CN108180951A - 一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置及控制方法，本发明装置包括闸门，所述闸门上安装有水位传感器、流速传感器、开度传感器、远程终端控制器、通信模块和电机，所述远程终端控制器的输出端与电机的输入端连接，所述远程终端控制器分别与水位传感器、流速传感器、开度传感器和通信模块相连接。本发明装置结构简单，施工方便，计量精度高，稳定性强，能通过水位传感器、开度传感器和流速传感器对灌区渠系水量进行计量，既能够实现对规则渠系断面的测量，也能够避免天然渠道截面变化带来的测量误差；而且本发明还能通过通信模块实现流量控制和信息传输等功能。本发明可广泛应用于灌区渠系中。

Description

一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置及控制方法

技术领域

本发明涉及测控技术领域，尤其涉及一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置及控制方法。

背景技术

近年来，随着水资源管理制度的实施和贯彻落实，取水计量作为地方取水总量控制的重要环节日益受到重视，取水计量的自动化、信息化及智能化建设成为当前水资源管理的首要内容和重要抓手，特别是2012年在全国范围内启动的国家水资源监控能力项目，对取水计量监测及信息化建设提出了更高的要求。按取水用途划分，取水可分农业取水和非农取水，非农取水一般采用管道取水方式，计量技术较为成熟，从数据采集、存储、发送、接受、系统解析及展示等，均形成了一套完整可靠稳定的系统。对于农业取水，特别是一些灌区，均采用人工或天然渠道作为输水通道，将灌溉用水输送到各个需水单元。常规的计量渠道水量方式，是采用现场测量水位组合渠系固定的水位流量关系来推算，采用超声波或雷达等方式测量现场的水位，然后通过率定好的水位流量关系来推算流量；另外，还有采用巴歇尔槽进行明渠流量测量，也属于由水位到流量的方式。以上方式均存在不足，表现为：①水位流量关系的不稳定，天然状态下渠系的下垫面变化、渠系截面形态的变化等均对水位流量关系造成一定的影响；②部分有闸控制渠系，存在槽蓄作用，灌溉用水存储在渠系中，因此会出现有水位而无流量的工况，从而造成计量误差；③无法实现对灌区各支斗毛农渠灌水量的控制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种稳定性较高，且用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置及控制方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置，包括闸门，所述闸门上安装有水位传感器、流速传感器、开度传感器、远程终端控制器、通信模块和电机，所述远程终端控制器的输出端与电机的输入端连接，所述远程终端控制器分别与水位传感器、流速传感器、开度传感器和通信模块相连接。

作为所述的一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置的进一步改进，还包括有太阳能板，所述太阳能板的输出端与远程终端控制器的电源输入端连接。

作为所述的一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置的进一步改进，所述远程终端控制器包括微处理器、时钟电路、存储器和电源模块，所述太阳能板的输出端通过电源模块进而与微处理器的电源输入端连接，所述微处理器分别与存储器、时钟电路、水位传感器、流速传感器、开度传感器和通信模块相连接，所述微处理器的第一输出端与电机的输入端连接。

作为所述的一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置的进一步改进，所述微处理器的第二输出端还连接有显示器，所述微处理器的输入端连接有按键模块。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种利用所述的测控一体化装置的控制方法，包括测量模式和控流模式；

所述测量模式具体包括：

通过水位传感器和开度传感器，测量得到闸门水位和闸板开度；

根据水闸水位和闸板开度，判断当前的出流状态；

根据当前的出流状态，计算得到过流流量；

所述控流模式具体包括：

通过水位传感器和开度传感器，测量得到闸门水位和闸板开度；

根据水闸水位和闸板开度，判断当前的出流状态；

当出流状态为孔口出流状态时，则检测闸门上游水位，并根据需要控制的过流流量、闸门流量公式和孔口流量系数公式，计算得到闸门下游水位，进而控制下游闸门；

根据闸门下游水位、闸门流量公式和孔口流量系数公式，计算闸门上游水位，并控制上游闸门。

作为所述控制方法的进一步改进，所述的根据当前的出流状态，计算得到过流流量，这一步骤具体包括：

若出流状态为自由出流状态，则检测闸门上游水位，并通过闸门流量公式和自由流量系数公式计算过流流量；

若出流状态为孔口出流状态，则检测闸门上游水位和闸门下游水位，并通过闸门流量公式和孔口流量系数公式计算过流流量。

作为所述控制方法的进一步改进，所述闸门流量公式为：

所述自由流量系数公式为：

其中，Q为过流流量，μ为流量系数，e为闸孔开度，b为闸门宽度，H为闸门上游水位，g为重力加速度。

作为所述控制方法的进一步改进，所述闸门流量公式为：

所述孔口流量系数公式为：

其中，Q为过流流量，μ为流量系数，e为闸孔开度，b为闸门宽度，H为闸门上游水位，h为闸门下游水位，g为重力加速度。

本发明的有益效果是：

本发明一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置及控制方法，装置结构简单，施工方便，计量精度高，稳定性强，能通过水位传感器、开度传感器和流速传感器对灌区渠系水量进行计量，既能够实现对规则渠系断面的测量，也能够避免天然渠道截面变化带来的测量误差；而且本发明还能通过通信模块实现流量控制和信息传输等功能。

附图说明

图1是本发明一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置的结构示意图；

图2是本发明一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置中的原理方框图；

图3是本发明一种利用测控一体化装置的控制方法中测量模式的步骤流程图；

图4是本发明一种利用测控一体化装置的控制方法中控流模式的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参考图1和图2，本发明一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置，包括闸门1，所述闸门1上安装有水位传感器2、流速传感器3、开度传感器4、远程终端控制器5、通信模块6和电机7，所述远程终端控制器5的输出端与电机7的输入端连接，所述远程终端控制器5分别与水位传感器2、流速传感器3、开度传感器4和通信模块6相连接。

进一步作为优选的实施方式，还包括有太阳能板8，所述太阳能板8的输出端与远程终端控制器5的电源输入端连接。

进一步作为优选的实施方式，所述远程终端控制器5包括微处理器、时钟电路、存储器和电源模块，所述太阳能板8的输出端通过电源模块进而与微处理器的电源输入端连接，所述微处理器分别与存储器、时钟电路、水位传感器2、流速传感器3、开度传感器4和通信模块6相连接，所述微处理器的第一输出端与电机7的输入端连接。

进一步作为优选的实施方式，所述微处理器的第二输出端还连接有显示器，所述微处理器的输入端连接有按键模块。

本发明实施例中，所述通信模块6为GPRS无线通信模块，所述闸门1的宽度为0.5m，高度为0.6m，本实施例可通过水位传感器2和流速传感器3检测当前经过闸门1的水流情况，并通过开度传感器4和电机7检测控制闸门1的开度，实现对闸门1水流流量的精确调节控制。而且水位传感器2、流速传感器3和开度传感器4检测得到的信息可通过GPRS无线通信模块传输至调度中心服务器中，方便调度中心的工作人员随时监控闸门1的水流情况。

参考图3和图4，本发明一种利用所述的测控一体化装置的控制方法，包括测量模式和控流模式；

所述测量模式具体包括：

通过水位传感器2和开度传感器4，测量得到闸门1水位和闸板开度；

根据水闸水位和闸板开度，判断当前的出流状态；

根据当前的出流状态，计算得到过流流量；

所述控流模式具体包括：

通过水位传感器2和开度传感器4，测量得到闸门1水位和闸板开度；

根据水闸水位和闸板开度，判断当前的出流状态；

当出流状态为孔口出流状态时，则检测闸门1上游水位，并根据需要控制的过流流量、闸门1流量公式和孔口流量系数公式，计算得到闸门1下游水位，进而发送闸门1下游水位指令，操纵下游闸门1，并通过实时反馈的闸门1下游的水位值来控制闸门1，最终使得下游的水位接近计算得到的闸门1下游水位；

根据闸门1下游水位、闸门1流量公式和孔口流量系数公式，计算闸门1上游水位，并发送闸门1上游水位指令，操纵上游闸门1，并通过实时反馈的闸门1上游的水位值来控制上游闸门1，最终使得上游的水位接近计算得到的闸门1上游水位；若实测的流量与需要控制的过流流量、不符，则重复上述步骤的操作，最终达到上下游水位符合要求。

其中，本发明中，若出流状态非孔口出流，则无法实现控流；只有当出流状态为孔口出流状态时才能实现控流模式功能。

进一步作为优选的实施方式，所述的根据当前的出流状态，计算得到过流流量，这一步骤具体包括：

若出流状态为自由出流状态，则检测闸门1上游水位，并通过闸门1流量公式和自由流量系数公式计算过流流量；

若出流状态为孔口出流状态，则检测闸门1上游水位和闸门1下游水位，并通过闸门1流量公式和孔口流量系数公式计算过流流量。

进一步作为优选的实施方式，所述闸门1流量公式为：

所述自由流量系数公式为：

其中，Q为过流流量，μ为流量系数，e为闸孔开度，b为闸门1宽度，H为闸门1上游水位，g为重力加速度。

进一步作为优选的实施方式，所述闸门1流量公式为：

所述孔口流量系数公式为：

其中，Q为过流流量，μ为流量系数，e为闸孔开度，b为闸门1宽度，H为闸门1上游水位，h为闸门1下游水位，g为重力加速度。

本发明实施例中，所述自由出流状态是指水流无压状态下通过闸门1，而未受闸门1约束；所述孔口出流状态是指渠系过流受到闸门1的约束。这种状态下，即使在同一流量下，不同会存在不同上下游水位的工况，因此，流量与上下游水位均有一定的关系。在计算前，可通过流速传感器3检测过闸水流的表面流速，流速大于0.02m/s，上述流量计算成立；若流速小于0.02m/s，则判断水位静止状态，流量确定为0。

从上述内容可知，本发明装置结构简单，施工方便，计量精度高，稳定性强，能通过水位传感器2、开度传感器4和流速传感器3对灌区渠系水量进行计量，既能够实现对规则渠系断面的测量，也能够避免天然渠道截面变化带来的测量误差；而且本发明还能通过通信模块6实现流量控制和信息传输等功能。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置，其特征在于：包括闸门，所述闸门上安装有水位传感器、流速传感器、开度传感器、远程终端控制器、通信模块和电机，所述远程终端控制器的输出端与电机的输入端连接，所述远程终端控制器分别与水位传感器、流速传感器、开度传感器和通信模块相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置，其特征在于：还包括有太阳能板，所述太阳能板的输出端与远程终端控制器的电源输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置，其特征在于：所述远程终端控制器包括微处理器、时钟电路、存储器和电源模块，所述太阳能板的输出端通过电源模块进而与微处理器的电源输入端连接，所述微处理器分别与存储器、时钟电路、水位传感器、流速传感器、开度传感器和通信模块相连接，所述微处理器的第一输出端与电机的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于灌区渠系水量计量的测控一体化装置，其特征在于：所述微处理器的第二输出端还连接有显示器，所述微处理器的输入端连接有按键模块。

5.一种利用权利要求1所述的测控一体化装置的控制方法，其特征在于，包括测量模式和控流模式；

所述测量模式具体包括：

通过水位传感器和开度传感器，测量得到闸门水位和闸板开度；

根据水闸水位和闸板开度，判断当前的出流状态；

根据当前的出流状态，计算得到过流流量；

所述控流模式具体包括：

通过水位传感器和开度传感器，测量得到闸门水位和闸板开度；

根据水闸水位和闸板开度，判断当前的出流状态；

当出流状态为孔口出流状态时，则检测闸门上游水位，并根据需要控制的过流流量、闸门流量公式和孔口流量系数公式，计算得到闸门下游水位，进而控制下游闸门；

根据闸门下游水位、闸门流量公式和孔口流量系数公式，计算闸门上游水位，并控制上游闸门。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述的根据当前的出流状态，计算得到过流流量，这一步骤具体包括：

若出流状态为自由出流状态，则检测闸门上游水位，并通过闸门流量公式和自由流量系数公式计算过流流量；

若出流状态为孔口出流状态，则检测闸门上游水位和闸门下游水位，并通过闸门流量公式和孔口流量系数公式计算过流流量。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述闸门流量公式为：

所述自由流量系数公式为：

其中，Q为过流流量，μ为流量系数，e为闸孔开度，b为闸门宽度，H为闸门上游水位，g为重力加速度。

8.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于：所述闸门流量公式为：

所述孔口流量系数公式为：

其中，Q为过流流量，μ为流量系数，e为闸孔开度，b为闸门宽度，H为闸门上游水位，h为闸门下游水位，g为重力加速度。