CN109115289A - 一种明渠流量测量系统、方法及流量计修正装置 - Google Patents

一种明渠流量测量系统、方法及流量计修正装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种明渠流量测量系统、方法及流量计修正装置，其中流量测量系统包括：换能器，水位计，超声波泥位计以及测量主机；多对所述换能器分布于水体多个层面，用于测量不同层面水体流速；所述超声波泥位计安装于水面以下，并且其安装位置距离渠道底部的高度可调，用于测量淤泥厚度；所述测量主机排除所述淤泥厚度的影响，计算每层水体的瞬时流量、明渠总瞬时流量及总流量。使用本发明的流量测量方法，可以精确测量每层水体的瞬时流量，消除渠底淤泥对测量精度的影响，获得更精准的流量数据。

Description

一种明渠流量测量系统、方法及流量计修正装置
技术领域
本发明涉及民用水利领域，更具体地，涉及一种明渠流量测量系统、明渠流量测量方法及流量计修正装置。
背景技术
随着城市的扩张、农业及工业的不断发展，对水的需求量也越来越大，因此需要及时掌握水库、水渠的水文状况，以满足生活及生产用水的需求。明渠的流量是必不可少的测量数据。
现有技术中，测量明渠的流量通常是用水流速度、明渠横截面积等数据来计算得出明渠的流量，然而在实际应用中，特别是在水中泥沙含量较多的渠道中，经常会遇到渠道底部有淤泥堆积，从而影响了过水断面的形状及大小。在传统的流量计算过程中无法获取淤泥的多少和断面的变化，所以会不同程度影响流量测量的精度。
发明内容
为解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种明渠流量测量的新技术方案，以消除渠道底部淤泥以及不同层面水体流速的影响，实现精确测量明渠的流量。
根据本发明的第一方面，提供了一种明渠流量测量系统，包括：换能器，水位计，超声波泥位计以及测量主机；多对所述换能器分布于水体多个层面，用于测量不同层面水体流速；所述超声波泥位计安装于水面以下，并且其安装位置距离渠道底部的高度可调，用于测量淤泥厚度；所述测量主机排除所述淤泥厚度的影响，计算每层水体的瞬时流量、明渠总瞬时流量及总流量。
本测量系统可以多声道测量水体流速，消除了不同层水体流速的差异导致的计算误差；并消除淤泥厚度对测量精度带来的误差。
优选地，所述水位计为压力水位计，安装于水面以下且距离渠道底部一定高度处。压力水位计测量测量精度受外界环境影响小。
优选地，所述测量主机包括处理器与存储器；所述处理器用于处理数据；所述存储器用于保存数据。数据及时保存，避免了突发状况，如断电等，导致的数据丢失。
优选地，所述测量主机包括远程模块，用于将所述数据远程发送至控制中心，使控制中心可以及时掌握流量状况。
由于原流量计中缺乏对淤泥影响的处理，导致测得的流量数据不准确。
故本发明第二方面，提供了一种流量计修正装置，包括单片机与超声波泥位计；所述超声波泥位计安装于水面以下，并且其安装位置距离渠道底部的高度可调，用于测量淤泥厚度；所述单片机读取所述流量计的瞬时流量数据，修正为去除所述淤泥厚度影响的瞬时流量。
优选地，还包括两个从站串口，一个将修正后的数据发送至所述流量计，用于显示；另一个将修正后的数据发送至远程监控系统。
根据本发明第三方面，提供了一种明渠流量测量方法，包括如下步骤：
将明渠中水体划分为多层；
获取明渠底部淤泥厚度、每层水体流速、水位高度；
排除所述淤泥厚度影响，计算每层水体瞬时流量；
计算明渠总瞬时流量。
优选地，获取每层水体流速的方法为：在每层水体设置一对换能器，测量所述每层水体流速。
优选地，获取明渠底部淤泥厚度的方法为：距离明渠底部已知高度设置测距装置，所述测距装置测量与淤泥面的距离，所述已知高度与所述距离的差值即为所述淤泥厚度。
优选地，还包括如下步骤：所述总瞬时流量与时间积分，得到总流量。
使用本发明的流量测量系统及方法，可以精确测量每层水体的瞬时流量，消除渠底淤泥对测量精度的影响，获得更精准的流量数据；使用本发明的流量计修正装置，在提高原流量计的精度的同时，不必更换原流量计，节约了成本。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明实施例的流量测量系统的结构框图。
图2是本发明实施例的流量测量系统的整体示意图。
图3是本发明实施例的流量计修正装置结构示意图。
图4是本发明实施例的流量测量方法的流程图。
图5是本发明另一实施例的流量测量方法的流程图。
图6是本发明实施例的淤泥量较少时流量测量方法的示意图。
图7是本发明实施例的淤泥量较多时流量测量方法的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
<流量测量系统>
如图1与图2所示，本发明的流量测量系统1000主要包括：换能器1100、水位计1200、超声波泥位计1300以及测量主机1400。
由于不同层面的水体流速也不同，故设置多对所述换能器1100分布于水体多个层面，形成多个声道，通过对每个声道的超声波速度的计算便可得知不同层面水体流速，从而消除不同层面水体流速不同的影响；
所述超声波泥位计1300安装于水面以下，并且其安装位置距离渠道底部的高度可调，用于测量淤泥厚度；由于超声波泥位机1300距离渠道底部的高度是已知的，根据超声波泥位机1300测得的距离淤泥面的高度，便可通过差值计算得出淤泥的厚度。超声波泥位计1300的高度可调，便于在不同水深或泥深的情况下使用，其距离渠道底部的高度可以根据其距离渠顶的高度计算得来，或者设置标尺，通过标尺得知其距离渠道底部的高度。
所述测量主机1400排除所述淤泥厚度的影响，计算每层水体的瞬时流量、明渠总瞬时流量及总流量。
进一步的，所述水位计1200为压力水位计，安装于水面以下且距离渠道底部一定高度处，由于安装在水下，压力水位计测量测量精度受外界环境影响铰小。
进一步的，所述测量主机1400包括处理器与存储器；所述处理器例如可以是中央处理器CPU、微处理器MCU等，用于处理数据；所述存储器例如包括ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、诸如硬盘的非易失性存储器等，用于保存数据。数据及时保存，避免了突发状况，如断电等导致的数据丢失。
为方便对该明渠的流量进行远距离的监控，故进一步的，所述测量主机包括远程模块，用于将所述数据远程发送至控制中心，使控制中心可以及时掌握流量状况。该远程模块可以利用有线(例如RS-485)或者无线(例如3G、4G网络)等形式，对数据进行传送。
流量测量系统1000还可以包括人机交互模块，例如触摸屏，按键等，用于输入常量参数或者其他设置信息。
<流量计修正装置>
原有的流量计系统是一套完整的水流量测量系统，但是该系统中缺乏对淤泥影响的处理，导致对明渠中水体流量的测量数据有较大的误差。
如图3所示的流量计修正装置3000，包括单片机与超声波泥位计；
所述超声波泥位计安装于水面以下，并且其安装位置距离渠道底部的高度可调，用于测量淤泥厚度；
所述单片机读取所述流量计的瞬时流量数据，修正为去除淤泥影响的瞬时流量Q'，并将该修正瞬时流量Q'与△t进行积分得到累计修正流量Vf'，该值为累加值，并在单片机内可断电存储。
在本实施例中，流量计修正装置3000配置有两个从站串口(如RS485)，其中一路通过COM2将Q'、Vf'值送入流量计系统，用于在主机上进行显示；另一路通过COM3将数据Q'、Vf'送入远程监控系统。
在该例子中，以四通道为例，单片机中输入常量为：渠底系数k，坡比倒数c，泥沙面积：s0，声道数：4，声道处渠宽:w1～w4，声道高程：h1～h4，声道之间面积s1～s4。
单片机的COM1口与流量计的COM2口通讯获取数据，流量计通讯协议为modbusrut，各个变量的寄存器地址如下：
(1)瞬时流量Q(寄存器地址5003-5004，32位浮点数)
(2)泥位高度h0(寄存器地址5007-5008，32位浮点数)
(3)流速值v1、v2、v3、v4
v1：(寄存器地址1111-1112，32位浮点数)
v2：(寄存器地址1151-1152，32位浮点数)
v3：(寄存器地址1191-1192，32位浮点数)
v4：(寄存器地址1231-1232，32位浮点数)
在单片机程序中的瞬时流量Q'的计算规则如下：
通过本发明该例子，可以在原有的流量计系统增加一套流量计修正装置，将原始瞬时流量数据进行处理，修正为去除淤泥影响的瞬时流量，得到累加值总流量，并存入单片机中。在提高了测量精度的同时，不必更换设备，降低了成本。
<流量测量方法>
如图4所述，本发明的明渠流量测量方法包括如下步骤：
S4100，将明渠中水体划分为多层。
由于不同层面的水体的流速不同，在计算流量时如果仅仅测量一点的流速来代表整体流速进行计算，会使得出的流量数据有较大误差。故将水体分为多层，测量每层的水体流速，会使得流量计算更精确。
S4200，获取每层水体流速、获取水位高度、获取淤泥厚度
由于每层水体的横截面积Sn以及表面流速Vs均可根据已知数据计算得出，并且渠底系数kb、渠顶系数kt均为已知常量。则仅仅需要获取每层水体流速Vn，水位高度h，淤泥厚度h0便可计算得出瞬时流量。
在该实施例中，通过设置多对换能器在不同深度的水域，形成多声道测速，获取到多声道的水体流速数据，该方法不必扰动水流，精确度高，可同时测量不同声道的水体流速，消除了因不同层水体流速的差异导致的计算误差。
在该实施例中，获取明渠底部淤泥厚度的方法为：距离明渠底部已知高度设置测距装置，所述测距装置测量与淤泥面的距离，所述已知高度与所述距离的差值即为所述淤泥厚度。
S4300，计算每层水体瞬时流量。
利用得到的每个声道的水体流速Vn、水位高度h、淤泥厚度h0，以及作为常量的每个声道水体的横截面积Sn、渠底系数kb、渠顶系数kt和表面流速Vs，消除淤泥厚度h0对渠底瞬时流量的影响计算得出每层水体的瞬时流量。
在该实施例中，最底层水体的瞬时流量QBot的计算公式为：
其中，SBot为最底层水体横截面积，由淤泥厚度h0以及最底层流量计高度h1计算得出；kb为渠底系数；V1为最底层流速计测得的流速。
在该实施例中，最高层水体的瞬时流量QTop的计算公式为：
其中，STop为最高层水体横截面积，通过最高水位ht以及最高层流量计高度h4计算得出；V4为最高层流速计测得的流速；Vs为表面流速，有插值法流量计自动求得；kt为渠顶系数。
在该实施例中，中间层每层水体的瞬时流量Qn的计算公式为：
其中，Si为每层水体的横截面积，Vi为第i个流速计测得的流速。
S2300，对每层水体瞬时流量求和得出总瞬时流量。
总瞬时流量Q的计算公式为：
此时计算得出的总瞬时流量Q，排除了不同层面水体流速的不同以及渠底淤泥厚度的影响，精确度更高。
在本发明另一实施例中，如图5所示，还包括以下步骤：
步骤S5100，对总瞬时流量与时间积分得到总流量。
在该步骤中，对总瞬时流量与时间积分，得到该段时间内的总流量数据。
在步骤S4300中，如图6所示，由于淤泥厚度会随时间、含沙量、流速等影响，当沉积到一定的高度，将第一声道完全没入淤泥中，即淤泥面高度在第一声道与第二声道之间时，总瞬时流量的计算公式为：
Q＝(1+Kb)/2*V2*SBot+Q2+Q3+QTop
同理，如图7所示，若淤泥面在第二声道与第三声道之间，总瞬时流量的计算公式为:
Q＝(1+Kb)/2*V3*SBot+Q3+QTop
使用本发明的流量测量方法，可以精确测量每层水体的瞬时流量，消除渠底淤泥对测量精度的影响，获得更精准的流量数据。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种明渠流量测量系统，其特征在于，包括：换能器，水位计，超声波泥位计以及测量主机；
多对所述换能器分布于水体多个层面，用于测量不同层面水体流速；
所述超声波泥位计安装于水面以下，并且其安装位置距离渠道底部的高度可调，用于测量淤泥厚度；
所述测量主机排除所述淤泥厚度的影响，计算每层水体的瞬时流量、明渠总瞬时流量及总流量。
2.根据权利要求1所述的流量测量系统，其特征在于，所述水位计为压力水位计，安装于水面以下且距离渠道底部一定高度处。
3.根据权利要求1所述的流量测量系统，其特征在于，所述测量主机包括处理器与存储器；所述处理器用于处理数据；所述存储器用于保存数据。
4.根据权利要求3所述的流量测量系统，其特征在于，所述测量主机包括远程模块，用于将所述数据远程发送至控制中心。
5.一种流量计修正装置，其特征在于，包括单片机与超声波泥位计；
所述超声波泥位计安装于水面以下，并且其安装位置距离渠道底部的高度可调，用于测量淤泥厚度；
所述单片机读取所述流量计的瞬时流量数据，修正为去除所述淤泥厚度影响的瞬时流量。
6.根据权利要求5所述的流量计修正装置，其特征在于，还包括两个从站串口，一个将修正后的数据发送至所述流量计，用于显示；另一个将修正后的数据发送至远程监控系统。
7.一种明渠流量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
将明渠中水体划分为多层；
获取明渠底部淤泥厚度、每层水体流速、水位高度；
排除所述淤泥厚度影响，计算每层水体瞬时流量；
计算明渠总瞬时流量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，获取每层水体流速的方法为：在每层水体设置一对换能器，测量所述每层水体流速。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，获取明渠底部淤泥厚度的方法为：距离明渠底部已知高度设置测距装置，所述测距装置测量与淤泥面的距离，所述已知高度与所述距离的差值即为所述淤泥厚度。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：所述总瞬时流量与时间积分，得到总流量。
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