CN104501893A - 大量程高精度自动产流量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种大量程高精度自动产流量测量系统，包括：供电组件；水箱，用于接收山坡的产流并存储产流的水；与水箱相连的出水口和出水口控制阀；设置在水箱内的压力水位传感器，用于检测水箱内水位；第一液位传感器，第一液位传感器设置在水箱的下部；第二液位传感器，第二液位传感器设置在水箱的上部；涡轮流量传感器，涡轮流量传感器设置在出水口；控制器，控制器根据第一液位传感器和第二液位传感器对出水口控制阀进行控制；以及数据采集器，根据压力水位传感器和涡轮流量传感器的输出值进行流量测量和数据采集存储。本发明的测量系统具有较大的流量测量量程及较高的测量精度，并且实时性好、自动化程度高。

Description

大量程高精度自动产流量测量系统

技术领域

本发明涉及水文学研究技术领域，特别涉及一种大量程高精度自动产流量测量系统。

背景技术

山坡降雨产流机制的研究，是水文学研究的基础组成部分，能够为建立具有更强物理基础的流域分布式水文模型提供科学依据，具有重要的意义。在山坡降雨产流机制的研究中，在典型山坡开展野外观测实验具有不可替代的重要作用。山坡降雨产流机制研究中的野外观测实验需要对降雨后山坡的产流量进行实时、精准的测量，而山坡的产流量又具有流量变化范围非常大的特点，通常情况下产流量非常小，但当瞬时雨量很大时，产流量可能会达到非常大，研究中要求产流量测量设备对于非常小的产流量和非常大的产流量都能够进行较为精确的测量，这要求流量测量设备具有大的流量测量量程，同时对在量程范围内的各流量都保持有较高的测量精确度，特别是保证小微流量的测量精度。此外，由于是用于野外观测实验，还需要解决供电和数据存储等问题，让流量测量设备能够在野外长期持续地独立工作，实时测量和记录山坡产流量。

流量测量是一个非常古老的命题，古往今来有非常多的研究和方法，但大多数流量测量的方法都是针对某一特定的流量范围或者特定的条件情况进行测量，并没有普遍适用的流量测量方法，并且流量测量的精度普遍不高。通常而言，流量测量主要有测流堰和流量计等方法。测流堰分为薄壁堰、宽顶堰、三角堰等，主要应用于河道的流量测量，主要测量较大的流量，小流量的测量精度不高；流量计分为转子流量计、电磁流量计、超声波流量计等，主要应用于有压管道的流量测量，主要量测较小的流量，但流量测量范围较小，且对于微小的无压流量也难以量测(当水流无法充满流量计管道时)。总的来说，目前在有压、高水头、大流量的流量测量方面，已经积累了较多的经验，有较为成熟的技术；但是在无压、低水头、小流量的流量测量方面，技术发展始终较为缓慢。

针对具体的山坡产流量测量这一问题，因为流量变化范围较大，需要对在量程范围内的各流量都保持有较高的测量精确度，且是一个典型的无压、低水头、小流量的流量测量问题，因此解决起来较为困难。目前山坡产流量测量的主要技术方法为集水池法、多孔分流法、翻斗式自记测流法等，主要是两种测量的思路，集水池法和多孔分流法的测量思路相似，是将水积蓄起来，积少成多进行测量；翻斗式自记测流法是利用类似于翻斗式雨量筒的翻斗测量原理实现连续流体的等量分割，对流量进行连续自动测量。

上述的现有流量测量方法和技术通常难以兼具较大的流量测量量程和较高的小微流量测量精度两个特点，且因为供电和数据存储等问题，难以在野外长期持续地独立工作，不能直接应用于野外山坡产流观测实验，因此难以满足山坡降雨产流机制研究中的实验要求。

针对目前具体应用于山坡产流量测量的集水池法、多孔分流法、翻斗式自记测流法等技术方法，它们存在的主要问题是：第一种思路下，集水池法和多孔分流法的本质原理相同，但这两种方法均只能对某场降雨的山坡产流总量进行测量，无法实时连续地测量产流量的变化过程，自动化程度不高，需要在每场降雨后进行维护，且在产流量较大时，容易出现溢流情况，造成较大的测量误差；第二种思路下，翻斗式自记测流法虽然可实现山坡产流量过程的实时连续测量，自动化程度较高，可以在野外长期持续地独立工作，且可以通过调整翻斗大小的方式提高流量测量精度，但是其可以量测的流量范围始终较小，即量程较小。将翻斗设置较大，则可以保证对于较大流量的量测，但量测较小的流量时精度很低；而将翻斗设置较小，虽然量测较小的流量时精度较高，但在较大流量的时候却难以量测。这就使得这种方法难以满足山坡产流量测量中要求设备具有大的流量测量量程，以及对在量程范围内的各流量都保持有较高的测量精确度这一要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种大量程高精度自动产流量测量系统，该测量系统具有较大的流量测量量程及较高的测量精度，并且实时性好、自动化程度高。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种大量程高精度自动产流量测量系统，包括：供电组件；水箱，用于接收山坡的产流并存储所述产流的水；与所述水箱相连的出水口和出水口控制阀；设置在所述水箱内的压力水位传感器，用于检测所述水箱内的水位；第一液位传感器，所述第一液位传感器设置在所述水箱的下部；第二液位传感器，所述第二液位传感器设置在所述水箱的上部；涡轮流量传感器，所述涡轮流量传感器设置在所述出水口；控制器，所述控制器根据所述第一液位传感器和所述第二液位传感器对所述出水口控制阀进行控制；数据采集器，用于自动采集并存储所述压力水位传感器和所述涡轮流量传感器的输出值，根据所述输出值进行流量测量和数据采集存储。

根据本发明实施例的大量程高精度自动产流量测量系统，能够在野外长期持续地独立工作，实时连续地测量和记录山坡产流量，具有较大的流量测量量程，而在小微流量的测量中又能够具有较高的精度。该测量系统主要应用于山坡降雨产流机制研究中的野外观测实验，实现了山坡产流量持续的实时高精度、全自动观测，为山坡降雨产流机制的研究提供了有效的实验观测支持，打下了坚实的基础。

另外，根据本发明上述实施例的大量程高精度自动产流量测量系统还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述供电组件包括电池和太阳能电池板。

在一些示例中，当所述第二液位传感器被触发时所述控制器控制所述出水口控制阀进行放水直至达到第一液位传感器检测的水位出水口控制阀关闭，放水停止。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的大量程高精度自动产流量测量系统的结构框图；

图2是根据本发明另一个实施例的大量程高精度自动产流量测量系统的整体布置示意图；

图3是根据本发明一个实施例的大量程高精度自动产流量测量系统的液位控制器和电磁阀接线示意图；

图4是根据本发明一个实施例的大量程高精度自动产流量测量系统的涡轮流量传感器和数据采集器接线示意图；

图5是根据本发明一个实施例的大量程高精度自动产流量测量系统的压力水位传感器和数据采集器接线示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的大量程高精度自动产流量测量系统。

图1是根据本发明一个实施例的大量程高精度自动产流量测量系统的结构框图。图2是根据本发明一个实施例的大量程高精度自动产流量测量系统的整体布置示意图。结合图1和图2，该测量系统100包括：供电组件110、水箱120、出水口130、出水口控制阀140、压力水位传感器150、第一液位传感器60、第二液位传感器170、涡轮流量传感器180、控制器190和数据采集器200。

其中，在本发明的一个实施例中，供电组件110例如包括电池和太阳能电池板。

水箱120用于接收山坡的产流并存储产流的水；出水口130和出水口控制阀140与水箱120相连；压力水位传感器150设置在水箱120底部，用于检测水箱120内的水位；第一液位传感器160设置在水箱120的下部；第二液位传感器170设置在水箱120的上部；涡轮流量传感器180设置在出水口130，与出水口控制阀140相连；控制器190根据第一液位传感器160和第二液位传感器170对出水口控制阀140进行控制；数据采集器200用于自动采集并存储压力水位传感器150和涡轮流量传感器180的输出值，根据该输出值进行流量测量和数据采集存储。

在本发明的一个实施例中，当第二液位传感器170被触发时控制器190控制出水口控制阀140进行放水直至达到第一液位传感器160检测的水位出水口控制阀140关闭，放水停止。

作为具体地示例，结合图2至图5，换言之，本发明上述实施例的大量程高精度自动产流量测量系统100主要结构包括：等截面水箱(水箱底部有出水口，出水口位置详见图2所示)、压力水位传感器(放置于水箱底部)、液位控制器(液位控制器的三个传感器分别放置于水箱上部、水箱下部和水箱底部，具体位置如图2所示)、电磁阀(即出水口控制阀，其控制水箱出水口开闭，与液位控制器的连接方式详见图3所示)、涡轮流量传感器(与水箱出水口处的电磁阀连接)、数据采集器(与涡轮流量传感器和压力水位传感器的连接方式详见图4和图5所示)、太阳能电池板、蓄电池、电源控制器等。

该测量系统100的主要工作原理可概述为：将山坡的产流直接引入等截面水箱，将产流的水存蓄在水箱中，水箱中水位上升，放置于水箱底部的压力水位传感器可以实时连续地测量水箱中的水深。然后利用液位控制器(包括如图2所示的水箱上部传感器、水箱下部传感器和水箱底部传感器)根据水箱中的水深情况控制水箱底部出水口处电磁阀(即出水口控制阀)，通过控制水箱出水口的开闭控制水箱的水位在固定的范围内变化，即当山坡产流的水持续进入水箱，使得水箱水位持续上升达到一定高度时(达到液位控制器水箱上部传感器，也即第二液位传感器)，液位控制器会自动打开水箱出水口处的电磁阀，开始放水，水箱中水位下降；当持续放水使得水箱水位下降到一定高度时(达到液位控制器水箱下部传感器，也即第一液位传感器)，液位控制器会自动关闭水箱出水口处的电磁阀，停止放水。在水箱放水过程中，水箱出水口处的涡轮流量传感器可以实时连续地测量放水时水箱出水口处的出流量，因为液位控制器水箱下部传感器在水箱出水口的上方，因而保证了水箱出水口始终处于水面以下，即通过涡轮流量传感器的是有压流，进而保证了其流量测量的精确性。进一步地，结合图4和图5所示，压力水位传感器和涡轮流量传感器与数据采集器连接，利用数据采集器采集和存储传感器实时连续测量得到的压力水位数据和流量数据。其中，液位控制器、电磁阀、压力水位传感器、涡轮流量传感器和数据采集器利用太阳能电池板和蓄电池联合供电，并通过太阳能电池板的电源控制器进行调节。进一步地，由于水箱的截面积一定，所以根据实时连续测量和记录得到的水箱水深的变化和水箱出水口的出流量，即可通过公式较为精确地计算出进入水箱的流量大小，也即是山坡产流的流量大小。

综上，根据本发明实施例的测量系统100，利用水箱对待测量的流量进行积蓄和调节。当流量较小时，利用水箱积蓄积少成多进行测量，通过测量水箱水深的变化测量流量；当流量较大时，利用液位控制器控制水箱的水位，有效防止了溢流情况的发生，通过测量水箱水深的变化和水箱出水口的出流量测量流量，以此实现扩大流量测量量程，保证小微流量测量精度的目的。进一步地，利用放置于水箱中的压力水位传感器，实时精确测量水箱中的水深变化过程；利用水箱出水口处的涡轮流量传感器实时精确测量放水时水箱出水口的出流量，两者相结合，保证在整个流量测量范围内，流量的测量都有较高的精度，且可以实现对产流量变化过程的测量，以此解决传统的集水池法和多孔分流法只能对某场降雨的山坡产流总量进行测量，无法实时连续地测量产流量的变化过程这一问题。利用设置于水箱中的液位控制器和设置于水箱出水口处的电磁阀，根据水箱水位控制出水口放水，对水箱中水位进行控制，以此解决传统的集水池法和多孔分流法容易出现溢流的问题。同时解决供电问题，利用数据采集器对数据进行采集和记录，实现了整套设备的电子化，有效地提高了山坡产流量测量过程中的自动化，使整套设备能够在野外长期持续地独立工作，进行实时连续测量和记录，有效地解决了传统的集水池法和多孔分流法自动化程度不高，需要在每场降雨后进行维护的问题。

因此，根据本发明实施例的大量程高精度自动产流量测量系统，能够在野外长期持续地独立工作，实时连续地测量和记录山坡产流量，具有较大的流量测量量程，而在小微流量的测量中又能够具有较高的精度。该测量系统主要应用于山坡降雨产流机制研究中的野外观测实验，实现了山坡产流量持续的实时高精度、全自动观测，为山坡降雨产流机制的研究提供了有效的实验观测支持，打下了坚实的基础。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种大量程高精度自动产流量测量系统，其特征在于，包括：

供电组件；

水箱，用于接收山坡的产流并存储所述产流的水；

与所述水箱相连的出水口和出水口控制阀；

设置在所述水箱内的压力水位传感器，用于检测所述水箱内的水位；

第一液位传感器，所述第一液位传感器设置在所述水箱的下部；

第二液位传感器，所述第二液位传感器设置在所述水箱的上部；

涡轮流量传感器，所述涡轮流量传感器设置在所述出水口；

控制器，所述控制器根据所述第一液位传感器和所述第二液位传感器对所述出水口控制阀进行控制；

数据采集器，用于自动采集并存储所述压力水位传感器和所述涡轮流量传感器的输出值，根据所述输出值进行流量测量和数据采集存储。

2.如权利要求1所述的大量程高精度自动产流量测量系统，其特征在于，所述供电组件包括电池和太阳能电池板。

3.如权利要求1所述的大量程高精度自动产流量测量系统，其特征在于，当所述第二液位传感器被触发时所述控制器控制所述出水口控制阀进行放水直至达到第一液位传感器检测的水位出水口控制阀关闭，放水停止。