用頻差法和時差法測量技術,聲速自動補償,時間分辨率達到45皮秒,有效避免零點漂移,提高了小流量測量精度;

        支持RS485通信,與遠程數據管理系統集成更加方便;

        支持AC 220V、DC12V、市電、太陽能電源等輸入方式;

        主機與探頭類型多樣化,可根據現場需求搭配使用,能夠滿足特殊環境的安裝與測量;

        人機界面豐富,使用操作便捷。

        使用場合:污水治理流入和排放渠、工礦企業化工液體、廢水排放渠道、水利工程和農業灌溉用渠道、泄洪閘門等場合流量測量。

        施測點必須有移動3G、4G信號。

        4.1 工作原理、8通道測量示意

        超聲波流量計通過上、下游傳感器相互發送及接收112kHZ-1Mhz超聲波,當超聲波束在液體中傳播時,液體的流動將使傳播時間發生微小變化,并且其傳播時間的變化正比于液體的流速,如圖1所示。

        圖1(a)超聲波流量計測量原理

        圖1(a)超聲波流量計測量原理   下載原圖

        圖1(b)超聲波流量計測量原理

        圖1(b)超聲波流量計測量原理   下載原圖

        聲道超聲波流量計通過8組傳感器測量渠道內各層的實際流速,模擬實際運行流速分布情況,解決線速度V轉換為面速度V的準確性以提高儀表整體的計量精度。

        4.2 傳感器結構

        傳感器分8個層次,測量8層次的水流流速。傳感器結構示意:如圖2所示。

        圖2 傳感器結構示意:

        圖2 傳感器結構示意:   下載原圖

        4.3 系統組成部分(如圖3所示)

        圖3 測量系統組成部分

        圖3 測量系統組成部分   下載原圖

        4.4 技術參數

        流速

        流速精度:1%;

        流速范圍:±5m/s;

        測量線性度:優于0.5%,重復性精度:優于0.2%;時差測量分辨率:20皮秒

        防護等級:IP67;

        溫度范圍:-20℃~80℃;

        測水精度:90%以上(0一10%);

        流量范圍:0.1m[3]/s~2.0m[3]/s。

        最大采樣率1 Hz

        波束頻率112kHz-1 MHz

        通道數8通道(同時測量,非循環測量)

        水位(壓阻式液位計或超聲波)

        采用壓阻式傳感器;

        量程:0~3m;

        精度:≤0.3%F·S;

        分辨率:0.3%F·S;

        線性度、重復性<0.03%FS;

        溫度測量精度:±1.0℃;

        溫度補償范圍:-5℃至+45℃;

        工作溫度:-25℃至+70℃;

        防護等級:ip68

        聲波矩陣控制器

        能同時采集多個實時流速;

        能實時采集水位數據;

        根據水力學模型結算斷面流量;

        能顯示水位、瞬時流量、累計流量、水量值;

        工作溫度:-30℃~+70℃。

        通訊模塊

        支持三大營運商(2G/3G/4G)信號,符合ETSI、GSM標準;

        具備RS-232/422/485接口?;騎TL電平接口,使用方便、靈活、可靠。數據終端永遠在線;

        具備固定數據中心域名和IP地址,數據傳輸支持單通道單中心或多通道多中心;可遠程設置和修改IP地址等配置參數;

        具備主備數傳輸通道,支持多數據通道。

        4.5 土建結構設計

        為保證水流平穩,需要對現狀渠道進行改建,本次設計改建現狀渠道24m,其中上游漸變段6.0m,矩形段渠道10.0m,下游漸變段8.0m,漸變段設計為C20細粒砼砌石結構,矩形段為C20現澆砼重力式結構,頂寬0.2m,外坡比1:0.2。測水箱安裝在矩形段渠道下游6.0m處,在安裝測水箱的位置向外擴出7.5cm,以便測水箱安裝后與上下游渠道相平。

        立桿、儀表箱安裝:預埋地籠,澆筑混凝土,預埋DN50進出線管到傳感器,儀表箱立桿抱箍安裝。

        4.6 數據傳輸與軟件

        通過構建報汛通信網,把地域上十分分散的自動采集的水情信息,利用通信信道,自動、準確、及時地傳輸到灌區渠道監測平臺,作為灌區信息化建設的基礎數據。

        根據現有通信狀況以及可利用的通信資源,自動超聲波水位流量站中,使用GSM/GPRS作為信息傳輸信道,所有新建站安裝位置均有公網信號,使用GSM-GPRS作為數據傳輸方式,GSM-SMS作為命令和數據傳輸的備用方式,在GSM-GPRS功能出現故障時,遙測終端自動切換到GSM-SMS方式,同時將水情數據發送到本地灌區信息化平臺,并接受監測預警中心遠程設置。

        5 結語

        該項目于2018年12月建設完成,項目建成后灌區地表水計量精度顯著提高,用水管理實現了信息化、自動化和智能化,超聲波測流技術必將成為準確測量明渠流量的一種新方法并以推廣應用。

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