CN104568026A - 一种末级渠道流量测量的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种末级渠道流量测量的方法及装置，属于农业灌溉流量计量技术领域。技术方案是：压力传感器数量为两个，分别匹配布置在主管道（1）的两侧，压力传感器的输出端连接监测终端（3）；两个压力传感器在主管道上的取压点，方向相反；一个倾斜朝向主管道内的来水方向，另一个倾斜背向主管道内的来水方向；所述的监测终端包含单片机（6）、锂电池（7）、远程通讯模块（8）和射频通讯模块（9），射频通讯模块与移动通讯设备的射频通讯模块相匹配，远程通讯模块与远程的监控计算机相匹配。发明在田间的末级渠道进行连续自动流量监测，提高效率和测量准确性；可以解决“农业灌溉最后一公里计量”问题，达到节约用水效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种末级渠道流量测量的方法及装置，属于农业灌溉流量计量技术领域。
背景技术
当今的农业生产不再靠天吃饭，而是靠灌溉保丰收，用于把地表水引至田间的是渠道，由大大小小渠道构成的是渠系，按渠道截面的大小，由大到小的排序为：干渠、支渠、斗渠、末级渠，地表水从一条干渠分配给多条支渠，一条支渠分配给多条斗渠，一条斗渠分配给多条末级渠，渠系最末端的末级渠在田间地头，数量多、流量小、流速慢，是与用水农户计量收费的地方，但是，目前尚无理想的、廉价的水量计量产品，都是工作人员采用手持旋浆流量计，来到田间地头人工测量，效率低，准确性差，不能连续进行测量，也不便于进行自动监测和管理。
发明内容
本发明目的是提供一种末级渠道流量测量的方法及装置，在田间的末级渠道进行连续自动流量监测，提高效率和测量准确性，便于进行自动监测和管理，解决背景技术中存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种末级渠道流量测量装置，包含主管道、压力传感器和监测终端，压力传感器数量为两个，分别匹配布置在主管道的两侧，压力传感器的输出端连接监测终端。
两个压力传感器在主管道上的取压点，方向相反；一个倾斜朝向主管道内的来水方向，另一个倾斜背向主管道内的来水方向。
所述的监测终端包含单片机、锂电池、远程通讯模块和射频通讯模块，锂电池、远程通讯模块、射频通讯模块和两个压力传感器分别与单片机连接；射频通讯模块与移动通讯设备相匹配，远程通讯模块与远程的监控计算机相匹配。
所述主管道，为带有一个以上S型弯曲结构的管道，两个压力传感器在主管道上的取压点分别设置在主管道弯曲点相对应的内侧和外侧。
例如：所述主管道，为带有两个S型弯曲结构的管道，主管道整体呈V型结构，V型结构的弯曲点位于V型结构底部顶点，两个压力传感器在主管道上的取压点分别设置在主管道V型结构底部顶点相对应的内侧和外侧，也就是压力传感器的取压点匹配在主管道弯曲处的中间部位。
所述的压力传感器是数字绝压传感器。
在主管道两侧的取压点，分别设有压力管与取压点连通，压力传感器设置在压力管上部，取自主管道弯曲点内侧和外侧的压力，通过压力管引至压力传感器。压力管的最底部，低于压力管与取压点入口的连接处位置。
所述的压力管底部可以设有排污阀。在取压点与压力传感器之间的压力管壁上还设有单向阀，单向阀的一端与压力管连通，另一端匹配打气筒。
所述的射频通讯模块可以是：2.4G、433M、蓝牙、WIFI、ZIGBEE或通讯距离小于1KM的其他类型的无线通讯网络等。
所述的远程通讯模块可以是：无线公网或通讯距离不小于1KM的其他类型的无线通讯网络。
本发明所述的主管道、压力传感器、压力管、单片机、射频通讯模块、远程通讯模块和锂电池等均为市面上可见的公知技术，可以市场购买或按照功能要求自行组装。
一种末级渠道流量测量的方法，包括以下步骤：
①采用末级渠道流量测量装置进行，所述装置包含主管道、压力传感器和监测终端，压力传感器数量为两个，分别匹配布置在主管道的两侧，压力传感器的输出端连接监测终端；
两个压力传感器在主管道上的取压点，方向相反；一个倾斜朝向主管道内的来水方向，另一个倾斜背向主管道内的来水方向；
所述主管道，为带有一个以上S型弯曲结构的管道，两个压力传感器在主管道上的取压点分别设置在主管道弯曲点相对应的内侧和外侧；
所述的监测终端包含单片机、锂电池、远程通讯模块和射频通讯模块，锂电池、远程通讯模块、射频通讯模块和两个压力传感器分别与单片机连接；射频通讯模块与移动通讯设备的射频通讯模块相匹配，远程通讯模块与远程的监控计算机相匹配；
②将所述装置埋设在斗渠与末级渠之间，主管道的两端分别与斗渠和末级渠连通，斗渠与主管道连接处为入水口，末级渠与主管道连接处为出水口；在入水口设有闸板，当闸板闭合时末级渠中无水，需要灌溉时打开闸板，斗渠中的灌溉水经所述装置后流入末级渠；
③当水流经所述装置时，主管道中两侧的压力传感器将测得的压力信号传送到监测终端的单片机；由于主管道中两侧的压力传感器取压点分别为倾斜朝向来水和倾斜背向来水，通过流体力学的射流效应得知两个压力传感器的压力值会不同，即产生压差，压差值就是主管道内流速的函数；
为了增大压差值，以提高测量精度，主管道为带有一个以上S型弯曲结构的管道，并将两侧的压力传感器匹配在主管道的弯曲处；
④主管道两侧的压力传感器所检测到的压差值，不仅与流经主管道的水流速有关，还与水的密度有关，而灌溉水多种多样：如黄河水、水库水、洪水、地下水等，还分为春夏灌溉水和冬灌水；因此，对于不同的水源，需要分别率定出压差值与流速的关系，这里所述的率定，是指各流速下的压差值与流速的关系；
⑤将率定出的压差值与流速的关系，通过移动通讯设备与射频通讯模块匹配，输入到监测终端的单片机，单片机根据率定出的压差值与流速的关系，将两个压力传感器的压差值计算出流量，并由移动设备读取或经远程通讯模块上传到远程的监测计算机；
⑥所述单片机计算出流量，利用的是流速面积法；为保证输水面积，主管道内必须充满水；为此，所述装置的埋设深度应满足主管道内必须充满水的限定条件。
为了避免因为两侧压力传感器特性不一致而引起的误差从而导致无水情况下的流量误报，需要首先进行差压校准：堵住主管道两端，在主管道内注入的水位淹没取压点入口的情况下，此时主管道内有水，但流速为零，调整监测终端，使得两个压力传感器的输出相等，所检测到的压差值为零。
为方便现地埋设施工和维护，分别匹配在主管道两侧的压力传感器，可以通过无线方式连接监测终端。
所述装置还可以用于高流速的小渠道流量计量，并且，在高流速的情况下，流量计量精度会更高。
由于主管道两侧的压力传感器所处位置，具有相似的大气压力、相似的环境温度、相同的测量介质（灌溉水），各种影响因素（环境温度、介质密度、大气压力）对两个压力传感器作用相同，因此无需补偿；所以，本发明采用数字绝压传感器，高精度、小量程、低成本，降低了所述装置的整体制造成本。
在主管道两侧的取压点，分别设有压力管与取压点连通，压力传感器设置在压力管上部，取自主管道弯曲点内侧和外侧的压力，通过压力管引至压力传感器；压力管的底部低于压力管上与取压点连接的入口；因此，灌溉水中的气泡不易进入压力管，从而保证压力管中空气量不变化，也就保证了压力传感器所检测到的压差值的稳定，也就保证了测量精度。
本发明压力传感器取样点匹配在主管道的弯曲处的中间部位，其好处是：灌溉水中的部分泥沙沉积在主管道的底部，不易淤堵压力管的取压点入口。
在取压点与压力传感器之间的压力管壁上还设有单向阀，单向阀的一端与压力管连通，另一端匹配打气筒；万一压力管的取压点入口被泥沙淤堵，可利用打气筒将淤堵泥沙从压力管内顶出，从而实现清淤，同时保证了两侧压力管中的空气量相等。
所述的压力管底部设有排污阀，排污阀打开时，压力管底部的淤泥会从排污阀排除。
本发明的积极效果：在田间的末级渠道进行连续自动流量监测，提高效率和测量准确性；利用流体力学的射流效应，通过调整压力传感器的取压点朝向，改变压力引入角度，提高了低流速下的流量检测精度；由于主管道两侧的压力传感器所处于相似的大气压力、相似的环境温度、相同的测量介质（灌溉水），因此采用了高精度、低成本的数字绝压传感器，由于各种影响因素（环境温度、介质密度、大气压力）对两个压力传感器作用相同，因此无需补偿，进一步降低了成本。本发明可以实现小流量、低流速下的农业灌溉流量计量，解决“农业灌溉最后一公里计量”问题，达到节约用水效果，具有较好的社会效益。
附图说明
图1是本发明实施例示意图；
图2是本发明实施例监测终端结构示意图；
图3是本发明实施例一的主管道结构示意图；
图4是本发明实施例二的主管道结构示意图；
图中：主管道1、压力传感器一2、监测终端3、内侧压力管4、单向阀5、单片机6、锂电池7、远程通讯模块8、射频通讯模块9、取压点入口10、压力传感器二11、电缆12、水流方向13、外侧压力管14、S型弯曲结构15、V型结构16、排污阀17。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
一种末级渠道流量测量装置，包含主管道1、压力传感器和监测终端3，压力传感器数量为两个，分别匹配布置在主管道的两侧，压力传感器的输出端连接监测终端。
两个压力传感器在主管道上的取压点，方向相反；一个倾斜朝向主管道内的来水方向，另一个倾斜背向主管道内的来水方向。
所述的监测终端包含单片机6、锂电池7、远程通讯模块8和射频通讯模块9，锂电池、远程通讯模块、射频通讯模块和两个压力传感器分别与单片机连接；射频通讯模块与移动通讯设备的射频通讯模块相匹配，远程通讯模块与远程的监控计算机相匹配。
所述主管道，为带有一个以上S型弯曲结构的管道，两个压力传感器在主管道上的取压点分别设置在主管道弯曲点相对应的内侧和外侧。
实施例一，参照附图1、2、3，所述主管道1，为带有一个S型弯曲结构15的管道，两个压力传感器在主管道上的取压点分别设置在主管道弯曲点相对应的内侧和外侧；在主管道两侧的取压点，分别设有压力管与取压点连通，两个压力管分别是内侧压力管4和外侧压力管14，两个压力传感器分别为压力传感器一2和压力传感器二11，压力传感器一2匹配内侧压力管4，压力传感器二11匹配外侧压力管14；取自主管道弯曲点内侧和外侧的压力，分别通过内侧压力管引至压力传感器一，外侧压力管引至压力传感器二。
实施例二，参照附图1、2、4，所述主管道1，为带有两个S型弯曲结构的管道，主管道整体呈V型结构16，V型结构的弯曲点位于V型结构底部顶点，两个压力传感器在主管道上的取压点分别设置在主管道V型结构底部顶点相对应的内侧和外侧，也就是压力传感器的取压点匹配在主管道弯曲处的中间部位。在主管道两侧的取压点，分别设有压力管与取压点连通，两个压力管分别是内侧压力管4和外侧压力管14，两个压力传感器分别为压力传感器一2和压力传感器二11，压力传感器一2匹配内侧压力管4，压力传感器二11匹配外侧压力管14；取自主管道弯曲点内侧和外侧的压力，分别通过内侧压力管引至压力传感器一，外侧压力管引至压力传感器二。
所述的压力传感器是数字绝压传感器。
所述的压力管底部设有排污阀17。在取压点与压力传感器之间的压力管壁上还设有单向阀5，单向阀的一端与压力管连通，另一端匹配打气筒。
所述的射频通讯模块可以是：2.4G、433M、蓝牙、WIFI、ZIGBEE或通讯距离小于1KM的其他类型的无线通讯网络等。
所述的远程通讯模块可以是：无线公网或通讯距离不小于1KM的其他类型的无线通讯网络。
一种末级渠道流量测量的方法，包括以下步骤：
①采用末级渠道流量测量装置进行，所述装置包含主管道1、压力传感器和监测终端3，压力传感器数量为两个，分别匹配布置在主管道的两侧，压力传感器的输出端连接监测终端；
两个压力传感器在主管道上的取压点，方向相反；一个倾斜朝向主管道内的来水方向，另一个倾斜背向主管道内的来水方向；
所述主管道，为带有一个以上S型弯曲结构15的管道，两个压力传感器在主管道上的取压点分别设置在主管道弯曲点相对应的内侧和外侧；
所述的监测终端包含单片机6、锂电池7、远程通讯模块8和射频通讯模块9，锂电池、远程通讯模块、射频通讯模块和两个压力传感器分别与单片机连接；射频通讯模块与移动通讯设备的射频通讯模块相匹配，远程通讯模块与远程的监控计算机相匹配；
②将所述装置埋设在斗渠与末级渠之间，主管道的两端分别与斗渠和末级渠连通，斗渠与主管道连接处为入水口，末级渠与主管道连接处为出水口；在入水口设有闸板，当闸板闭合时末级渠中无水，需要灌溉时打开闸板，斗渠中的灌溉水经所述装置后流入末级渠；
③当水流经所述装置时，主管道中两侧的压力传感器将测得的压力信号传送到监测终端的单片机；由于主管道中两侧的压力传感器取压点分别为倾斜朝向来水和倾斜背向来水，通过流体力学的射流效应得知两个压力传感器的压力值会不同，即产生压差，压差值就是主管道内流速的函数；
为了增大压差值，以提高测量精度，主管道为带有一个以上S型弯曲结构的管道，并将两侧的压力传感器匹配在主管道的弯曲处；
④主管道两侧的压力传感器所检测到的压差值，不仅与流经主管道的水流速有关，还与水的密度有关，而灌溉水多种多样：如黄河水、水库水、洪水、地下水等，还分为春夏灌溉水和冬灌水；因此，对于不同的水源，需要分别率定出压差值与流速的关系，这里所述的率定，是指各流速下的压差值与流速的关系；
⑤将率定出的压差值与流速的关系，通过移动通讯设备与射频通讯模块匹配，输入到监测终端的单片机，单片机根据率定出的压差值与流速的关系，将两个压力传感器的压差值计算出流量，并由移动设备读取或经远程通讯模块上传到远程的监测计算机；
⑥所述单片机计算出流量，利用的是流速面积法；为保证输水面积，主管道内必须充满水；为此，所述装置的埋设深度应满足主管道内必须充满水的限定条件。
为了避免因为两侧压力传感器特性不一致而引起的误差从而导致无水情况下的流量误报，需要首先进行差压校准：堵住主管道两端，在主管道内注入的水位淹没取压点入口的情况下，此时主管道内有水，但流速为零，调整监测终端，使得两个压力传感器的输出相等，所检测到的压差值为零。
为方便现地埋设施工和维护，分别匹配在主管道两侧的压力传感器，可以通过无线方式连接监测终端。
所述装置还可以用于高流速的小渠道流量计量，并且，在高流速的情况下，流量计量精度会更高。
由于主管道两侧的压力传感器所处位置，具有相似的大气压力、相似的环境温度、相同的测量介质（灌溉水），各种影响因素（环境温度、介质密度、大气压力）对两个压力传感器作用相同，因此无需补偿；所以，本发明采用数字绝压传感器，高精度、小量程、低成本，降低了所述装置的整体制造成本。
在主管道两侧的取压点，分别设有压力管与取压点连通，压力传感器设置在压力管上部，取自主管道弯曲点内侧和外侧的压力，通过压力管引至压力传感器；压力管的底部低于压力管上与取压点连接的入口；因此，灌溉水中的气泡不易进入压力管，从而保证压力管中空气量不变化，也就保证了压力传感器所检测到的压差值的稳定，也就保证了测量精度。
本发明压力传感器取样点匹配在主管道的弯曲处的中间部位，其好处是：灌溉水中的部分泥沙沉积在主管道的底部，不易淤堵压力管的取压点入口。
在取压点与压力传感器之间的压力管壁上还设有单向阀，单向阀的一端与压力管连通，另一端匹配打气筒；万一压力管的取压点入口被泥沙淤堵，可利用打气筒将淤堵泥沙从压力管内顶出，从而实现清淤，同时保证了两侧压力管中的空气量相等。
所述的压力管底部设有排污阀，排污阀打开时，压力管底部的淤泥会从排污阀排除。
Claims (10)
1.一种末级渠道流量测量装置，其特征在于：包含主管道（1）、压力传感器和监测终端（3），压力传感器数量为两个，分别为压力传感器一（2）和压力传感器二（11），两个压力传感器分别匹配布置在主管道的两侧，压力传感器的输出端连接监测终端；
两个压力传感器在主管道上的取压点，方向相反；一个倾斜朝向主管道内的来水方向，另一个倾斜背向主管道内的来水方向；
所述的监测终端包含单片机（6）、锂电池（7）、远程通讯模块（8）和射频通讯模块（9），锂电池、远程通讯模块、射频通讯模块和两个压力传感器分别与单片机连接；射频通讯模块与移动通讯设备相匹配，远程通讯模块与远程的监控计算机相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种末级渠道流量测量装置，其特征在于：所述主管道，为带有一个以上S型弯曲结构的管道，两个压力传感器在主管道上的取压点分别设置在主管道弯曲点相对应的内侧和外侧。
3.根据权利要求1或2所述的一种末级渠道流量测量装置，其特征在于：所述的压力传感器是数字绝压传感器。
4.根据权利要求1或3所述的一种末级渠道流量测量装置，其特征在于：在主管道两侧的取压点，分别设有压力管与取压点连通，压力传感器设置在压力管上部，取自主管道弯曲点内侧和外侧的压力，通过压力管引至压力传感器。
5.根据权利要求4所述的一种末级渠道流量测量装置，其特征在于：压力管的最底部，低于压力管与取压点入口的连接处位置；所述的压力管底部设有排污阀（17）；
在取压点与压力传感器之间的压力管壁上还设有单向阀（5），单向阀的一端与压力管连通。
6.根据权利要求1所述的一种末级渠道流量测量装置，其特征在于所述的射频通讯模块可以是：2.4G、433M、蓝牙、WIFI、ZIGBEE或通讯距离小于1KM的其他类型的无线通讯网络；
所述的远程通讯模块可以是：无线公网或通讯距离不小于1KM的其他类型的无线通讯网络。
7.一种末级渠道流量测量的方法，其特征在于包括以下步骤：
①采用末级渠道流量测量装置进行，所述装置包含主管道（1）、压力传感器和监测终端（3），压力传感器数量为两个，分别匹配布置在主管道的两侧，压力传感器的输出端连接监测终端；
两个压力传感器在主管道上的取压点，方向相反；一个倾斜朝向主管道内的来水方向，另一个倾斜背向主管道内的来水方向；
所述主管道，为带有一个以上S型弯曲结构（15）的管道，两个压力传感器在主管道上的取压点分别设置在主管道弯曲点相对应的内侧和外侧；
所述的监测终端包含单片机（6）、锂电池（7）、远程通讯模块（8）和射频通讯模块（9），锂电池、远程通讯模块、射频通讯模块和两个压力传感器分别与单片机连接；射频通讯模块与移动通讯设备相匹配，远程通讯模块与远程的监控计算机相匹配；
②将所述装置埋设在斗渠与末级渠之间，主管道的两端分别与斗渠和末级渠连通，斗渠与主管道连接处为入水口，末级渠与主管道连接处为出水口；
③当水流经所述装置时，主管道中两侧的压力传感器将测得的压力信号传送到监测终端的单片机；由于主管道中两侧的压力传感器取压点分别为倾斜朝向来水和倾斜背向来水，通过流体力学的射流效应得知两个压力传感器的压力值会不同，即产生压差，压差值就是主管道内流速的函数；
④主管道两侧的压力传感器所检测到的压差值，不仅与流经主管道的水流速有关，还与水的密度有关，对于不同的水源，需要分别率定出压差值与流速的关系，这里所述的率定，是指各流速下的压差值与流速的关系；
⑤将率定出的压差值与流速的关系，通过移动通讯设备与射频通讯模块匹配，输入到监测终端的单片机，单片机根据率定出的压差值与流速的关系，将两个压力传感器的压差值计算出流量，并由移动设备读取或经远程通讯模块上传到远程的监测计算机；
⑥所述单片机计算出流量，利用的是流速面积法；为保证输水面积，主管道内必须充满水；为此，所述装置的埋设深度应满足主管道内必须充满水的限定条件。
8.根据权利要求7所述的一种末级渠道流量测量的方法，其特征在于：需要首先进行差压校准：堵住主管道两端，在主管道内注入的水位淹没取压点入口的情况下，此时主管道内有水，但流速为零，调整监测终端，使得两个压力传感器的输出相等，所检测到的压差值为零。
9.根据权利要求7所述的一种末级渠道流量测量的方法，其特征在于：在入水口设有闸板，当闸板闭合时末级渠中无水，需要灌溉时打开闸板，斗渠中的灌溉水经所述装置后流入末级渠。
10.根据权利要求8所述的一种末级渠道流量测量的方法，其特征在于：分别匹配在主管道两侧的压力传感器，通过无线方式连接监测终端。
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|---|---|
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