CN108387277A - 灌区一体化水位流量无线测量方法及装置 - Google Patents

灌区一体化水位流量无线测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种灌区一体化水位流量无线测量方法及装置，计算简单、快速、精确。流量计算方法包括：基于流速面积法，确定多组水位、流量测验数据；基于水位、流量测验数据，确定水位流量二次多项式关系曲线；基于二次多项式关系曲线，计算河(渠)流量值。一体化流量无线测量装置，包括：测量筒、固定支架、控制箱、浮子式水位计、远程无线测量终端。通过河(渠)内的有限个水位、流量测验数据推算水位流量关系曲线，通过直接测量水位推算实时流量值，并以无线方式发送至远程接收端，测量过程简单，不依赖于河(渠)道环境因素，工程实施方便，测流精度及效率高。

Description

灌区一体化水位流量无线测量方法及装置
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，涉及一种灌区一体化水位流量无线测量方法及装置。
背景技术
在水文水利自动化领域，往往需要对水文信息进行采集和远程传输，这些信息包括水位、流量、雨量等，通常需要建设水文监测站，一般由传感器、数据采集器、远程通信装置、电源装置组成。而灌区流量信息的测量通常需要专用的流量测量仪器，其建设成本较高。采用水位流量关系法测流是一种简单实用的流量测量方法，在许多河(渠)测流中使用。
传统的水位流量关系法测流需要对河(渠)水位流量关系模型建模，基于水位、流量测验数据，采用拟合方法建立关系模型，通过获取可以直接测量的水位数据，间接的计算流量值。传统水位流量关系建模精度依赖于水位、流量测验数据，往往需要尽可能多的获取测验值，以提高拟合精度。
然而，每一组水位、流量测验值的获得都需要保持水流关系平稳，灌区河(渠)水流关系是不断变化的，从稳定流态变化到另一种稳定流态的过渡过程缓慢，测验时间周期长；有些灌区引水方式为水泵开关控制，仅能获得少数水位下的流量测验值，测验值很难平均分布到整个水位(流量)的量程内，泛化能力低。
所以足够多的水位、流量测验值的获得存在客观难度，需要耗费更多的时间和人工成本，为了解决这些问题，需要寻求一种测流方法，保证测量精度的同时，提高工程实践效率。另外，由于灌区地处偏远地区，在进行测量站建设时，需要考虑到测站通信方式、测站安装建设难度等问题。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种灌区一体化水位流量无线测量方法及装置，能够简单、快速、精确的测量河(渠)流量。
为了实现上述目的，本发明所设计的灌区一体化水位流量无线测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
s1基于流速面积法，确定多组水位、流量测验数据；
s2基于水位、流量测验数据，确定水位流量二次多项式关系曲线；
s3基于二次多项式关系曲线，计算河(渠)流量值。
进一步地，所述步骤s1的具体过程为：
s11将断面分为多个子断面施测水位、流速值；
s12利用计算流量测验值；其中q为施测流量值，n为子断面数量，vi为第i个子断面平均流速，si为第i个子断面面积。
s13选择高水位、中水位、低水位3种稳定流态，按照上述步骤分别重复施测k次，按照下式计算水位、流量测验值：
其中，hi和qi为第i次重复施测的水位、流量值，Hj和Qj为第j种稳定流态下的水位、流量测验值。
更进一步地，所述步骤s2的具体过程包括：
s21以Q＝a+bH+cH2作为水位流量关系模型，建立如下的三元一次方程组：
Qj＝a+bHj+cHj 2，j＝1，2，3
s22将Hj和Qj带入三元一次方程组，解出未知参数a、b、c。
更进一步地，所述步骤s3的具体过程包括：
s31测量3次实时水位值为Hi，i＝1、2、3，并求水位平均值
s32根据下式计算实时流量值：
本发明还设计了一种灌区一体化水位流量无线测量装置，其特殊之处在于：
包括集成一体的浮子式水位计和远程无线测量终端，所述浮子式水位计用于河(渠)断面水位数据实时采集，所述远程无线测量终端基于权利要求1中的步骤s1、步骤s2和步骤s3计算河(渠)流量值并与远程接收端通讯。
进一步地，所述浮子式水位计安装在控制箱内，所述控制箱安装在测量筒顶部，所述测量筒由固定支架安装于河(渠)道上。
进一步地，所述浮子式水位计与远程无线测量终端之间采用有线传输，所述远程无线测量终端与远程接收端采用无线通讯。
进一步地，所述远程无线测量终端还括液晶显示屏、按键电路，用于对水位流量关系模型参数及水文上报时间进行初始化设置。
更进一步地，所述远程无线测量终端包括主控制器、串口通信电路、液晶显示屏、按键电路、无线传输模块和水位编码器，
所述无线传输模块通过串口电路与主控制器连接，用于将水位流量数据以无线方式发送至远程接收端；所述水位编码器也通过串口电路与主控制器连接，用于将水位数据传输到主控制器；所述液晶显示屏、按键电路与主控制器连接；
所述主控制器用于基于步骤s1、步骤s2和步骤s3计算河(渠)流量值。
再进一步地，所述主控制器为单片机，所述无线通信模块选用ZigBee或GPRS模块。
本发明的优点在于：
通过获取有限个水位、流量测验数据，来确定水位流量关系模型，通过一体化无线测量装置，直接测量实时水位值，推算河(渠)道实时流量，以无线方式发送至远程接收端。该过程简单，不依赖于河(渠)道环境因素，工程实施方便，测流精度及效率高。
附图说明
图1是本发明灌区一体化水位流量无线测量装置的流量计算方法流程图。
图2为本发明灌区一体化水位流量无线测量装置结构示意图。
图3为本发明灌区一体化水位流量无线测量装置的无线测量终端电路框图。
图2中：测量筒1、固定支架2、浮子式水位计3、控制箱4、远程无线测量终端5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示的一种灌区一体化水位流量无线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1基于流速面积法，确定多组水位、流量测验数据，具体分为以下几个步骤：
s11.将断面分为多个子断面施测水位、流速值；
s12.利用计算流量测验值；其中q为施测流量值，n为子断面数量，vi为第i个子断面平均流速，si为第i个子断面面积。通常，vi是根据s11中的实测流速值计算获得，si根据s11中实测水位值计算获得，n为水工行业的标准，根据河(渠)道断面大小选择n值。
S13.选择高水位、中水位、低水位3种稳定流态，按照上述步骤分别重复施测k次，按照下式计算水位、流量测验值：
其中，K≥2。
其中，hi和qi为第i次重复施测的水位、流量值，Hj和Qj为第j种稳定流态下的水位、流量测验值。水位、流量测验结果如表1所示。
表1水位、流量测验结果
s2基于水位、流量测验数据，确定水位流量二次多项式关系曲线，具体分为以下几个步骤：
s21.以Q＝a+bH+cH2作为水位流量关系模型，建立如下的三元一次方程组：
Qj＝a+bHj+cHj 2，j＝1、2、3
s22.将Hj和Qj带入三元一次方程组，解出未知参数a、b、c。求解结果为a＝-0.46，b＝1.33，c＝0.37。
s3基于二次多项式关系曲线，计算河(渠)流量值，具体分为以下几个步骤：
s31.测量3次实时水位值为Hi，i＝1、2、3，并求水位平均值
s32.根据下式计算实时流量值：
如图2所示，本发明设计的一种灌区一体化水位流量无线测量装置，包括集成一体的测量筒1、固定支架2、浮子式水位计3、控制箱4和远程无线测量终端5；测量筒1通过支架安装于河(渠)道上，测量筒1高出河(渠)道0.5米；控制箱4置于测量筒1顶部，起到外壳保护作用；浮子式水位计3固定于控制箱4内，其测绳绕过测轮，一端连接浮子，另一端连接重物，输出浮子位移信号至远程无线测量终端5；远程无线测量终端5根据测量的实时水位数据，基于上述步骤s1、步骤s2和步骤s3计算河(渠)流量值。浮子式水位计通过有线方式与远程无线测量终端连接，一般采用RS485有线传输方式，远程无线测量终端与远程接收端之间采用无线方式传输。远程接收端用于水位、流量数据的接收、处理及存储。
如图3所示的远程无线测量终端框图，包括主控制器、串口通信电路、液晶显示屏、按键电路、无线传输模块和水位编码器。
主控制器为单片机，在本实施例中单片机采用低功耗的STM32单片机，具有速度快、可靠性高、功耗低、价格低等优点，主控制器用于基于步骤s1、步骤s2和步骤s3计算河(渠)流量值；
无线传输模块和水位编码器通过串口通信电路与主控制器连接。无线通信模块选用ZigBee或GPRS模块，用于将水位流量数据以无线方式发送至远程接收端；
液晶显示屏、按键电路与主控制器连接，用于水位流量关系模型参数a、b、c的初始化设置和水文数据上报时间初始化设置等。
远程无线测量终端获取3次水位编码值，并计算对应流量值；并将水位、流量数据，通过无线方式发送至远程接收端。
本发明提出的一种灌区一体化水位流量无线测量方法及装置，通过获取有限个水位、流量测验数据，来确定水位流量关系模型，通过一体化无线测量装置，直接测量实时水位值，推算河(渠)道实时流量，以无线方式发送至远程接收端。该过程简单，不依赖于河(渠)道环境因素，工程实施方便，测流精度及效率高。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种灌区一体化水位流量无线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1 基于流速面积法，确定多组水位、流量测验数据；
s2 基于水位、流量测验数据，确定水位流量二次多项式关系曲线；
s3 基于二次多项式关系曲线，计算河(渠)流量值。
2.根据权利要求1所述的灌区一体化水位流量无线测量方法，其特征在于：所述步骤s1的具体过程为：
s11 将断面分为多个子断面施测水位、流速值；
s12 利用计算流量测验值；其中q为施测流量值，n为子断面数量，vi为第i个子断面平均流速，si为第i个子断面面积；
s13 选择高水位、中水位、低水位3种稳定流态，按照上述步骤分别重复施测k次，按照下式计算水位、流量测验值：
其中，hi和qi为第i次重复施测的水位、流量值，Hj和Qj为第j种稳定流态下的水位、流量测验值。
3.根据权利要求1所述的灌区一体化水位流量无线测量方法，其特征在于：所述步骤s2的具体过程包括：
s21 以Q＝a+bH+cH2作为水位流量关系模型，建立如下的三元一次方程组：
Qj＝a+bHj+cHj 2，j＝1，2，3
s22 将Hj和Qj带入三元一次方程组，解出未知参数a、b、c。
4.根据权利要求1所述的灌区一体化水位流量无线测量方法，其特征在于：所述步骤s3的具体过程包括：
s31 测量3次实时水位值为Hi，i＝1、2、3，并求水位平均值
s32 根据下式计算实时流量值：
5.一种灌区一体化水位流量无线测量装置，其特征在于：
包括集成一体的浮子式水位计和远程无线测量终端，所述浮子式水位计用于河(渠)断面水位数据实时采集，所述远程无线测量终端基于权利要求1中的步骤s1、步骤s2和步骤s3计算河(渠)流量值并与远程接收端通讯。
6.根据权利要求5所述的灌区一体化水位流量无线测量装置，其特征在于：所述浮子式水位计安装在控制箱内，所述控制箱安装在测量筒顶部，所述测量筒由固定支架安装于河(渠)道上。
7.根据权利要求5所述的灌区一体化水位流量无线测量装置，其特征在于：所述浮子式水位计与远程无线测量终端之间采用有线传输，所述远程无线测量终端与远程接收端采用无线通讯。
8.根据权利要求5所述的灌区一体化水位流量无线测量装置，其特征在于：所述远程无线测量终端还括液晶显示屏、按键电路，用于对水位流量关系模型参数及水文上报时间进行初始化设置。
9.根据权利要求5所述的灌区一体化水位流量无线测量装置，其特征在于：所述远程无线测量终端包括主控制器、串口通信电路、液晶显示屏、按键电路、无线传输模块和水位编码器，
所述无线传输模块通过串口电路与主控制器连接，用于将水位流量数据以无线方式发送至远程接收端；
所述水位编码器也通过串口电路与主控制器连接，将水位数据传输到主控制器；
所述液晶显示屏、按键电路与主控制器连接；
所述主控制器用于基于权利要求1中的步骤s1、步骤s2和步骤s3计算河(渠)流量值。
10.根据权利要求9所述的灌区一体化水位流量无线测量装置，其特征在于：所述主控制器为单片机，所述无线通信模块选用ZigBee或GPRS模块。
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