超声波明渠流量综合监测仪及测量方法.pdf

本发明公开了超声波明渠流量综合监测仪及测量方法，属于计量领域，监测仪包括水下的测量设备和水上的控制设备，两设备通过电缆连接，控制设备向测量设备发送测量命令，测量设备检测流速及液位，并传输结果给控制设备，控制设备将接收的结果存储并显示出来。所述方法具体步骤见说明书。本发明利用超声多普勒原理测量流速，超声时差法原理测量液位，同时测量水温。本发明可随时修改仪器工作参数，避免传感器的淤积与堵塞故障发生，及时显示当前工作状态，发现故障及时报警；有利于减少功耗；适用于较大宽度的河流或渠道的测量；分体式超声

1.  一种超声波明渠流量综合监测仪，包括水下的测量设备和水上的控制设备，测量设备及控制设备通过电缆连接，其特征在于：所述控制设备向所述测量设备发送测量命令，所述测量设备检测渠道的流速、液位及温度，并通过将检测结果传输给所述控制设备，所述控制设备将接收的检测结果存储并显示出来。

2.  根据权利要求1所述的超声波明渠流量综合监测仪，其特征在于：所述测量设备具体包括信号处理模块及与信号处理模块相连的流速测量模块、液位测量模块、温度测量模块和通讯模块，所述控制设备具体包括主控模块及与主控模块相连的供电模块、存储模块、显示模块和通信模块。

3.  根据权利要求2所述的超声波明渠流量综合监测仪，其特征在于：所述测量设备与所述控制设备通过485口进行通信连接，所述测量设备与所述控制设备通过所述电缆供电，在测量时供电，测量间隙断电。

4.  根据权利要求2所述的超声波明渠流量综合监测仪，其特征在于：所述流速测量模块为超声多普勒流速测量模块，所述流速测量模块利用频谱分析方法获得超声多普勒信号频谱，计算平均流速；所述液位测量模块为超声时差液位测量模块，所述液位测量模块利用超声时差法测量液位。

5.  根据权利要求2-4任一权利要求所述的超声波明渠流量综合监测仪，其特征在于：所述流速测量模块包括超声流速传感器，所述超声流速传感器嵌入所述明渠的渠壁安装。

6.  用于权利要求1所述一种超声波明渠流量综合监测仪的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A在所述明渠水面以外安装主控设备，在所述明渠的水下安装测量设备；
步骤B水上的主控设备向水下的测量设备发射信号；
步骤C水下的测量设备接收信号并开始测量，所述测量包括利用频谱分析方法获得超声多普勒信号频谱测平均流速、利用超声时差法测水深以及利用温度传感器测水温；
步骤D水下的测量设备将测量结果传送到水上的主控设备中，并由主控设备将测量结构存储并显示出来。

7.  根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤A中的测量设备中的超声流速传感器是嵌入在靠近所述明渠底部的侧壁安装，所述超声流速传感器以倾斜的角度发射超声波。

8.  根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述明渠为矩形渠，则所述的倾斜角度为H＝(H_max+H_min)/2。

超声波明渠流量综合监测仪及测量方法
技术领域
本发明属于超声流量测量技术领域，具体涉及到一种超声波明渠流量综合监测仪及测量方法，该监测仪可以应用于开渠、河流等的流量计量。
背景技术
随着人口增长、经济发展和人民生活水平提高，水资源日益成为关系国计民生的战略资源。对水资源的调查、评估以及有计划合理利用已经成为国家的重要职能。因此，对水资源的计量，尤其是河流和渠道的水流量计量，具有重要意义。
目前明渠或河流流量测量的主要方法有：液位法与流速面积法。
液位法主要依据水力学基本原理，当水流过标准的槽或堰(典型的如帕歇尔槽、三角堰、矩形堰、等宽薄壁堰)时，流量与液位高度成一定的函数关系，通过测量流过标准断面的液位，换算成流量。液位测量可以是手工目测，也可以利用超声波测位进行自动测量。这类方法的流量测量精度通常为±3％左右。其优点是测量简单，精度较高；缺点是对于横断面较宽的渠道或河道施工比较困难，工程量很大，长期使用，受泥沙沉积影响，精度会下降。
流速面积法同时测量渠道或河道的横断面上的平均流速和液位，根据液位得到横截面积，从而计算流量。目前比较常用的自动测量方法主要是利用超声时差法或超声多普勒法测量单点(单通道)或多点(多通道)平均流速，同时利用压力传感器或者超声波测量液位。
超声时差法采用单通道或多通道超声测量河道或渠道横断面上不同深度层的平均流速，同时测量液位，根据速度和液位计算流量。液位测量精度可达±0.1％，流速精度可达±1％，测量河渠上口宽度可达数百米。其优点是可以对很宽的河道或渠道进行测量，但由于通道数有限，流量测量精度通常不高，液位很低时无法正常测量，而且成本高昂，安装施工难度大。
超声多普勒法利用多普勒原理测量沿河道或渠道方向的流速，并用超声波或者压力传感器测量液位。根据测速方式分为单点式、多点式和ADCP(即多普勒剖面仪)。根据工作方式分为走航式和固定式。理论上走航式ADCP流量测量精度最高，固定式ADCP精度次之，单点走航式又次之，多点固定式再次之，单点固定式测量精度最低，但与此同时，设备复杂度、测量过程复杂度以及设备成本也依次由高到低。走航式测量过程复杂，单次测量成本很高，只适用于临时测量；ADCP测流设备复杂度和成本均很高，用户难以承受。
目前，我国大多数灌区明渠流量采集的主要使用水位流量关系曲线法：一方面精度低，特别是南方灌区渠道落差小取水口多，大部分为非自由出流；另一方面需要修建量水建筑物，工程造价高。流速面积法流量计量产品主要以进口产品为主，由于成本动辄几万十几万，只能在干渠及部分支渠上使用，不能普及。其次，流量计量产品多为水下一体式结构，维护费用高、使用效率差，在明渠测流设备使用过程中，由于国内的实际使用环境问题，防盗与水中杂草堵塞成为新技术产品普及的主要净瓶。
因此，急需研发出一款经济实用、价格适宜的明渠流量综合监测仪，以满足我国灌区的需求。
发明内容
本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种超声波明渠流量综合监测仪及测量方法，所述监测仪具有使用调节方便、测量准确、经济实用且价格适宜的优点，能够满足我国灌区的需求，所述测量方法具有操作简便的优点。
为了实现上述目的本发明实施例采取的技术方案是：一种超声波明渠流量综合监测仪，包括水下的测量设备和水上的控制设备，测量设备及控制设备通过电缆连接，所述控制设备向所述测量设备发送测量命令，所述测量设备检测渠道的流速、液位及温度，并通过将检测结果传输给所述控制设备，所述控制设备将接收的检测结果存储并显示出来。
所述测量设备具体包括信号处理模块及与信号处理模块相连的流速测量模块、液位测量模块、温度测量模块和通讯模块，所述控制设备具体包括主控模块及与主控模块相连的供电模块、存储模块、显示模块和通信模块。
所述测量设备与所述控制设备通过485口进行通信连接，所述控制设备通过485口向所述测量设备发出测量指令；所述测量设备则通过485口将测量结果返回给控制设备。
为了降低功耗，所述控制设备在测量时通过所述电缆向所述测量设备供电，而其它时间则关掉电源。
所述流速测量模块为超声多普勒流速测量模块，所述流速测量模块利用频谱分析方法获得超声多普勒信号频谱，计算平均流速；所述液位测量模块为超声时差液位测量模块，所述液位测量模块利用超声时差法测量液位。测量设备在上电后接收控制设备指令，开始测量。利用超声多普勒法测量平均流速，通过超声时差法测量液位，同时测量水温，测量结果返回给控制设备后完成一次测量。
为了避免淤积与堵塞故障的发生，所述流速测量模块包括超声流速传感器，所述超声流速传感器嵌入所述明渠的渠壁安装。所述温度测量模块包括温度传感器。所述的超声流速传感器及温度传感器均采用分体式结构，可以独立测试，易于标准化和更换。
所述控制设备有两个通讯模块，其中一个用于连接所述测量设备，另一个通过无线或有线通信设备将接收到的信息发送到指挥中心。所述控制设备还设有报警装置，用于故障时报警。
本发明还包括，一种用于超声波明渠流量综合监测仪的测量方法，包括如下步骤：
步骤A在所述明渠水面以外安装主控设备，在所述明渠的水下安装测量设备；
步骤B水上的主控设备向水下的测量设备发射信号；
步骤C水下的测量设备接收信号并开始测量，所述测量包括利用频谱分析方法获得超声多普勒信号频谱测平均流速、利用超声时差法测水深以及利用温度传感器测水温；
步骤D  水下的测量设备将测量结果传送到水上的主控设备中，并由主控设备将测量结构存储并显示出来。
所述的测量方法，其中，所述步骤A中的测量设备中的超声流速传感器是嵌入在靠近所述明渠底部的侧壁安装，所述超声流速传感器以倾斜的角度发射超声波。
所述的测量方法，其中，所述明渠为矩形渠，则所述的倾斜角度为H＝(H_max+H_min)/2。
本发明实施例的有益效果可概括为以下五个方面：
(1)由于本发明采用水上的控制设备、水下的测量设备的分体式结构，相对于水下一体式结构，可以及时显示当前工作状态，发现故障及时报警，并可以随时修改仪器工作参数；
(2)本发明所述控制设备在测量时才给水下模块供电，有利于减少功耗；
(3)本发明所述的流速超声传感器安装于明渠的渠道侧壁，避免了淤积与堵塞故障的发生；
(4)本发明所述的控制设备可以通过有线或无线方式与指挥中心连接，方便指挥中心随时调取历史资料、查询当前状态、修改工作参数，并有利于组网；
(5)本发明所述超声波传感器、温度传感器采用分体式结构，使得独立调试更加容易，易于标准化生产。
附图说明
图1为本发明实施例所述的测量设备的主要功能模块示意图；
图2为本发明实施例所述的控制设备的主要功能模块示意图；
图3为本发明实施例所述的超声波明渠流量综合监测仪的整体外形示意图；
图4为本发明实施例所述监测仪的安装图；
图5为矩形断面流速分布图；
图6、7、8分别为本发明实施例所述检测仪在高水位、平均水位及低水位测流图。
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说明，但不作为对本发明的限定。
如图1、图2、图3所示，本发明实施例所述的超声波明渠流量综合监测仪。如图3所示，本发明所述的超声波明渠流量综合监测仪外形结构，是由水上的控制设备10和水下的测量设备20组成。其中，测量设备20包括密封电路板5、流速超声传感器4、水位超声传感器3、温度传感器2及电缆线1；控制设备10封装在仪表箱内，仪表面板上设有按键8和显示数码管7，按键8用于参数设置，显示数码管7用于结果显示；控制设备与测量设备通过电缆线6相连接。控制设备和测量设备之间通过485口进行通信连接，控制设备通过485口向测量设备发出测量指令；测量设备则通过485口将测量结果返回给控制设备。
如图1所示，本发明实施例所述的测量设备，主要包括：电源模块12、由超声波发射模块100及超声波接收模块101组成的流速测量模块、多普勒信号检测模块16、含有超声水位传感器的超声水位测量模块17、含有温度传感器的温度测量模块18、信号处理模块11以及通信模块19。其中，超声波发射模块100包括信号发生器13、功率放大器14及超声发射换能器T；超声波接收模块101包括超声接收换能器R及信号放大器15。具体，由电源模块12给整个电路供电，信号处理模块11产生发射控制信号，由信号发生器13生成发射信号波形，经过功率放大器14放大后，由超声发射换能器T向水中辐射超声波；水中粒子或气泡产生的散射回波信号由超声接收换能器R接收，经过信号放大器15放大到一定幅度，由检波器16检出多普勒信号，输入到信号处理模块11进行频谱分析，获得多普勒信号的频谱，并据此计算平均流速；另一超声水位传感器、温度传感器分别产生液位和温度信号，馈送到信号处理模块11，据此得到水深与水温。
如图2及图3，所示本发明所述的控制设备，主要包括电源模块22、显示模块23、存储模块24以及通信模块26、27。具体由电池28向电源模块22供电，产生电路所需要的各种电源，主控模块21完成整个系统的管理，通过按键控制25，接受按键8的各种参数设置和手动操作指令，按照设定参数通过通信模块26向水下部分发送命令，完成测量，接收测量结果，并将测量结果存储在存储模块24中，同时通过显示模块23将结果显示在数码显示器7上；主控模块21还可以通过通信模块27外接计算机或者MODEM，与指挥中心连接。指挥中心通过无线或有线设备随时调取历史资料、修改当前参数，并对测量数据进行后处理。
本发明所述监测仪具有三个功能：测平均流速、测水深、测水温。
技术指标设计：
流速：量程，21mm/s到4500mm/s；精度：测量流速的2％；分辨率：1mm/s。
温度：分辨率，0.2℃；量程，0℃到60℃。
水位：量程，0到3.6m；分辨率，1mm；精度，测量水位的0.2％。
电源：电池7V DC，外接6VDC～28V DC。
接口：标准RS232、RS485接口。
数据储存容量：每十分钟采集一条记录，可以存储超过1年的数据，而且这些数据即便在掉电的情况下，也可以长期不丢失。
运行温度：0℃到60℃水温。
本发明所述监测仪经过国内XXX试验地点，XXXX原灌区五干新一支、一干、焦石总干渠，试验时间一年。试验结果所述监测仪工作稳定，计量结果经过灌区试验站采用‘畅流期流速仪法’校核，完全满足灌区对渠道计量的精度要求。
本发明所述监测仪的优点总结如下：
1)全新的超声测量技术，国内领先。
流速的测定采用超声波多普勒原理，直接可测得过水断面平均流速，为国内第一台多普勒明渠流量计；水位采用超声时差原理，并为接触式，1m水深以下精度可达1mm，满足精确测量要求；
2)全新的结构设计，国际领先。
超声流速传感器采用嵌入渠壁安装的全新设计，解决了小渠道测量中的防淤积与堵塞难题，并有利于安全防盗问题，特别适合国内广大灌区末级渠道的精确计量普及，提高测量精度降低测量劳动强度，避免水量交接纠纷。
3)数据全、容量大
快速一次性测定水深、流速、水温等水情基本信息，大容量存储和上传接口更加方便管理，10分种采集一次可存储1年的数据。
4)低功耗
仪器自身电池在无外接电源情况下可连续工作3个月，适合野外无电源条件下大规模安装使用。
5)低成本
部件全部采用国产材料，集成度高，体积小，成本低，是国外同类产品的1/2-1/4。
具体的，本发明所述监测仪与其他同类产品比较，有以下优点：
①与国外同类产品比较，在主要技术性能指标完全相同的前提下，还具有以下优点：
·极具价格优势，是同类进口产品价格的1/4-1/2；
·采用水下水上分体结构，不需配置二次开仪表；
·微功耗，现地存储容量大；
·配套的中文软件，支持单机版与网络版，具有查询统计分析功能；
②与液位法流量计相比，有以下优点：
·无水头损失、不需建设槽或堰
——不需率定水位流量关系曲线，对液位法无法测量的缓流渠道特别适用；不需工程建设，无工程费用，安装迅速简便且不需断流。
·安装简单、不需水位井等辅助工程设施
——仪器传感器部分直接安装于固定于渠道壁上的可拆卸简易支架底部，并通过通信电缆与置于管理房(或微型工作间)的控制终端(具有控制、显示、存储功能)连接。
·功耗低、无需外接电源可连续野外工作
——控制终端自带小型蓄电池可连续工作3个月，充电或置换备用电池后可连续工作，也可外接大蓄电池或民用电。
·现地显示、存储，存储容量可达半年——现场自动显示最后一次所测数据，也可通过终端机上的显示控制按钮进行查询历史数据；10分钟测量一次可存储1年数据。
·同时测量流量、水位、流速、水温——水位精度可达1％、流速精度可达2％。
·标准输出接口、可直接使用GPRS、GSM通信模快进行数据远程传输——可通过远程通信设备进行测量数据的定时传输及招测等，也可进行远程参数设置(如测量时间间隔、定时传输时间间隔等)。
③与超声波时差法流量计相比：
·测量精度不受水位变化影响、不需要多组传感器——超声波时差法流量计在渠道水位变化较大时需在不同的高程间隔设置多组传感器，测量误差随水位变化而变化，其标定测量精度一般是指某一理想水位状态下的精度，当水位变化时实际测量误差将变大；
·功耗低，自带电池(可充电)可工作3个月——超声波时差法流量计一般需交流供电；
·可作为便携式流量计使用——测量时只需将传感器水平逆水流放入渠底部即可；
·价格优势明显——是现有超声波时差法流量计价格的1/6～1/3。
本发明还包括，一种用于超声波明渠流量综合监测仪的测量方法，包括如下步骤：
步骤A在所述明渠水面以外安装主控设备，在所述明渠的水下安装测量设备，如图4所示，一种在明渠底部侧壁安装，并能变角度发射的超声波多普勒测流方法，能在明渠水位变化的情况下精确地测流，安装方法以矩形渠道为例：明渠侧壁底部安装，并在渠道横截面上以一定倾斜角度发射。发射角度计算如下：

H＝(H_max+H_min)/2
其中：发射角度(渠道横截面上)、Hmax最大水深、Hmin最小水深、H平均水深、B渠道宽度。
步骤B水上的主控设备向水下的测量设备发射信号；
步骤C水下的测量设备接收信号并开始测量，所述测量包括利用频谱分析方法获得超声多普勒信号频谱测平均流速、利用超声时差法测水深以及利用温度传感器测水温；
步骤D水下的测量设备将测量结果传送到水上的主控设备中，并由主控设备将测量结构存储并显示出来。
如图5所示矩形断面流速分布图，图中的数字表示该范围内流速相对于断面平均流速的百分比。如图6-8所示，分别为本发明实施例所述检测仪在高水位、平均水位及低水位测流图，求测流范围内水中杂质的最大概率流速即为断面平均流速。
故本发明所述测量方法具有方便操作且准确的优点。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。