CN116519084A - 水库水位间接测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水库监测技术领域，尤其涉及一种水库水位间接测量装置及方法，包括压力水管、压力计、流量计和PLC控制器，所述发电压力水管与水库相连，所述压力计和流量计安装于所述压力水管上，所述压力计和流量计分别与所述PLC控制器通过电缆连接。本发明装置水位测量点与测量信号传送终点间理论上可无距离设置，测量设备及元器件可布置在室内，不受气候与环境的影响，不易老化，耐久性和可靠性高，投资少，维护成本低。本发明简化了水头损失计算公式，使原来多变量、复杂、繁琐的计算公式变得十分简单，给PLC编程计算水库水位创造了条件，为需远距离传送水库水位采集信号的水电站实现无人值守的智能运行奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及水库监测技术领域，尤其涉及一种水库水位间接测量装置及方法。
背景技术
水库水位测量是水电站正常运行的重要环节，对按水库水位智能运行的无人值守水电站尤其重要。为了提高水库水位测量的及时性和准确性，传统的人工测量越来越多的被能即测即传的电子测量方式所替代。水库水位测量数据经电缆传送(远距用光缆)或借用电信网络传送，已成为水电站无人值守智能运行的不可缺少内容。给水位测量与传送设备提供电能的措施也有突破，除传统的电缆输电外，不少边远水库为了降低输电成本还采用了太阳能发电。
现有的水库水位测量，从测量、传送到设备供电，技术上虽然取得了很大的进步，但存在工程投资大，野外设备易损、易老化，维护成本高等缺陷，还存在电缆、光缆损毁和电信网络中断等风险。大家都知道，水电站常建于边远山区，这些地区的网络设备常遭受恶劣的自然灾害影响，如汛期山洪爆发易造成线路冲毁中断通讯的事故。对一个按水库水位智能运行的无人值守水电站来说，水库水位信号是指导它正常运行和保证安全生产的基础，一旦水位信号中断将造成严重害果。
鉴于上述原因，多少人都设想能在与水库连接的压力水管末端间接测量到水库水位，来克服现有水库水位测量信号传送中存在的不足，但因该水位间接测量计算中涉及到的水头损失计算变量太多，公式复杂、繁琐，难以直接编程运算，所至今该设想都未能实现，水库水位测量不得不到现场进行。
正是基于上述考虑，本发明设计了一种水库水位间接测量装置及方法，将该设想变成现实。
发明内容
本发明采用的技术方案：
本发明公开了一种水库水位间接测量装置及方法，包括压力水管、压力计、流量计、PLC控制器及方法。所述的压力计和流量计安装在与水库连接的压力水管上，用于测量管道水压和流量，并将测到的压力与流量数据通过电缆传送给PLC控制器；所述的方法就是PLC控制器根据压力计和流量计采集来的压力与流量数据及管道基本水力要素编程计算得出水库水位的计算方法。
所述的压力计和流量计都是具有将采集到的水压和流量数据转换成标准电信号或数字信号的测量设备，且压力计与流量计所在位置的管道横断面积及流量应一致。
所述压力水管先通过连接水管与缓冲罐相连，所述压力计再与缓冲罐连接，缓冲罐用于消除动水波动对压力信号采集的影响。
所述流量计也可用采集与压力水管相连的水轮发电机的有功功率的电量采集仪表来替代。
所述PLC控制器也可是如电脑、单片机等具有根据接收到的数据按预先编好的程序进行运算的其它运算设备。
所述PLC控制器通过电缆连接触摸屏等人机交流界面，用于显示用户想获知的PLC控制器计算成果和修改PLC控制器设定的参数。
本发明公开了一种水库水位间接测量装置的计算方法的具体内容如下：
①水库水位计算公式
h库＝h压+h流+hw
式中：h库为水库水位，h压、h流和hw分别为与水库连接的压力水管中同一断面上的压力水头、流速水头和该断面以上压力水管的全部水头损失；h压可通过压力计测得的压力值换算得到，h流可通过流量计测得的流量和管道面积求得，hw可通过流量计测得的流量和压力水管的基本水力要素及本次水头损失简化计算公式求得。
压力水头换算公式：h压＝101.9×P。式中，h压压力水头，单位为m；P管道压力，单位为Mpa。
流速水头计算公式：h流＝Q2/A2/2g。式中，h流流速水头，单位为m；Q流量，单位为m3/s；A压力管横断面积，单位m2；g重力加速度9.81m/s2。
水头损失简化计算公式：hw＝kQ2
式中：
ξ1～ξn局部水头损失系数，是一个与水流方向、断面形状和尺寸有关的常数；λ1～λn各等径直管段的沿程水头损失系数，是一个与水流型态和管壁粗糙程度等因素有关的变量，为便于PLC编程计算，本次将其简化为一个只与管壁等值粗糙高度和管径有关的常数，其简化的可行性论证见本说明书中的具体实施方案；l1～ln为各等径直管段长度，R1～Rn为各等径直管段水力半径，A1～An为各等径直管段过水面积，g重力加速度，对已定管道它们均为常数；k为水头损失简化计算的综合系数，对已知管道，因λ已简化成一个常数，所以k值也可认为是一个常数，并可按上式预先求得，或按说明书中具体实施方案所述的方法现场测定；Q为流量计测得的管道流量。
②水库水位编程计算
k值预先求得后，就可将上述压力水头、流速水头、水头损失和水库水位的计算公式编写成PLC运算程序，PLC再根据该运算程序和压力计与流量计采集来的压力和流量数据算出水库水位。因压力与流量数据是即时的，所以水库水位也是即时的。
本发明的益效：
1、本发明的目的在于克服现有水库水位采集信号传送存在的不足，提供一种水库水位间接测量装置及计算方法，其水位测量点可以设置在与水库连接的压力水管上的任何位置，测量设备及元器件可布置在室内，不受气候与环境的影响，不易老化，耐久性和可靠性高，投资少，维护成本低。其工程投资和维护费用均只有用电缆远距传送的几分之一到几十分之一，让再远的水位信号采集都变得安全、经济可行，具有较高的社会价值和经济价值。
2、本发明的计算方法简化了压力水管中水头损失计算公式，使原来多变量、复杂、繁琐的水头损失计算公式变得十分简单，且在工程应用中可行，给PLC编程计算水库水位创造了条件，为需远距离传送水库水位采集信号的水电站实现无人值守的智能运行奠定了基础。
附图说明
附图1为本发明水库水位间接测量装置的结构示意图。
图中，1压力水管，2压力计，3流量计，4PLC控制器，5水库，6电缆，7连接水管，8缓冲罐，9水轮发电机组，10触摸屏。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式分装置的基本结构及工作原理和装置的PLC编程计 算方法两大部分进行描述。其中PLC编程计算方法又分为：装置的理论基础、装置的计算简化、装置的综合误差分析、装置的元件选型与PLC编程要点和装置在压力输水隧洞中的应用拓展，共五个小部分。
1装置的基本结构及工作原理
结合附图1对本装置的基本结构作如下描述。
本发明公开了一种水库水位间接测量装置(以下简称本装置)，包括压力水管1、压力计2、流量计3、PLC控制器4。
由能量守恒定律可知，水在压力水管1中流动其机械能是恒定不变的，只是从一种形式转换成另一种形式。根据该定律可以推断，与水库连接的压力水管中任意断面上的压力水头、流速水头及该断面以上水流损失的水头，三者之和总是等于该断面以上的水库水位的总势能，即水库5的水位，本装置在与水库5连接的压力水管1上安装测量水压的压力计2和测量流量的流量计3，压力计2与流量计3将测量到的压力和流量数据信号通过电缆6传送给PLC控制器4，PLC控制器4根据接收到的压力和流量数据按编好的程序进行运算，求出压力水管1中的压力水头、流速水头和水头损失，并将该三项求和，即得到水库5的水位，实现了水库水位测量无需到水库现场的目的。
本装置的水位测量点可设置在与水库5连接的压力水管1上的任何位置，测量设备及元器件可布置在室内，不受气候与环境的影响，不易老化，耐久性和可靠性高，投资少，维护成本低。其工程投资和维护费用均只需电缆远距传送的几分之一到几十分之一，让再远的水位信号采集都变得安全、经济可行，具有较高的社会价值和经济价值。
进一步的，压力计2和流量计3都是具有将采集到的水压和流量数据转换成标准电信号或数字信号的测量设备，且压力计2与流量计3所在位置的管道横断面积及流量应一致。
进一步的，压力水管1先通过连接水管7与缓冲罐8相连，压力计2再与缓冲罐8连接，缓冲罐用于消除压力水管的压力波动对测压的影响。
进一步的，流量计3也可用采集与压力水管1相连的水轮发电机9的有功功率的电量采集仪表来替代。
进一步的，PLC控制器4也可是如电脑、单片机等具有根据接收到的数据按预先编好的程序进行运算的其它运算设备。
进一步的，PLC控制器4通过电缆连接触摸屏10等人机交流界面，用于显示用户想获知的PLC控制器计算成果和修改PLC控制器设定的参数。
2装置的PLC编程计算方法
2.1装置的理论基础
2.1.1理论依据来源
本装置采集到的是压力水管中的压力与流量数据，PLC根据采集到的压力与流量数据和压力水管基本水力要素按预先编好的程序，求出压力水管中所测断面的压力水头、流速水头和该断面以上的管道水头损失，并求和得出水库水位。
压力水头计算公式：h压＝101.9×P。式中：h压压力水头，单位为m；P管道压力，单位为MPa。
流速水头计算公式：h流＝Q2/A2/2g。式中：h流流速水头，单位为m；Q流量，单位为m3/s；A压力管横断面积，单位m2；g重力加速度9.81m/s2。
水头损失计算依据：本装置的水头损失计算依据主要来源于河海大学主编的《水工设计手册》第三章水力学(以下简称《水工设计手册》)和注册土木工程师资格考试辅导教材《水利水电工程专业基础知识》第一章水力学。
压力水头与流速水头的计算已在上面公式中表达清楚，下面只阐明水头损失的计算。
2.1.2水头损失分类
管道中的水头损失分两类。一类是因水流方向、断面形状和尺寸改变及障碍物的影响，发生在管道局部的局部水头损失；另一类是发生在沿程不变的直管段内的沿程水头损失，它是由液体的粘滞性和液体质点间能量交换而引起的。管路中各个局部产生的局部水头损失hj与各个管段产生的沿程水头损失hf之和等于管道总水头损失hW。
hw＝∑hj+∑hf
2.1.3局部水头损失
计算公式：
式中：ξ1～ξn为局部水头损失系数，是一个与水流方向、断面形状和尺寸有关的常数；A1～An为发生局部水头损失处的过水面积，g为重力加速度，对已定的压力管道均为常数；v1～vn为发生局部水头损失处的断面平均流速，Q为管道流量，均属变量。
2.1.4沿程水头损失
(1)沿程水头损失计算分区及计算表达式
根据水流型态沿程水头损失分层流和紊流两类计算，其中紊流按雷诺数和管道相对粗糙度的不同又分水力光滑管区、过渡区和水力粗糙管区三种不同计算分区。无论是层流还是紊流，只是其沿程水头损失系数计算不同，但水头损失计算公式的表达式是相同的。
沿程水头损失计算的达西-威斯巴赫通用公式：式中，λ为按水流型态分区计算的沿程水头损失系数，l管长，v断面平均流速，R水力半径。当为圆管时，因R＝d/4，公式可改为/>对于串联的复杂管道，总的沿程水头损失等于各分段沿程水头损失之和，其计算公式如下：
式中：λ1～λn为各等径直管沿程损失系数，其大小与水流型态、流速和管壁粗糙程度有关；l1～ln为各等径直管长度，R1～Rn为各等径直管水力半径，A1～An为各等径直管过水面积，g重力加速度，对已定管道均为常数；v1～vn为各等径直管的断面平均流速，Q为管道流量，属变量。
(2)层流沿程水头损失系数计算
由尼古拉兹试验可知，当雷诺数Re＜2300时，水体流动为层流，其沿程水头损失系数只与雷诺数Re有关。层流沿程水头损失系数λ＝64/Re。
(3)紊流沿程水头损失系数计算
水力光滑管区：由《水工设计手册》和尼古拉兹试验可知，当Re·ks/d＜10时，水流处于紊流水力光滑管区，其沿程水头损失系数只与雷诺数有关，与管道相对粗糙度ks/d无关。水力光滑管区沿程水头损失系数λ＝0.3164/Re0.25。
水力过渡区：由《水工设计手册》和尼古拉兹试验可知，当10＜Re·ks/d＜500时，水流处于水力光滑管区与水力粗糙管区间的过渡区，其沿程水头损失系数与雷诺数和相对粗糙度ks/d有关。水力过渡区沿程水头损失系数
水力粗糙管区：由《水工设计手册》和尼古拉兹试验可知，当500＜Re·ks/d时，水流处于水力粗糙管区，其沿程水头损失系数是一个只与相对粗糙度ks/d有关的常数。紊流水力粗糙管区沿程水头损失系数
2.2装置的计算简化
2.2.1计算简化的必要性
管道水头损失有局部水头损失和沿程水头损失，沿程水头损失又按水流型态分层流和紊流两类计算，其中紊流又按雷诺数和管道相对粗糙度的不同分水力光滑管区、过渡区和水力粗糙管区三个不同计算分区。
水流方向、断面形状和尺寸改变及障碍物的影响都会产生局部水头损失。因水的粘滞力作用和管壁粗糙的影响管道中都会产生沿程水头损失。
工程上的压力管道往往是由形状、尺寸、表面粗糙程度不同的若干管段组成的复杂管道，所有不同点都应反映在水头损失的计算中。若直接将管道的形状与流量数据按水力学的计算公式编写成PLC运算程序，其编程工作量将是十分繁琐、复杂，甚至是非常困难的。只有简化计算，才有可能根据流量计和压力计在压力管上测得的流量和压力数据，通过PLC编程计算得出水库水位。
2.2.2沿程水头损失计算简化
(1)计算简化思路
沿程水头损失系数分层流和紊流两类计算，紊流又按雷诺数和管道粗糙度的不同分水力光滑管区、过渡区和水力粗糙管区三个不同计算分区。无论是层流还是紊流，沿程水头损失计算式中只是沿程水头损失系数计算式不同，但沿程水头损失计算公式的表达式是相同的。这四个计算分区中，层流区、紊流光滑管区、紊流过渡区这前三个的沿程水头损失系数是一个与流速有关的变量，第四个紊流粗糙管区的沿程水头损失系数是一个只与管道粗糙程度有关的常量。考虑到前三个计算分区中的管道流速都很小，虽然其沿程损失系数都比第四区大，但求得的沿程水头损失值确很小，因此可将这四个计算分区统一按紊流粗糙管区的公式计算沿程损失系数。经这样的计算简化，原来四个区的沿程水头损失系数就都成了一个系数，且这个系数是一个只与管道粗糙程度有关的常量，这将给PLC计算编程带来极大的方便。
(2)计算简化的可行性论证
1)层流计算简化论证
按《水工设计手册》(本章节简称《手册法》)和本次简化计算方法(本章节简称《简化法》)，对0.4～3.0m的砼圆管、旧钢管和新钢管，进行了层流沿程水头损失计算对比，计算结果见表1～3。由表得知，两种算法得出的层流区沿程水头损失最大值均为微米级，所以认为层流区沿程水头损失按粗糙管区公式计算的简化在工程上是完全可行的。
《手册法》计算公式：λ＝64/Re，/>Re＜2300。
《简化法》计算公式：
式中：ν水的运动粘滞系数，水温20℃时为1.011×10-6m2/s；ks管壁等值粗糙高度，砼管4mm，旧钢管3mm，新钢管0.7mm。
表1砼圆管层流工况最大沿程水头损失对比表
表2旧钢管层流工况最大沿程水头损失对比表
表3新钢管层流工况最大沿程水头损失对比表
2)紊流光滑管区计算简化论证
按《手册法》和《简化法》，对0.4～3.0m的砼圆管、旧钢管和新钢管，进行了紊流光滑管区沿程水头损失计算对比，计算结果见表4～6。由表得知，两种算法得出的紊流光滑管区沿程水头损失最大值均为毫米级，所以认为紊流光滑管区沿程水头损失按粗糙管区公式计算的简化在工程应用上是可行的。
《手册法》计算公式：λ＝0.3164/Re0.25。/>
《简化法》计算公式：
式中：γ水的运动粘滞系数，水温20℃时为1.011×10-6m2/s；ks管壁等值粗糙高度，砼管4mm，旧钢管3mm，新钢管0.7mm。
表4砼圆管紊流光滑管区最大沿程水头损失对比表
表5旧钢管紊流光滑管区最大沿程水头损失对比表
表6新钢管紊流光滑管区最大沿程水头损失对比表
3)紊流过渡区计算简化论证
按《手册法》和《简化法》，对0.4～3.0m的砼圆管、旧钢管和新钢管，进行了紊流过渡区沿程水头损失计算对比。结果见表7-9。
《手册法》计算公式：
《简化法》计算公式：
式中：ν水的运动粘滞系数，水温20℃时为1.011×10-6m2/s；ks管壁等值粗糙高度，砼管4mm，旧钢管3mm，新钢管0.7mm。
由表得知，紊流水力过渡区沿程水头损失若按紊流粗糙管区公式计算，其计算结果略偏小，至过渡区与粗糙区的界线时差值达到最大(为区分以下称其为最大计算差值)，在该分界线上最大计算差值是垂直跌落的，离开该界线会逐步下降。在分界点上最大计算差值发生跌落的原因是粗糙管区沿程水头损失计算公式比过渡区少一项粘滞力的影响，这在实际水流中是不存在的，分界点上合理的沿程水头损失应是按分界点两侧公式计算所得值的均值，该均值与过渡区按紊流粗糙管区公式计算所得的值之差才是实际的最大差值(为区分以下称其为最大实际差值)。很明显最大实际差值是最大计算差值的一半。
由表7可知，砼管每公里沿程水头损失最大实际差值为1.1mm，最大值发生在0.4m管径的管道，随管径增大差值逐步减小，至3.0m管径每公里最大实际差值为0.1mm；由表8可知，旧钢管每公里沿程损失最大实际差值为1.8mm，最大值发生在0.4m管径的管道，随管径增大差值逐步减小，至3.0m管径每公里最大实际差值为0.1mm；由表9可知，新钢管每公里沿程损失最大实际差值为24mm，最大值发生在0.4m管径的管道，随管径增大差值逐步减小，至0.5m管径每公里最大实际差值为11mm，至3.0m管径每公里最大实际差值为1.9mm。
虽然过渡区按紊流粗糙管区计算，在分界处0.4m管径新钢管每公里沿程水头损失最大实际差值达24mm，但离开这个分界点差值就会逐步减小。所以认为紊流过渡区沿程水头损失按粗糙管区公式计算的简化在工程应用上是基本可行的。
表7砼圆管紊流过渡区最大沿程水头损失对比表
表8旧钢管紊流过渡区最大沿程水头损失对比表
表9新钢管紊流过渡区最大沿程水头损失对比表
2.2.3总水头损失计算简化
管道总水头损失等于管道中的局部水头损失与沿程水头损失之和，公式如下：
式中，λ1～λn是一个与水流型态和管壁粗糙程度有关的变量，但经前面的计算简化后已变为一个只与管壁等值粗糙高度和管径有关的常数，其它符号同前。所以，对已定压力管道，中括号内所有参数均为常数，其值可通过已定的压力管道形状、尺寸和《水工设计手册》第三章水力学中的有关图表及上述介召的有关公式求得。因中括号内的所有参数均为常数，故用一个常数k来代替中括号内的总值，则总水头损失计算简化公式如下：
hw＝kQ2
式中：
k值可通过上式求得，也可通过现场测定。
k值现场测定方法：首先关闭被测压力管出口阀门，使管内水体静止，然后读取压力管上压力计显示的静水压力P静；打开被测压力管出口阀门，使水流达紊流型态，读取压力管上压力计显示的动水压力P动和管道流量；然后按下式计算k值。
k＝hw/Q2＝(h静-h动-h流)/Q2＝(101.9×P静-101.9×P动-Q2/A2/2g)/Q2
式中：h静、h动和h流分别为测点处压力管的总水头、动水压力水头和流速水头，单位均为m；Q流量，单位为m3/s；P静与P动分别为管道同一位置的静水压力与动水压力，单位为MPa；A测点处压力管横断面积，单位m2；g重力加速度9.81m/s2。
2.3装置的综合误差分析
2.3.1测量与计算内容
水库水位间接测量，是用安装在与水库连接的压力管道上的压力计和流量计测得管道压力与流量数据，PLC根据这些数据按预先编好的计算程序算出水库水位。PLC按流量计传来的流量数据算出流速水头和水头损失，按压力计传来的压力数据算出压力水头。管道压力水头、流速水头及水头损失之和即为管道测点以上的水库水位。
2.3.2测量误差组成
水库水位间接测量误差由三部分组成，第一部分是由压力计测量精度引起的误差，第二部分是流量计测量精度引起的水头损失和流速水头误差，第三部分是计算公式简化引起的PLC计算误差。
2.3.3压力计测量精度引起的误差
压力计精度等级有0.075％级、0.1％级、0.2％级和0.25％级等，其中0.075％级为最高级。不同精度等级的压力计在不同的压力水头工况下产生的水位测量误差列于表10。
表10压力计测量误差统计表
注：表中测量误差值单位为m。
2.3.4流量计测量精度引起的误差
压力管道水头损失和测点处的流速水头，都是根据流量计测到的流量数据通过PLC程序推算得到的，流量计的测量精度会引起水头损失和流速水头的测量误差。
根据水头损失和流速水头都与流量的平方成正比例的原理，推算得水头损失和流速水头的测量精度＝(1+流量计测量精度)的平方-1
流量计精度等级有0.5％级、1.0％级、2.0％级和2.5％级等，换算到水头损失和流速水头的测量精度分别为1％、2％、4％和5％等，其中1％为最高精度等级。不同精度等级的流量计在不同的水头损失等级形成的水头损失测量误差列于表11，不同精度等级的流量计在不同流速工况形成的流速水头测量误差列于表12。
表11流量计精度引起的水头损失误差
注：表中水头损失误差值单位为m。
表12流量计精度引起的流速水头误差
注：表中流速水头误差值单位为m。
2.3.5计算公式简化引起的误差
由前面的计算简化可行性论证可知，计算公式简化只引起沿程水头损失计算中的层流和紊流光滑管区、过渡区的误差，其误差值如下：
层流区每5公里压力管道沿程水头损失误差为微米级；紊流光滑管区每5公里压力管道沿程水头损失误差为毫米级；紊流过渡区，砼管每公里沿程水头损失最大误差1.1mm(发生在0.4m管)，旧钢管每公里沿程水头损失最大误差1.8mm(发生在0.4m直径管)，新钢管每公里沿程水头损失最大误差24mm(发生在0.4m管)。
2.3.6综合测量误差分析
计算公式简化只引起水头损失中的沿程水头损失误差，该误差与管壁的粗糙程度、管径及流速有关，在相同流速工况下管壁越粗糙和管径越大误差逐步减小，0.4m直径的砼圆管、旧钢管、新钢管最大误差值分别为1mm/5km、2mm/5km和24mm/km。
由流量计测量精度引起的流速水头误差和水头损失误差，分别与测流处流速和管道总水头损失有关，与管径和压力水头无关，该误差为厘米级。由压力计精度引起的压力水头测量误差与压力水头有关，与管径无关，该误差占总误差的主要部分。
不同精度等级的压力计和流量计的搭配，在不同的压力水头工况会产生不同的测量总误差。在实际使中，可根据压力大小和使用精度的不同，选取压力计与流量计的不同精度等级，这样既能保证使用要求，又能降低成本。下面列举了几种不同精度等级的压力计和流量计在不同的压力水头工况下的测量综合误差统计表，供选型参考。
综合误差统计表(一)
综合误差统计表(二)
综合误差统计表(三)
2.4装置的元件选型与PLC编程要点
2.4.1传感器安装与选型注意事项
压力计采集管道压力数据，流量计采集管道流量数据，两种表计都具有4～20mA的模拟量输出信号或RS485的通信输出信号。PLC通过事先编好的程序接收和分析计算这些数据，然后输出水库水位信号供用户使用。
压力计安装与选型注意事项：为了避免动水波动影响测量精度，压力计应通过缓冲罐再连接到压力管上。有条件时，缓冲罐与压力计建议均布在室内，这样有利于提高测量精度和设备使用寿命。用于连接缓冲罐与被测压力管的连接水管管径宜小不宜大，以DN15即4分管为宜，当用紫铜管连接时管径以DN10为宜。紫铜管具有良好的抗老化和抗腐蚀能力，且承压能力高，因连接水管一般都很短，建议压力1MPa以上时宜采用紫铜管作连接水管。对测量精度要求较高的可采用0.075％级单晶硅压力计，一般精度要求的可采用扩散硅压力计。
流量计安装与选型注意事项：对于管径不太大，且精度要求高的项目，可选用管道式流量计，其测量精度高，抗干扰能力强；对直径1.0m及以上的大口径压力管，宜选用插入式电磁流量计。当水中含有泥砂等细小颗粒和钢管结垢时，超声波流量计的测量精度会明显下降。采用信号处理器置于室内的分体式流量计，有利于提高测流精度和延长设备使用寿命。插入式流量计探头应垂直装于被测压力管上。
2.4.2PLC编程要点
(1)编入PLC运算程序的水头计算公式
本装置采集到的是压力管道中的动水压力信号和流量信号，要通过PLC事先编好的程序进行分析运算，转换成压力水头、流速水头和水头损失，再将三者求和得出水库水位信号，供用户使用。由前面的分析计算得知，PLC编程计算水头的公式有：压力转换水头计算公式、流速水头计算公式和水头损失计算简化公式。
压力转换成水头的计算公式：h压＝101.9×P。式中：h压压力水头，单位为m；P管道压力，单位为MPa。
流速水头计算公式：h流＝Q2/A2/2g。式中：h流流速水头，单位为m；Q流量，单位为m3/s；A压力管横断面积，单位m2；g重力加速度9.81m/s2。
水头损失计算简化公式：hw＝kQ2。式中：k为总水头损失综合系数，单位为s2/m5，可由本说明书中装置的计算简化章节的k值计算公式或k值现场测定方法求得，并通过现场测定失校正；Q流量，单位为m3/s。
(2)PLC对信号采集误差消除
动水波动影响的消除措施：用缓冲罐消除动水波动对压力信号采集的影响，PLC再将采集的随机数据求平均值输出的方法进行滤波。
流量急变影响的消除措施：通过PLC分段处理压力计和流量计传来的数据，段与段间相隔适当的时间间隔，每段获取相同个数的数据求均值输出，该均值与上段均值的差值与预设值比较，当差值超过预设值时，为避免因流量急变导致采集的数据失真，同时考虑到水库水位变化是缓漫的，所以该段数据不予使用，从而达到消除流量急变对数据采集的影响。
2.5装置在压力输水隧洞中的应用拓展
压力输水隧洞为满足施工要求其等效直径一般都在1.5m以上，且洞壁都较粗糙，尤其是未衬砌的岩质隧洞等效粗糙高度在100mm以上。按前述方法可以证明有压隧洞水流在层流和紊流水力光滑管区、过渡区的沿程水头损失大小均不大于毫米级，所以工程上有压隧洞的沿程水头损失不分水流型态一并按谢才公式计算。谢才公式与前面介召的达西-威斯巴赫公式是一致的，都是只是计算λ的公式不一样。式中:λ＝8g/C2，C为谢才系数，可按曼宁公式计算，/>n为管壁粗糙系数，可由《水工设计手册》查得。在有压输水隧洞中，除沿程水头损失系数计算公式不同外，本章以前所述的计算原理和简化计算公式及工作方案都是适应的，即本装置在有压输水隧洞上也是通用的。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种水库水位间接测量装置，其特征在于：包括压力水管、压力计、流量计和PLC控制器，所述发电压力水管与水库相连，所述压力计和流量计安装于所述压力水管上，所述压力计和流量计分别与所述PLC控制器通过电缆连接。
2.根据权利要求1所述的一种水库水位间接测量装置，其特征在于：所述压力水管外壁通过连接水管与缓冲罐相连，所述压力计与缓冲罐连接。
3.根据权利要求1所述的一种水库水位间接测量装置，其特征在于：所述压力水管的一端与所述水库连接，另一端与水轮发电机组相连。
4.根据权利要求1所述的一种水库水位间接测量装置，其特征在于：所述PLC控制器通过网线连接有触摸屏。
5.一种如权利要求1所述的水库水位间接测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将压力计和流量计安装于压力水管上，然后将压力计和流量计与PLC控制器电连接；
S2：将压力计测得的管道压力P和流量计测得的流量Q传输至PLC控制器，通过PLC控制器内的水库水位计算公式程序进行运算。
6.根据权利要求5所述的一种水库水位间接测量方法，其特征在于：所述步骤S2中的水库水位计算公式如下：
h库＝h压+h流+hw
其中，h库为水库水位，h压为压力水头，h流为流速水头，hw为水头损失；
h压＝101.9×P
式中，h压压力水头，单位为m；P管道压力，单位为Mpa；
h流＝Q2/A2/2g
h流流速水头，单位为m；Q流量，单位为m3/s；A压力管横断面积，单位m2；g重力加速度9.81m/s2。
7.根据权利要求6所述的一种水库水位间接测量方法，其特征在于：所述hw的计算公式如下：
hw＝kQ2
式中：
ξ1～ξn为局部水头损失系数，是一个与水流方向、断面形状和尺寸有关的常数，λ1～λn是一个与水流型态和管壁粗糙程度有关的变量，经本次计算简化后已变为一个只与管壁等值粗糙高度和管径有关的常数，l1～ln为各等径直管段长度，R1～Rn为各等径直管段水力半径，A1～An为各等径直管段过水面积，g重力加速度，对已定管道它们均为常数；k为水头损失简化计算的综合系数，对已知管道，因λ已简化成一个常数，所以k值也是一个常数，就可按上式预先求得，k值预先求得后，就可将上述压力水头、流速水头、水头损失和水库水位的计算公式编写成PLC运算程序，PLC再根据该运算程序和压力计和流量计采集来的压力和流量数据算出水库水位；Q为流量计测得的管道流量。
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