CN1667370A - 一种利用量水仪的量水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用量水仪的量水方法，其特征在于：该方法包括下列步骤，(1)确定量水设施；(2)采集测量结果；(3)按测量结果的各参数关系判断实时水流形态；(4)根据量水设施和判断结果调用相应流量公式计算流量。采用本发明能够根据不同量水设施实施自动测量流量，并且无需依赖水位测井，操作人员携带一台仪器即可实施多点测量，精度高，成本低，简化了量水操作，提高了工作效率。

Description

一种利用量水仪的量水方法

技术领域

本发明涉及水利技术领域，尤其是一种利用量水仪进行水利检测的量水方法。

背景技术

目前国内外针对灌区渠系测水量水的仪器设备种类繁多，但还存在着一定的缺陷，使用受环境和现场条件的限制，比如超声波流量计、激光流速仪、孔板、文丘里管，虽然系统测量精度高，性能稳定，但其价格昂贵，安装、调试、维护以及对测试现场的条件要求很高，不宜在灌区渠系测水量水中推广使用；旋桨式流速仪单台的价格便宜(多台同步测试使用时成本仍然相当高)，使用灵活，但可靠性差，需要定期标定流量系数，测试用时较长，不宜作为长期监测的设备来用；利用灌区水工建筑物或特设量水设施进行测流的仪器在近几年来开发了不少新产品，但资料表明这些设备通用性差，必须点对点的固定安装使用，以水位测量为主，要求建造水位测井且需配合明渠标准端面，能结合量水结构自动计量流量的很少，而且测试功能相对单一：有的只能测水位但却不能现地测出流量、有的可以存储测试数据但却不同时具备能有线或无线的与上位计算机通讯并组成自动测控网络。本发明人在同日申请的实用新型《量水计》中公开了一种功能全面的量水仪，而怎样利用该量水仪进行水利测量，则是现有技术需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用量水仪进行量水的方法，它能克服现有技术的不足，满足量水工作实施灵活、节约成本的要求。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是，该方法包括下列步骤，(1)确定量水设施；(2)采集测量结果；(3)按测量结果的各参数关系判断实时水流形态；(4)根据量水设施和判断结果调用相应流量公式计算流量。

而且，采用平滑式数字滤波法对测量结果进行修正。

而且，量水设施包括堰、槽，以及矩形明渠放水口(分单孔和多孔)、矩形暗涵放水口、圆形涵管放水口等闸/涵灌区水工建筑物，闸/涵灌区水工建筑物的流量与实时水流形态有关，各相应流量公式如下，

1.1.堰、槽

Q＝ah^b                   (m³/s)

上式中：h——为测水点水位值(m)；

        a、b——不同尺寸、不同形状渠道和不同量水设施所对应的系数值。

1.2.闸/涵灌区水工建筑物

1.2.1.矩形明渠放水口(分单孔和多孔)

无闸自由流： $Q=\mathrm{mbH}\sqrt{2\mathrm{gH}}$    单孔：m＝0.325，多孔：m＝0.33

无闸潜流：    单孔：＝0.85，多孔：＝0.86

有闸自由流： $Q=\mathrm{\μbhw}\sqrt{2g(H-0.65\mathrm{hw})}$   单孔：μ＝0.6，多孔：μ＝0.64

有闸潜流： $Q={\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{bhw}\sqrt{2g(H-h_1)}$    单孔：μ′＝0.62，多孔：μ′＝0.64

1.2.2.矩形暗涵放水口

无闸自由流： $Q=\mathrm{mbH}\sqrt{2\mathrm{gH}}$      m＝0.325

无闸潜流：  

   ＝0.85

有闸自由流： $Q=\mathrm{\μbhw}\sqrt{2g(H-0.65\mathrm{hw})}$ μ＝0.60

有闸潜流： $Q={\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{bhw}(1+\frac{0.65\mathrm{hw}}{H})\sqrt{2g(H-h_H)}$ μ′＝0.62

有压潜流： $Q=m^{\′}\sqrt{\frac{1}{0.06+{\left(\frac{m^{\′}\mathrm{hw}}{a}\right)}^2+{(1-\frac{m^{\′}\mathrm{hw}}{a})}^2}}\mathrm{bhw}\sqrt{2g(H-h_H)}$ m′＝0.62

1.2.3.圆形涵管放水口

无闸自由流： $Q=m(\frac{1.12H}{r}-0.25)r^2\sqrt{2\mathrm{gH}}$ m＝0.55

无闸潜流：  ＝0.9

有闸自由流： $Q=\mathrm{\μ}(\frac{1.8\mathrm{hw}}{r}-0.25)r^2\sqrt{2g(H-0.7\mathrm{hw})}$ μ＝0.63

有闸潜流：

$Q={\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{bhw}(1+\frac{0.65\mathrm{hw}}{H})(\frac{1.8\mathrm{hw}}{r}-0.25)r^2\sqrt{2g(H-h_H)}$ μ′＝0.63

有压潜流：

$Q=\frac{m^{\′}(\frac{1.8\mathrm{hw}}{r}-0.25)r^2\sqrt{2g(H-h_H)}}{{\{0.06+{\left[(\frac{0.36\mathrm{hw}}{r}-0.05)\right]}^2+{[1-(\frac{0.36\mathrm{hw}}{r}-0.05)]}^2\}}^{1/2}}$ m′＝0.63

上式中：Q——通过闸、涵流量(m³/s)；

m、、μ、μ′、m′——流量系数；

b——闸、涵孔宽(m)；

r——圆形涵管内半径(m)；

a——矩形暗涵孔高(m)；

g——重力加速度(9.81m/s²)；

H——上游或闸前水位(m)；

h_H——下游水位(m)，测量值；

h₁——闸后水位(m)，测量值；

h_W——闸门开度(m)，测量值。

而且，所述实时水流形态的判断依据如下，

当h_W/H＞0.65  h_H/H＜0.7时，水流形态属无闸自由流；

当h_W/H＞0.65  h_H/H≥0.7时，水流形态属无闸潜流；

当h_W/H≤0.65  h₁＜h_W时，水流形态属有闸自由流；

当h_W/H≤0.65  h₁＞h_W时，水流形态属有闸潜流。

采用本发明能够根据不同量水设施实施自动测量流量，并且无需依赖水位测井，操作人员携带一台仪器即可实施多点测量，精度高，成本低。

附图说明

图1本发明方法流程图；

图2本发明具体实施例工作流程图。

具体实施方式

参见图1、2，本发明提供的量水方法包括下列步骤：(1)确定量水设施；(2)采集测量结果，即将各种量水传感器的测量结果输入单片机；(3)按测量结果的各参数关系判断实时水流形态；(4)根据量水设施和判断结果调用相应流量公式计算流量。常见量水设施包括堰、槽，以及矩形明渠放水口(分单孔和多孔)、矩形暗涵放水口、圆形涵管放水口等闸/涵灌区水工建筑物，不同类型量水设施的流量公式不同，因此需要事先确定具体的量水设施，如果是固定巡查几个不同量水设施的测点，可以将量水设施按顺序确定后保存，以便反复应用。闸/涵灌区水工建筑物的过流量与实时水流形态有关，也就是说，同类型量水设施在不同水流形态下的流量计算公式也是不同的。所以本仪器具有通过对测量参数之间关系的分析即可自动判断实时水流形态以及调用相应的公式计算流量并最后根据用户要求处理数据(显示、打印、上传)的功能。

本发明中涉及量水设施处的过流量一般稳定且变化相对较慢，但可能存在的水流浪涌会影响对测点水位测量的精度，为了获得能够准确反映一个时段内量水设施中的流量，本发明通过多次试验，主要采取了滑动平均法的数字滤波，即对每一个测点传感器的信号连续采集256×2^N次，经算术平均处理后，将其平均值作为一个有效的测量值。由于A/D每次转换时间为35μs，加上程序运行的耗时，经测试，获得一个N＝0的有效测量值约需10ms。每一个测点对应一个系数N，N值取值范围为0～10，可通过仪器键盘输入系统存贮。N值的大小可以现场测试来确定：从N＝0开始设置，仪器实时显示被测数据，如显示数据不稳定，逐渐增加N值直到显示值相对稳定为止。使用表明，数字处理能能够抑制被测信号中非正常波动对量水结果带来的影响，比如电磁干扰以及因紊流、浪涌的液位等客观现象引起的被测信号波动的情况。

为了便于实施，本发明提供了相应流量公式如下：

1.2.堰、槽

Q＝ah^b                     (m³/s)

上式中：h——为测水点水位值(m)；

        a、b——不同尺寸、不同形状渠道和不同量水设施所对应的系数值。

1.2.闸/涵灌区水工建筑物

1.2.1.矩形明渠放水口(分单孔和多孔)

无闸自由流： $Q=\mathrm{mbH}\sqrt{2\mathrm{gH}}$ 单孔：m＝0.325，多孔：m＝0.33

无闸潜流： 单孔：＝0.85，多孔：＝0.86

有闸自由流： $Q=\mathrm{\μbhw}\sqrt{2g(H-0.65\mathrm{hw})}$ 单孔：μ＝0.6，多孔：μ＝0.64

有闸潜流： $Q={\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{bhw}\sqrt{2g(H-h_1)}$ 单孔：μ′＝0.62，多孔：μ′＝0.64

1.2.2.矩形暗涵放水口

无闸自由流： $Q=\mathrm{mbH}\sqrt{2\mathrm{gH}}$ m＝0.325

无闸潜流：

＝0.85

有闸自由流： $Q=\mathrm{\μbhw}\sqrt{2g(H-0.65\mathrm{hw})}$ μ＝0.60

有闸潜流： $Q={\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{bhw}(1+\frac{0.65\mathrm{hw}}{H})\sqrt{2g(H-h_H)}$ μ′＝0.62

有压潜流： $Q=m^{\′}\sqrt{\frac{1}{0.06+{\left(\frac{m^{\′}\mathrm{hw}}{a}\right)}^2+{(1-\frac{m^{\′}\mathrm{hw}}{a})}^2}}\mathrm{bhw}\sqrt{2g(H-h_H)}$ m′＝0.62

1.2.3.圆形涵管放水口

无闸自由流： $Q=m(\frac{1.12H}{r}-0.25)r^2\sqrt{2\mathrm{gH}}$ m＝0.55

无闸潜流： ＝0.9

有闸自由流： $Q=\mathrm{\μ}(\frac{1.8\mathrm{hw}}{r}-0.25)r^2\sqrt{2g(H-0.7\mathrm{hw})}$ μ＝0.63

有闸潜流： $Q={\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{bhw}(1+\frac{0.65\mathrm{hw}}{H})(\frac{1.8\mathrm{hw}}{r}-0.25)r^2\sqrt{2g(H-h_H)}$ μ′＝0.63

有压潜流： $Q=\frac{m^{\′}(\frac{1.8\mathrm{hw}}{r}-0.25)r^2\sqrt{2g(H-h_H)}}{{\{0.06+{\left[(\frac{0.36\mathrm{hw}}{r}-0.05)\right]}^2+{[1-(\frac{0.36\mathrm{hw}}{r}-0.05)]}^2\}}^{1/2}}$ m′＝0.63

上式中：Q——通过闸、涵流量(m³/s)；

m、、μ、μ′、m′——流量系数，已固化在系统内；

b——闸、涵孔宽(m)，由键盘输入；

r——圆形涵管内半径(m)，由键盘输入；

a——矩形暗涵孔高(m)，由键盘输入；

g——重力加速度(9.81m/s²)；

H——上游或闸前水位(m)，测量值；

h_H——下游水位(m)，测量值；

h₁——闸后水位(m)，测量值；

h_W——闸门开度(m)，测量值。

为了方便实施，本发明提供具体实施时量水仪的工作流程，步骤00量水仪送电开始后，进行步骤01对系统进行初始化，然后步骤02进行自检，判断系统是否正常，若不正常(“N”)，进入步骤03，在显示器上显示错误状态。若步骤02自检正常为(“Y”)，进入步骤04，在显示器显示正常待命状态。在步骤05中进行扫描键盘，若在步骤06中判断有键按下(“Y”)，则进入步骤07，根据步骤06中所按键的功能进行相应操作(包括系数设置、功能选择、手动测试、显示、打印、存储、调用、通讯、时钟、切换、校零调谐等)，如按复位键则退出到步骤04进入待命状态，若不退出，则返回步骤06继续人机对话的操作。若步骤04、05、06流程中无键按时间达20秒(步骤09中的“Y”)，则结束待命状态，系统进入量水工作状态，进行步骤10启动模/数(A/D)信号转换，接着在步骤11进行各通道信号采集，传感器信号输入量水仪。在步骤12中，单片机根据采样信号自动选用计算公式、调用系数，在步骤13中进行计算。在步骤14中，进行数据处理，数据处理包括自动发送数据、自动打印输出(“自动”可以设置为“开”或“关”)、刷新显示内容。所有采集数据和计算结果在步骤15存贮到系统的非易失数据存贮器里，在流程步骤16判断操作人员是否要求退出循环测试状态，按复位键退出(步骤16的“Y”)到步骤04显示正常待命状态；如不进行退出操作(步骤16的“N”)，流程则返回步骤10重复进行测量工作。

采用本发明进行量水仪操作无需在测水点处建造水位测井，就是说单机在移动巡测使用时，对测水点只有位置和知道相对高程的要求，即各测水点必须选择在流道上符合测试规范要求的位置，比如当量水设施为长喉槽时，测水点应选择在长喉槽上游1.5～2.0m处，测点离流道底的高度可通过现场测定后存入仪器。测试时，如采用压力式水位传感器，只需将传感器探头放入测水点处的流水中，按量水仪的[测试]键即可；如采用超声波水位传感器，只需将传感器探头对准测水点处流水水面后按量水仪[测试]键；如果有的位置不便使用传感器进行测量操作，则可以在该测水点处安装固定水尺，把通过水尺读出的水位值输入量水仪同样能十分方便地完成测量。由于本发明采取了十分有效的平滑式数字滤波及处理后能生成一个满足中华人民共和国行业标准“水工建筑物测流规范”(SL 20-92)精度要求的测量值，因此无需专门建造水位测井。当然建造水位测井可以提高测量精度，但同时也增加了投资成本，增加了对测井进行管理的责任和工作量。

Claims (4)

1.一种利用量水仪的量水方法，其特征在于：

该方法包括下列步骤，

(1)确定量水设施；

(2)采集测量结果；

(3)按测量结果的各参数关系判断实时水流形态；

(4)根据量水设施和判断结果调用相应流量公式计算流量。

2.如权利要求1所述的量水方法，其特征在于：采用平滑式数字滤波法对测量结果进行修正。

3.如权利要求1或2所述的量水方法，其特征在于：量水设施包括堰、槽，以及矩形明渠放水口(分单孔和多孔)、矩形暗涵放水口、圆形涵管放水口等闸/涵灌区水工建筑物，闸/涵灌区水工建筑物的流量与实时水流形态有关，各相应流量公式如下，

1.1.堰、槽

    Q＝ah^b                  (m³/s)

上式中：h——为测水点水位值(m)；

        a、b——不同尺寸、不同形状渠道和不同量水设施所对应的系数值。

1.2.闸/涵灌区水工建筑物

1.2.1.矩形明渠放水口(分单孔和多孔)

无闸自由流： $Q=\mathrm{mbH}\sqrt{2\mathrm{gH}}$ 单孔：m＝0.325，多孔：m＝0.33

无闸潜流： 单孔：＝0.85，多孔：＝0.86

有闸自由流： $Q=\mathrm{\μbhw}\sqrt{2g(H-0.65\mathrm{hw})}$ 单孔：μ＝0.6，多孔：μ＝0.64

有闸潜流： $Q={\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{bhw}\sqrt{2g(H-h_1)}$ 单孔：μ′＝0.62，多孔：μ′＝0.64

1.2.2.矩形暗涵放水口

无闸自由流： $Q=\mathrm{mbH}\sqrt{2\mathrm{gH}},m=0.325$

无闸潜流：

有闸自由流： $Q=\mathrm{\μbhw}\sqrt{2g(H-0.65\mathrm{hw})},\mathrm{\μ}=0.60$

有闸潜流： $Q={\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{bhw}(1+\frac{0.65\mathrm{hw}}{H})\sqrt{2g(H-h_H)},{\mathrm{\μ}}^{\′}=0.62$

有压潜流： $Q=m^{\′}\sqrt{\frac{1}{0.06+{\left(\frac{m^{\′}\mathrm{hw}}{a}\right)}^2+{(1-\frac{m^{\′}\mathrm{hw}}{a})}^2}}\mathrm{bhw}\sqrt{2g(H-h_H)},m^{\′}=0.62$

1.2.3.圆形涵管放水口

无闸自由流： $Q=m(\frac{1.12H}{r}-0.25)r^2\sqrt{2\mathrm{gH}},m=0.55$

无闸潜流：

有闸自由流： $Q=\mathrm{\μ}(\frac{1.8\mathrm{hw}}{r}-0.25)r^2\sqrt{2g(H-0.7\mathrm{hw})},\mathrm{\μ}=0.63$

有闸潜流：

$Q={\mathrm{\μ}}^{\′}\mathrm{bhw}(1+\frac{0.65\mathrm{hw}}{H})(\frac{1.8\mathrm{hw}}{r}-0.25)r^2\sqrt{2g(H-h_H)},{\mathrm{\μ}}^{\′}=0.63$

有压潜流：

$Q=\frac{m^{\′}(\frac{1.8\mathrm{hw}}{r}-0.25)r^2\sqrt{2g(H-h_H)}}{{\{0.06+{\left[(\frac{0.36\mathrm{hw}}{r}-0.05)\right]}^2+{[1-(\frac{0.36\mathrm{hw}}{r}-0.05)]}^2\}}^{1/2}},m^{\′}=0.63$

上述各式中：Q——通过闸、涵流量(m³/s)；

       m、、μ、μ′、m′——流量系数；

       b——闸、涵孔宽(m)；

        r——圆形涵管内半径(m)；

        a——矩形暗涵孔高(m)；

        g——重力加速度(9.81m/s²)；

        H——上游或闸前水位(m)；

        h_H——下游水位(m)；

        h₁——闸后水位(m)；

        h_W——闸门开度(m)。

4.如权利要求3所述的量水方法，其特征在于：所述实时水流形态的判断依据如下，

当h_W/H＞0.65 h_H/H＜0.7时，水流形态属无闸自由流；

当h_W/H＞0.65 h_H/H≥0.7时，水流形态属无闸潜流；

当h_W/H≤0.65 h₁＜h_W时，水流形态属有闸自由流；

当h_W/H≤0.65 h₁＞h_W时，水流形态属有闸潜流。

h_H——下游水位(m)；

h₁——闸后水位(m)；

h_W——闸门开度(m)。

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