渠道/河道在线测流量不会选型?这“四点”让您

2021年08月30日

  渠道/河道测流量是水利信息化建设非常重要的一部分,在 灌区灌溉用水计量水资源调度调配、水文数据监测、防汛抗洪等领域中运用广泛。

  就渠道/河道测流量问题小编梳理总结了大家比较关注的四点:流量概述、测流量的主要方式、在线测流量的主流传感器以及在实际运用中如何选型。

  一、什么是流量?

  在水文中,河流流量的定义是单位时间通过某一河流断面的水的体积。流量的算法是以载体内流体的平均流速乘以载体橫截面积换算而得,单位为m³/s,m³/h等。

  

 

  注:通常同一断面的每层流速、每个截面的流速都是不一样的,所以要采用平均流速。(实际液体由于存在粘滞性而具有的两种流动形态。液体质点作有条不紊的运动,彼此不相混掺的形态称为层流。液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态叫做紊流,也叫湍流。)

  ● 平均流速

  流速是指液体流质点在单位时间内通过的位移。渠道和河道的水流各点的流速是不相同的,靠近河(渠)边的流速较慢,河中心近水面处的流速最大,为了计算简便,通常用横截断面的平均流速来表示该断面水流的速度。

  

 

  二、现阶段渠道/河道流量测量的方式:主要分为建筑物法和传感器测流法。

  

 

  三、目前在线测流量的主流传感器,我们暂且粗犷的分为四类:1)超声波测流 2)电磁测流 3)雷达波测流 4)机械式测流。

  

 

  下面就目前各种主流测流量的传感器予以介绍。篇幅较长,你准备好了吗?

  ◆ 时差法流量计-分为管道式和明渠式

  声学时差法流量计基于流速面积法流量测量原理。声波在静水中传播时,有一恒定的速度,此传播速度会随水温、盐度、含沙量的变化发生些变化,但当水流状况一定时,此传播速度是一定的。顺水流传播时,实际传播速度为声速加上水流速度;逆水传播时,实际传播速度为声速减去水流速度。于是,在河流上、下游两固定点之间,声波顺水和逆水传播有传播时间差,测出时间差就能测得水流速度。用这种方法测量水流速度称为“时差法”。

  

 

  ◆ 超声波时差法明渠流量计

  声学时差法流量测流系统由一组(或几组)声学换能器、主机、信号电缆和电源组成。

  声学换能器接收测流控制器的指令发射声脉冲,并将接收到的声脉冲信号传送到测流控制器。测流控制器收集声脉冲在水中的传播时间、水位数据,通过传播时间差计算出水层平均流速,再结合过水断面面积和断面平均流速,从而得出断面流量。声学换能器内可以装有水位传感器,可同时将测得的水位数据传送给主机,也可以接入其它符合要求的水位计。

  

 

  ◆ 超声波时差法管道流量计

  

 

  

 

  ◆ 超声波多普勒流量计—主要分为走航式、固定式、单点式

  根据声学多普勒效应,当声源和观察者之间有相对运动时,观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。超声波发射器为一固定声源,随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用,当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据。发射声波与按收声波之间的频率差,就是由于流体中固体颗粒运动而产少的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速,所以测量频差可以求得流速。进而可以得到流体的流量。

  

 

  ◆ 走航式

  声学多普勒流速剖面仪

  Acoustic –以固定频率发射声波脉冲.

  Doppler – 接受反射回来有“多普勒”频移的声波,通过频移计算波束向的相对速度

  Current – 应用4波速向相对速度、波速间夹角、姿态数据(首向heading,纵摇pitch,横摇roll)

  Profiler – 测量不同层次(depth cell)的流速

  ADCP通常有3个以上换能器,同时发射和接受3个波束以上的声信号,获得3个以上的相对速度

  信号按波束独立处理并转换成波束向相对速度

  利用波速间的角度,将波束向(波束坐标)的相对速度转换为水平和垂向速度(地球坐标)

  

 

  ◆ 固定式

  声学多普勒流量仪安装有2个换能器,换能器与安装中心轴线有一定的夹角,每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射的声波能集中于较窄的范围内也称为声束。假定悬浮物质的运动速度和水体流速相同,当悬浮物质的运动方向是接近换能器时,换能器接收到回波频率比发射波的频率高;当悬浮物质的运动方向是背离换能器时,换能器接收的回波频率比发射频率低。声学多普勒频移,即发射声波频率与回波频率之差:

  

 

  ◆ 单点式

  传感器有两个换能器,一个发射,一个接收。当传感器正对着水流方向,也就是逆流测量的前提下:

  1、水流静止情况下,接收到的频率跟发射频率一样;

  2、流速越快,接收传感器接收到的频率越快,会高于发射的频率;

  3、流速越慢,接收传感器接收到的频率越慢,但是会高于发射的频率。

  安装使用时必须要将传感器正对着水流方向。

  

 

  ◆ 电磁流量计—主要分为管道式(满管/非满管)和明渠式

  电磁流量计:基于法拉第电磁感应定律来测量流量U=B*L*v( U-感应电动势 B-磁场强度 L-导体zhuan长度 v-导体速度)

  铜线绕成的线圈产生交变的磁场B。受控电流保证在整个测量过程中磁场强度保持恒定。导体的长度L(在测量管内径的两个测量电极的距离 ) 是一个常数。方程中唯一的变量是流体的流速v。仪表能够直接测得电极间的感应电压, 感应电压线性的正比于流体分流速U~v。进而求出流速,电磁流量计测量的不是体积而是流速。

  

 

  ◆ 管道式

  电磁管道流量计(满管)

  ● 精度等级:宜选用满量程输出误差小于±1.5%~±2.5%的流量计;

  ● 前后置直管段长度:前置直管段长度应大于5倍管径,后置直管段长度应大于2倍管径,在此范围内不应安装闸阀;

  ● 流速、口径:选定的仪表口径可与管径不同。上限流速不超过5m/s,下限流速不小于0.5m/s;

  ● 变送器应有耐压密封性能试验报告。

  

 

  ◆ 电磁管道流量计(非满管)

  电磁非满管流量计是一种利用流速-面积法,连续测量开放式管线(如半管流污水管道和没有溢流堰的大流量管道)中流体流量的一种流量自动测量仪表。它能测量并显示出瞬时流量、流速,累积流量等数据。特别适用于市政雨水、废水、污水的排放和灌溉用水管道等计量场所的需要。

  非满管流量计是由一个电磁流速传感器、一个超声水位传感器和一个流量显示仪组成,连续测量管道中流体的流速和液位用户只要输入圆形管道的内径或方形管道的宽度,GLP-LSC型非满管流量计就会自动计算出管道内的流量来,并自动显示出管道内的瞬时流量、流速、累计流量等测量参数。

  

 

  ◆ 明渠式

  电磁明渠流量计

  电磁明渠流量测量系统以流速-水位运算法为基础,并采用了先进的伺服水位跟踪测速系统和微处理器,从而确保测速和运算的准确性的一种新型智能化流量系统,根据渠道的宽度和测量精度的要求,采用明渠测流的数学模型。

  根据传感器实测的水位值、流速值和已置入的渠道几何尺寸、边坡系数、渠道精度、水力坡道、流速垂直平面修正系数,并按照预定的数学模型计算出渠道的断面平均瞬时流量。

  

 

  ◆ 雷达波流量计-主要分为固定式和缆道式

  工作时向水面发生电磁波,电磁波遇到运动的水面会发生散射,并构成回波,由于接收到的回波频率相对于发射频率发生一定偏移,由多普勒频率方程可求得水面流速,一个运动目标会在雷达传感器产生一个低频输出信号。这个信号的频率取决于移动速度,幅度取决于安装的距离,反射率和运动目标的尺寸大小。多普勒频率 F 和运动速度成正比关系。定点式雷达流速仪的系统可接入多个雷达探头,相当于布设多个测量垂线,结合断面参数,计算断面流量,定点测量。

  

 

  ◆ 立杆固定式

  雷达流量计

  全自动雷达流量计。它采用先进的平面微波雷达技术,通过非接触方式测量水体的流速和水位,根据内置的软件算法,计算并输出实时断面流量及累计流量,可用于河道、灌渠等场景的流量测量。

  以物理学中的多普勒频移效应为基础,当水流运动时将与流量计之间发生相对运动,从而使得仪器所发出的雷达波信号产生频率的偏移,频率的偏移和水的流速成正比,通过测量频率偏移测量水体的流速,再利用脉冲雷达测得水位、结合断面数据计算出动态过水面积,根据测量的流速和过水面积计算出瞬时流量。

  

 

  ◆ 缆道式

  缆道雷达流量计

  移动式雷达波在线流量监测系统遵循无人值守、 简单实用、 方便维护、精度可靠的原则,采用雷达波市实时监测垂线测速,同步采集相应水位,按部分面积法计算流量,实现流量自动监测。 测流方法遵循《河流流量测验规范》 和《水文缆道测验规范》,数据输出符合《水文资料整编规范》,数据与整编软件无缝对接。

  雷达缆道式测流系统是集测流、无线传输、流量测验,数据库管理、网站发布、水文站业务处理于一体的全自动流量测验系统。通过互联网查看测站水位、流速、流量和设备工况,中心水文站人员通过互联网远程下载市局中心数据库中的测站数据,在计算机上分析处理,生成各种水文报表,彻底摆脱传统水文从测验到整编手工作业方式,用现代科技手段实现水文三大核心业务“测、报、整”升级换代。

  

 

  ◆ 机械式流量计(转子)-主要分为旋杯式和旋浆式

  机械式测流是根据水流对流速转子的动量传递而进行工作的。当水流流过流速转子时,水流的直线运动能量对转子产生转矩,此转矩克服转子的惯量、轴承等内摩阻,以及水流与转子之间相对运动引起的流体阻力,从而使流速仪转子转动。在一定水流速度范围内,流速仪转子的转速与水流速度呈现比较稳定的进似线性关系。通过使用专门设计的设备,计测转子在预定时间内的转数,在查阅流速仪相应检定公式或检定关系曲线,就可得到或计算出水流速度。也可通过二次仪表输入相关系数后,自动测算水流速度。

  

 

  ◆ 旋浆式

  旋杯式流量计

  ● 旋杯式水量计可使用于多泥沙缓坡渠道(小于1/10000);

  ● 测流范围:不同产品的量水计的测流范围不同,最小为0.05~0.6m3/s;

  ● 测流涵洞中的流速应小于2m/s;

  ● 测流涵洞应在淹没流条件下工作;

  ● 测流误差应不大于±5%。

  

 

  ◆ 旋杯式

  旋浆式流量计

  ● 旋浆式仪器是一种江河水文测验仪器,用以测定一般河流、渠道、水库、湖泊、管道等的过水断面预定测点的水流平均速度,从而确定该断面的流量。

  ● 灌区渠道量水中一般用于水位~流量关系曲线率定。

  

 

  ◆ 转子式创新运用

  转子式流量计应用—轨道测流车

  河道断面流量自动化测站以河道断面流量自动巡测车为核心,配置旋桨式流速仪、铅鱼、通信终端、智能供电系统、安防系统、视频监视系统,实现明渠水位流量信息的自动采集和传输。

  灌渠道测流断面架设测桥,为了节省费用,在测桥上游侧铺设两条三角形平行轨道,轨道一端铺设到测流房内。在轨道上根据渠道断面宽度确定测量垂线位置及个数。启动测量时,测流车行至测点,进行水位、水深(淤积厚度)测量,并实时反馈测量数据及测量状态。测流车下放流速仪到固定深度进行单点流速测量或分层流速测量,测量完成后行至下一个测点进行测量。

  所有测点测量完成后,测流车计算每个垂线的部分平均流速和部分面积,计算部分流量,将部分流量累加即为断面总流量。

  

 

  关于市面上主流产品的基础介绍就到这,如有不妥之处请原谅并指出,如有遗漏的地方,欢迎各位分享。现在咱们来聊聊选型。

  四、在实际运用中,怎么选择合适的流量计呢?

  小编总结了两类大家比较关注的选型问题:1:不同宽度的渠道/河道流量测量该怎么选型?2:不同用途的渠道/河道流量测量怎么选型?

  ◆ 按渠道/河道宽度从大到小选型

  

 

  通常渠道/河道流量测量主要有三种用途:1.计量:如灌区,配水调度等,对精准要求较高。2.水文测流:各大水文局重点关注区域内流量数据,对数据精度要求严谨。3.防汛防洪:如山洪灾害,城市洪水排涝等,比较关注流量数据的相对变化。

  ◆ 按照用途选择

  

 

  篇幅有限,各类测流量传感器的维护问题等方面就不一一展开介绍了,如大家有感兴趣的课题可以后台留言,我们会根据大家的评论准备相关内容的课题来写!

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