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1、明渠流量监测系统方案设计北京金水中科科技有限公司201 年10月10日目 录一、系统网络结构及组成二、明渠流量计的种类及选型（测流方法及选择）(一)、明渠流量计的种类（明渠测流方法）1、水位法2、流速面积法3、两种方法的比较(二)、明渠流量计的选型（测流方法选择）1、宽度20米以上的宽浅渠道的测流方法选择2、宽度20米以内的窄渠道的测流方法选择三、数据传输方案四、电源系统五、监控管理软件六、设备典型配置及预算附件:相关设备性能及技术指标一、系统网络结构及组成 系统网络结构图： 其中：流量计由水位流速传感器与终端机（二次仪表）组成； 监控管理软件安装于服务器上。 通讯仪器可选无线通讯设备或有线网
2、络通讯设备。 电源系统可采用民用供电系统或太阳能供电系统，也可使用电池供电。系统组成： 明渠流量计通讯仪器监控软件及服务器电源系统二、 明渠流量计的种类及选型（测流方法及选择）（一）明渠流量计的种类（明渠测流方法）明渠测流方法从原理上可分为两大类：水位法与流速面积法。水位法是通过测量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并经经验公式或实验曲线换算成流量来实现计量的。 流速面积法不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（实际上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速来求得流量。1、水位法水位法流量计实际上是水位计加辅助的工程建筑物的总称。辅助的工程建筑物主要有：量水槽（巴希尔槽、无喉道量
3、水槽等）量水堰（薄壁堰、三角堰、宽顶堰等）标准断面（指顺直的规则断面）闸孔涵洞 水位计主要有：超声波水位计（接触式式）超声波水位计（非接触式式）浮子式水位计压力式水位计雷达水位计磁伸缩水位计水尺（人工读数）一般讲如果是自由出流，用一个上游水位就可通过公式换算或查曲线求得流量，如果是淹没出流，则需要上下游两个水位。在精度方面，由高向低排列如下： 类型 精度 自由出流薄壁堰 2% 自由出流宽顶堰 3%自由出流巴希尔槽 3%自由出流无喉道量水槽 3%-5%自由出流闸孔 5%自由出流标准断面 10-20%淹没出流薄壁堰 20% 淹没出流宽顶堰 25%淹没出流巴希尔槽 25%淹没出流无喉道量水槽 25%
4、淹没出流闸孔 20-30%淹没出流标准断面 30%（上述精度是渠道小于5米且流态较稳时的理论精度，渠道越宽精度越低） 2、流速面积法流速面积法流量计主要通过测流速及水位来计算求得流量，主要有：超声波时差法 测量线流速，分单声道法与多声道法。超声波多普勒法 测量局部面流速，分为ADCP法（适合宽渠道，有固定与走航式两种。）与普通多普勒法（适合宽20米内渠道）。电磁法 测量点流速，分为单点法与多点法。流速仪法 测量点流速，人工手动测量。按渠道宽窄具体使用以下方式： 窄渠道（一般宽度在20米以下）： 普通多普勒法（纵向发射） 精度2% 时差法流量计 精度2% 电磁流量计 精度5% 流速仪法（一般是手
5、动测量，比较可靠，现场率定用。）宽渠道： 固定ADCP法（横向发射） 多普勒走航式明渠流量计 时差法明渠流量计 流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。） 3、两种方法比较水位法是通过测量量水建筑物的上游（或上、下游）水位并经经验公式或实验曲线换算成流量来实现计量的。因此水位法流量计需要修建量水建筑物，且精度不高，当渠道沿程水头差较小时，量水建筑物会产生水头损失而影响渠道过水；另一方面当量水建筑物下游附近建有闸门等挡水建筑物时会在量水建筑物处形成淹没出流，此时测量精度会大幅下降。水位法一般应用于宽度比较小或流量比较小的渠道，渠道宽度超过1米时，量水建筑物造价会增加很多，而此时不做量水建
6、筑物直接用渠道的水位流量经验关系曲线测流时精度会很低。 流速面积法则不需修建量水建筑物，通过测量过水断面面积（实际上过水断面面积是通过测量的水位来换算求得的）与断面流速来求得流量，并且精度高，且不受下游顶托水的影响。流速面积法流量计主要有超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计。 由于超声波时差法流量计与超声波多普勒法流量计过去主要以国外产品为主，国内几乎没有同类产品，因此造价很高，一般在主要干渠及重要支渠上安装此类产品，斗口很难普及，一般均以水位法流量计（水位计+量水建筑物）作为斗口计量的主要设备。由北京金水中科科技有限公司开发生产的HOH-L-01型超声波多普勒流量计，在技术性能与国外同类
7、产品一样的情况下，极具价格优势，特别是当渠道宽度较大时，其价格低于水位计与量水建筑物的造价之和，因此明渠流量计可首选HOH-L-01型超声波多普勒流量计。（二）明渠流量计的选型（测流方法选择）1、宽度20米以上的宽浅渠道的测流方法选择 渠道宽度在20米以上时，水位法误差会很大，因此只能采用流速面积法测流。可选用的流速面积法目前主要有以下四种方法： 固定ADCP法（横向发射） 多普勒走航式明渠流量计 时差法明渠流量计 流速仪法（一般是手动测量，比较可靠，现场率定用。） 其中、需要人工辅助测量，不能在线自动监测；、为目前主要采用的在线监测方法。时差法明渠流量计适用于清水，水中汽泡与杂质不宜过多，有
8、单声道与多声道之分，安装于渠道的两岸，安装精度要求高，维护费用也高，目前使用比较少。固定ADCP法（横向发射）原理为多普勒法，适用于污水及有汽泡或杂质的清水，有单探头与多探头之分，安装于渠道单侧，安装维护相对简单，目前被广泛使用。2、宽度20米以内的窄渠道的测流方法选择 如果水位法能满足测流要求，则尽量用水位法，原因主要有： 安全性好：其野外防盗防破坏及防淤积性能均优于流速面积法。 可靠性好：不受水中悬浮物干扰，不易受环境影响。 安装维护简单：不需停水安装与检修。水位法流速面积法：修建量水建筑物一般需要，费用随渠道宽度增加而增加。不需要渠宽限制20米以内没有顺直段要求前10后5前10后5可靠性
9、及安全性高一般精度有些情况下高（如薄壁堰），有些很低（淹没出流标准断面）。普遍高水头损失有没有受下游雍水影响大没有造价随渠宽增大而增大与渠宽没关系流速面积法的选型： 流速仪一般用于人工手动校核率定测量，不用于自动监测，ADCP一般用于宽渠道的测量，且价格很高。一般中小渠道流速面积法的选择主要三种类型：超声波时差法（分单声道法与多声道法） 如：RISONIC2000（瑞士）超声波多普勒法 如：HOH-L-O1（北京金水中科）电磁法（分单点法与多点法） 如：LMM-601）超声波时差法（分单声道法与多声道法）实物安装图如下图：安装示意图如下：测流原理如下图：断面的平均流速等于=(V1*A1+V2*
10、A2+Vi*Ai+Vn*An)/A Vi :第i个流速探头测量的平均线流速Ai :第i个分割面积2）超声波多普勒法实物安装图如下图: 安装示意图如下图:测流原理如下图:断面的平均流速=实际测速范围内的杂质最大概率流速 3）电磁法（分单点法与多点法） 实物安装图如下图：安装示意图如下图: 测流原理如下图：以三点法为例:断面的平均流速等于=(V1 *A1+V2*A2+V3*A3)*K/A Vi :第i个流速探头测量的点流速 Ai :第i个分割面积 K: 模型转换系数以上三种方法相互比较如下： 测速原理均是测出标准断面上的部分流速来换算为整体断面的平均流速，其中超声波时差法的单声道法与电磁法的单点法
11、在渠道水位变化时流速探头会接近甚至露出水面，因此精度不会很高，所以这里只比较以下三种测量方法的精度：超声波时差法（多声道法）电磁法（多点法）超声波多普勒法从理论上讲，三种方法测得的各自测流范围的流速精度应该都是很高的，都在1%以内，关键是换算为断面整体平均流速时其计算模型会产生误差，因此这三种方法的实际断面流量测量精度主要是换算模型及公式的精度及校准精度。从上述测量原理图中可以看出电磁法（多点法）的实际测量范围是点，超声波时差法（多声道法）的实际测量范围是线，超声波多普勒法的实际测量范围为面，比较如下图： 从上述测量范围可以看出，超声波时差法（多声道法）的测量范围完全包含了电磁法（多点法）的测
12、量范围，因此前者的精度肯定会比后者高（实际应用中可能后者的测量精度有时会高于前者，这主要是由于安装位置、安装精度、校准方法等引起的，如果在同样的位置并采用同样的安装精度及校准方法，后者的精度肯定不会高于前者。）。所以下面只对超声波时差法（多声道法）与超声波多普勒法的测量精度及优缺点进行比较。 水质要 求安装维护价格可靠性测 量 精 度宽浅渠道（渠宽5倍水深）中等渠道（5倍水深渠宽水深）窄渠道（渠宽水深）超声波时差法（多声道法）清水，水中漂浮物要少难高中高高一般超声波多普勒法浑水，水中需有杂质或气泡易中中一般高很高（对窄渠道（一般宽度在20米一下）多普勒法（纵向发射）流量计与时差法流量计相比，当水位波动较大时，前者精度较高，当流态左右岸不均匀时，后者较高。）如何提高测量精度 以上三种测流方法在实际应用中其实际测量精度与理论精度（即仪器出厂标定精度）肯定会有一定的差距，这主要是由于安装位置、
