感應(yīng)式電子數(shù)字水位流量計的研制

感應(yīng)式電子數(shù)字水位流量計的研制

0管理節(jié)水的由來由于新疆獨特的氣候特點，其農(nóng)業(yè)是典型的灌溉農(nóng)業(yè)。要提高水資源利用率，有必要通過灌溉。新疆灌區(qū)目前存在的主要問題有管理水平低,量水設(shè)施匱乏,技術(shù)落后,導(dǎo)致量水粗放,水費分攤,用水者節(jié)水意識差,灌區(qū)水利用率低,水資源浪費嚴重。灌溉節(jié)水中管理節(jié)水措施節(jié)水量可占節(jié)水潛力的20%～30%,管理節(jié)水的主要節(jié)水手段之一是對配水、用水量的測量和監(jiān)控,但現(xiàn)有的量水設(shè)施和技術(shù),都很難適應(yīng)于現(xiàn)代的、容易接受的測量和監(jiān)控的基本要求,已成為管理節(jié)水的瓶頸。根據(jù)灌區(qū)灌溉系統(tǒng)工程布置、工作特點與實際需要,在干、支、斗、農(nóng)、毛渠或低壓管道上設(shè)置測站或測點,選擇適宜的量水設(shè)施(包括量水建筑物、觀測儀器儀表、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等)進行觀測與計量,以便合理、適時而又準確地控制引配水量。在滿足農(nóng)作物需水的前提下,實施節(jié)約用水,提高水資源的有效利用率,并為推行有償供水、計量收費是管理節(jié)水的重要內(nèi)容。特別是在擁有466.7萬多hm2灌溉面積、需要量測進入田間的農(nóng)口約35萬個、干支斗口約5萬個的新疆地區(qū),研制適宜于各級渠道的量水設(shè)施和技術(shù)是實現(xiàn)管理節(jié)水的重要環(huán)節(jié)。灌區(qū)節(jié)水配套設(shè)施與信息化管理技術(shù)的新儀器——“水位流量計”,對于農(nóng)業(yè)灌溉也可稱為“農(nóng)村電子數(shù)字水尺”或“農(nóng)田電子水表”,比常規(guī)的量水設(shè)施的測量操作更方便、更穩(wěn)定、真實、可靠。自動記錄的整個累積水量過程數(shù)據(jù)更加直觀,更有利于灌區(qū)的接受和推廣,對提高管理節(jié)水水平,具有顯著的推動作用,并有十分廣闊的市場空間和社會效益。1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1量水建筑物及量水儀表灌區(qū)量水設(shè)備和量水技術(shù)是實現(xiàn)計劃用水和控制灌水質(zhì)量的基本措施,是實行按方收費、促進節(jié)約用水的必要工具和手段。概括來講,現(xiàn)有的量水設(shè)施主要有量水建筑物、量水堰槽和量水儀表三大類。量水建筑物包括啟閉式閘、涵、跌水、拱涵、渡槽、倒虹吸、標準斷面等;量水堰有薄壁堰、寬頂堰、三角堰、平坦V形堰等;量水槽有適用于各種斷面的長喉道量水槽、矩形或梯形斷面的巴歇爾量水槽和無喉道量水槽等;量水儀表有超聲波流量計、電磁流量計、蝸輪流量計、流速儀、水表、壓力式水位計、浮子式水位計、超聲波水位計、激光水位計等。而且,各種量水方法和設(shè)備都有其特定的適用范圍和條件。1.2突破了傳統(tǒng)量水設(shè)施的局限性,方便了用戶常規(guī)的量水設(shè)施不能進行實時測報,時間水量不統(tǒng)一,測量數(shù)據(jù)精度不高,具有時間的間隔性,測量費時費力。其他自動量水設(shè)施,如超聲波水位計和自計水位計等價格高、技術(shù)要求高,用戶不易接受。而“水位流量計”就像城市家家戶戶用的水表一樣,該設(shè)備克服了以上量水設(shè)施的缺點,比常規(guī)的量水設(shè)施的測量操作更方便、更穩(wěn)定,數(shù)據(jù)更加真實、可靠?？砂凑疹A(yù)先設(shè)定的量測要求自動記錄整個水位、流量與累積水量的過程,以數(shù)字數(shù)據(jù)直接儲存、顯示、傳輸,使用更加方便、數(shù)據(jù)更加直觀、處理更加容易,更有利于水管人員和農(nóng)民接受與大范圍推廣應(yīng)用。2“字水位傳感器”技術(shù)開發(fā)水位流量計是一種用于明渠流量測量的儀器。利用專利獲獎產(chǎn)品“感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器”技術(shù)設(shè)計開發(fā)。采用最新微控制器和電源管理模塊,全新的設(shè)計理念,設(shè)計的低功耗一體式水位流量計,可廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)灌溉、河道水渠輸水調(diào)度、城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的水位測量及控制、污水處理等環(huán)保工程中。2.1測試儀表內(nèi)部安裝該儀器采用先進的組態(tài)方式,可以根據(jù)實地使用對傳感器進行設(shè)置。并可嵌入各種渠道類型的流量計算參數(shù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存方式,無線接口。具有高可靠性,密封,強度高,三防處理,抗腐蝕,內(nèi)部安裝牢固,無外部引線,適合野外無人環(huán)境應(yīng)用。特低功耗,無需外部供電,采樣時間短,非采樣時功耗極低,內(nèi)置電池可連續(xù)工作6個月。配套手操器可提供全中文提示,為用戶提供了良好的人機界面,通過手動置數(shù),可對各種參數(shù)進行設(shè)置、查詢、修改等。內(nèi)置實時時鐘,精度可調(diào)整,可以準確記錄采樣時刻的時間。儀表內(nèi)配有大容量的數(shù)據(jù)存儲器,對所有設(shè)置的參數(shù)和測量數(shù)據(jù)會長久保存,即使去掉電池,數(shù)據(jù)亦可保存期10年以上。儀表內(nèi)置科學(xué)的數(shù)字濾波方式及防波浪功能,能夠有效地解決波浪對水位測量的影響,使測量值穩(wěn)定、真實、可靠。2.2該設(shè)備的主要技術(shù)(1)水位差的精度水位測量精度為4mm,水位分辨能力為2mm,流量測量精度為±2%～5%(和選擇的渠道測量類型有關(guān))。(2)流量矩陣的供電電源為AA型5號電池3節(jié)共1500mAh,電源消耗很低,采樣時≤30mA,非采樣時≤30uA。(3)水位流量計為80cm長,測量確定一個百外型尺寸為4cm×4cm×40cm,傳感器以40cm為單位,可根據(jù)要求組裝成80cm,120cm和160cm等不同長度的水位流量計,重量為1.4kg(帶40cm長傳感器)。水位流量計頂部有一顯示器,可以實時顯示水位、瞬時流量、時間或累計流量。(4)采樣間隔和內(nèi)存容量所記錄的水位范圍為0～1.600m,累積水量量范圍為0～4.29×107m3,斜率范圍0.500～1.000,記錄的采樣間隔為1～20min,在水位穩(wěn)定時自動1h記錄1次。內(nèi)存容量為2MB。手操器對水位流量計的工作參數(shù)可直接進行檢查和修改。(5)水位和計數(shù)工作環(huán)境工作時所需的環(huán)境溫度為-10～50℃,工作溫度為0～60℃,保存溫度為-40～80℃,工作濕度≤95%RH。2.3水位流量計算的原理2.3.1測量值的保證測量構(gòu)成水位流量計主體的傳感器,將水位信號以非接觸方式,直接以數(shù)字信號形式精確的采集,對于因波浪及雨淋等引起的無效干擾信號進行智能化判定和處理,以保證測量值的有效性。對于因波浪及雨淋等引起的無效干擾信號進行智能化判定和處理,以保證測量值的有效性。根據(jù)水渠流量測量規(guī)定,在標準測量堰槽底部有一個高出渠底的坎,造成渠底積水,當水位低于一定值時,流量已不可計算。并且在水渠非流水期間,由于傳感器安裝位置較低或因水流沖擊在傳感器底部形成一個積水坑,或經(jīng)過長時間輸水后的泥沙淤積,會在傳感器底部堆積泥沙,在這些情況下,會產(chǎn)生一個虛假的水位信號。這些無效的低水位信號數(shù)據(jù)會造成存儲器資源占用,使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存時間延長,后期處理時數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)增加,檢索速度和進行數(shù)據(jù)分析受到影響。水位流量計設(shè)置了小信號切除值,以減少無效數(shù)據(jù)量,并采取壓縮保存,當水位低于小信號切除值時,會最多1h保存1次;當水位高于小信號切除值時,當前采樣值與最后一條保存值比較相差超過波動范圍再根據(jù)保存格式直接保存水位。2.3.2溫度測量的檢測在現(xiàn)階段的水文測報,尤其是應(yīng)用在渠道流量測量中,流量都是通過人工利用水位流量關(guān)系曲線進行測量,還沒有可以直接對流量進行精確測量的儀器,該儀器將人工計算流量的這部分工作與水位測量進行了整合。在不標準的渠道流量可以利用通過手操器傳入的水位流量關(guān)系曲線與測量的水位進行計算;在標準斷面以通過對渠道斷面的選擇來進行流量的計算,根據(jù)國家標準《堰槽測流規(guī)范》(SL24-91),儀器內(nèi)部固定存放了幾種標準堰槽(巴歇爾槽、孫奈利槽、梯形薄壁堰和V形薄壁堰)的計算公式及相應(yīng)的可選擇參數(shù),只要輸入渠道的類型、渠道的參數(shù)既可進行流量計算。2.3.3數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)存水位流量計數(shù)據(jù)處理部分主要由低功耗微控制器、實時時鐘電路、大容量存儲器組成,根據(jù)已設(shè)定的采樣時間間隔,定時啟動微控制器進行數(shù)據(jù)采集,并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過運算處理后,連同采集時間一起都保存在非易失存儲器中。當數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存時,通過無線通訊方式轉(zhuǎn)存到手操器中,手操器中的數(shù)據(jù)可以直接與電腦相連接,最終形成數(shù)據(jù)性的文本文件。實測的水位和根據(jù)水位計算出的瞬時流量及累計水量都可以直接在水位流量計的顯示屏上實時顯示。3現(xiàn)在，灌溉3.1開都河流域類型本次試驗灌區(qū)位于天山山脈南部主脈與支脈所構(gòu)成的焉耆盆地,焉耆盆地地表水、地下水均比較豐富,是高度充水盆地。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育,灌區(qū)的大部分水源來自于地表水,引于水量豐富的開都河。區(qū)內(nèi)西紅柿、辣子紅色素含量高,番茄醬、辣椒醬成為本區(qū)出口的拳頭產(chǎn)品。結(jié)合本次試驗的特點,分別取了兩個典型的灌區(qū)。灌區(qū)一位于焉耆縣27團灌區(qū),該灌區(qū)的引水來自于解放干渠,解放干渠為防滲干渠,全長18km,引水流量達30m3/s,有6個支渠,該灌區(qū)水流平穩(wěn),渠道的斷面標準;灌區(qū)二位于和碩縣,灌區(qū)水源來自于山中的水庫,給3個農(nóng)場供水,由于渠道位于山區(qū),坡度比較大,水流速度急,渠道為了防止沖刷,渠壁比較粗糙。3.2通過用水戶進行灌區(qū)一用水實行三級管理:焉耆水管處→27團渠管理處→連隊水管單位,即27團渠管理處從焉耆水管處解放干渠引進水量,通過27團6個支渠的配水點配水到各連隊,各連隊對用水戶進行水費的征收。灌區(qū)二的用水管理是通過和碩縣水管部門直接與用水戶進行水費的收取。其中用水量監(jiān)測由水管部門人工記錄,并人工進行流量的測量,繪制水位流量曲線圖表。這種管理具有一定的局限性,用水戶對數(shù)據(jù)經(jīng)常持懷疑態(tài)度,因此經(jīng)常產(chǎn)生水費糾結(jié)的問題。灌區(qū)二由于分水閘位于山口,距離較遠,經(jīng)常出現(xiàn)漏水、偷水等現(xiàn)象。該用水管理模式因水位的記錄等問題給水費的征收帶來了一定的困難。4灌溉4.1水位流量平衡安裝4.1.1保護裝置設(shè)計由于水位流量計應(yīng)用于野外,必要的保護裝置是必須的。根據(jù)該儀器的外觀和應(yīng)用于渠道進行水位的測量的特點,設(shè)計了一套便于安裝和不影響對水位測量的保護裝置。該裝置主體由鋼管構(gòu)成,為了便于水流的暢通,管體進行均勻的打孔處理,密度能保證水流暢通不產(chǎn)生涌水的現(xiàn)象,管體底部可嵌入渠底保證整個保護裝置的牢固性和穩(wěn)定性,管體頂部由一個可以拉開和上鎖的保護罩構(gòu)成。這個保護裝置具有很好的防護性,并且便于安裝。4.1.2水位流量計的安裝根據(jù)灌區(qū)渠道的不同特點,形成了不同的安裝方式。灌區(qū)一的水流比較平穩(wěn),渠道平緩標準,故將水位流量計安裝到渠道的內(nèi)部,大部分安裝到渠道的側(cè)橋處。根據(jù)不同的深度安裝了不同長度的水位流量計(800mm、120mm、160mm),如圖1。灌區(qū)二的水流比較急,渠道坡度大,故在渠道旁邊建一豎井,將水位流量計放于豎井內(nèi)進行監(jiān)測,如圖2。4.2水位計算的應(yīng)用4.2.1水位流量計與人工觀測的數(shù)據(jù)誤差在灌區(qū)的試驗階段對水位流量計的數(shù)據(jù)精確性與人工觀測數(shù)據(jù)進行了針對性的對比,具體數(shù)據(jù)見圖3。在近半個月的運行中可以看出,水位流量計與人工觀測的數(shù)據(jù)誤差不超過±2cm,符合規(guī)范要求。從圖中可以看出,在8月14日又一次明顯的停水過程,但人工由于各種原因沒能觀測到此次停水過程,而水位流量計的自計功能記錄了此次過程。由此可見,水位流量計比人工觀測的數(shù)據(jù)更具有實時、精確等特點。能夠真實的反映出整個用水的過程,對用水真正做到了實時監(jiān)測。4.2.2數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笏涣髁繑?shù)據(jù)的傳輸與處理技術(shù)是這次應(yīng)用的關(guān)鍵,與傳統(tǒng)的人工記錄相比,其數(shù)據(jù)讀取更加方便快捷。原來的人工觀測由于受環(huán)境或人為的因素影響,有時不能按規(guī)定進行觀測,造成數(shù)據(jù)的不連續(xù),直接影響到水量的準確性。有些觀測點由于距離較遠,進行一次數(shù)據(jù)的讀取也比較的困難,數(shù)據(jù)讀取的次數(shù)也相應(yīng)的減少,因此對水量的計算帶來了更不確定的因素。水位流量計的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵是手操器,手操器可以同時對多個水位流量計進行數(shù)據(jù)的傳輸。水位流量計的數(shù)據(jù)存儲量可達2M,相當于2年時間的水位流量數(shù)據(jù)(每1h記錄1次)。手操器與水位流量計通過無線連接進行數(shù)據(jù)的傳輸和參數(shù)的設(shè)置,無需將水位流量計取出或下水進行數(shù)據(jù)的傳輸,而且可以根據(jù)需要隨時對數(shù)據(jù)進行讀取。人工也可通過顯示器進行數(shù)據(jù)的比對和讀取記錄。4.3水位數(shù)據(jù)的應(yīng)用和解決4.3.1編制水位流量率定軟件渠道的水量計算的關(guān)鍵是水位與水位流量關(guān)系曲線,由于渠道的水位流量關(guān)系曲線不是穩(wěn)定不變的,在野外通過電腦對手操器的水位流量關(guān)系曲線進行設(shè)置也不方便。為了更加方便快捷的將水位數(shù)據(jù)處理成為流量數(shù)據(jù),最終得到精確的用水量,編制出一套水位流量率定軟件,利用該軟件水位數(shù)據(jù)通過人工測量的水位關(guān)系曲線可以準確的推算出流量數(shù)據(jù)。并且利用該軟件計算出的水位流量數(shù)據(jù)直接將水管部門需要的水位流量對照表、水量日報表、月報表和年報表等水資源管理表格輸出打印。通過此軟件與水位流量計水位數(shù)據(jù)的結(jié)合使用,水管部門對水資源的管理進一步的達到精確、快捷,為灌區(qū)量水向信息化和自動化奠定了基礎(chǔ)。4.3.2形成了高效的測量管理機制在基層的水管部門中最難的工作就是與用水戶之間水量達成一致。為此在試驗期間與當?shù)厮懿块T合作,開發(fā)出從引水籠口至用水戶的干、支、斗、農(nóng)渠水位、水量監(jiān)測、運行管理、水費計算、征收等灌區(qū)量水的應(yīng)用管理體系,形成了水管部門+用水協(xié)會+農(nóng)戶為一體化的灌區(qū)量水運作模式。灌區(qū)內(nèi)部與用水戶協(xié)作,進行用水戶測量技術(shù)培訓(xùn),使用戶掌握新測水技術(shù),用水戶與水管理部門進行實時量測,確保數(shù)據(jù)準確、真實,透明公開,配水量和用水量基本達到一致。做到計劃配水,定額用水,達到節(jié)水灌溉的目的,逐步實現(xiàn)灌區(qū)“量水到戶、按方收費”的目標。5實時測報,精密測量水位流量計通過傳