感應(yīng)式電子數(shù)字水位流量計(jì)的研制

感應(yīng)式電子數(shù)字水位流量計(jì)的研制

0管理節(jié)水的由來(lái)由于新疆獨(dú)特的氣候特點(diǎn)，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(guò)灌溉。新疆灌區(qū)目前存在的主要問(wèn)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(fèi)分?jǐn)?用水者節(jié)水意識(shí)差,灌區(qū)水利用率低,水資源浪費(fèi)嚴(yán)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(duì)配水、用水量的測(cè)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(cè)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(diǎn)與實(shí)際需要,在干、支、斗、農(nóng)、毛渠或低壓管道上設(shè)置測(cè)站或測(cè)點(diǎn),選擇適宜的量水設(shè)施(包括量水建筑物、觀測(cè)儀器儀表、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等)進(jìn)行觀測(cè)與計(jì)量,以便合理、適時(shí)而又準(zhǔn)確地控制引配水量。在滿足農(nóng)作物需水的前提下,實(shí)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(jì)量收費(fèi)是管理節(jié)水的重要內(nèi)容。特別是在擁有466.7萬(wàn)多hm2灌溉面積、需要量測(cè)進(jìn)入田間的農(nóng)口約35萬(wàn)個(gè)、干支斗口約5萬(wàn)個(gè)的新疆地區(qū),研制適宜于各級(jí)渠道的量水設(shè)施和技術(shù)是實(shí)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(jì)”,對(duì)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(cè)量操作更方便、更穩(wěn)定、真實(shí)、可靠。自動(dòng)記錄的整個(gè)累積水量過(guò)程數(shù)據(jù)更加直觀,更有利于灌區(qū)的接受和推廣,對(duì)提高管理節(jié)水水平,具有顯著的推動(dòng)作用,并有十分廣闊的市場(chǎng)空間和社會(huì)效益。1國(guó)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(shí)現(xiàn)計(jì)劃用水和控制灌水質(zhì)量的基本措施,是實(shí)行按方收費(fèi)、促進(jìn)節(jié)約用水的必要工具和手段。概括來(lái)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)喉道量水槽、矩形或梯形斷面的巴歇爾量水槽和無(wú)喉道量水槽等;量水儀表有超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)、蝸輪流量計(jì)、流速儀、水表、壓力式水位計(jì)、浮子式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、激光水位計(jì)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(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)報(bào),時(shí)間水量不統(tǒng)一,測(cè)量數(shù)據(jù)精度不高,具有時(shí)間的間隔性,測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力。其他自動(dòng)量水設(shè)施,如超聲波水位計(jì)和自計(jì)水位計(jì)等價(jià)格高、技術(shù)要求高,用戶不易接受。而“水位流量計(jì)”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(diǎn),比常規(guī)的量水設(shè)施的測(cè)量操作更方便、更穩(wěn)定,數(shù)據(jù)更加真實(shí)、可靠?？砂凑疹A(yù)先設(shè)定的量測(cè)要求自動(dòng)記錄整個(gè)水位、流量與累積水量的過(guò)程,以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接儲(chǔ)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(kāi)發(fā)水位流量計(jì)是一種用于明渠流量測(cè)量的儀器。利用專利獲獎(jiǎng)產(chǎn)品“感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器”技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。采用最新微控制器和電源管理模塊,全新的設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)的低功耗一體式水位流量計(jì),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(cè)量及控制、污水處理等環(huán)保工程中。2.1測(cè)試儀表內(nèi)部安裝該儀器采用先進(jìn)的組態(tài)方式,可以根據(jù)實(shí)地使用對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置。并可嵌入各種渠道類型的流量計(jì)算參數(shù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存方式,無(wú)線接口。具有高可靠性,密封,強(qiáng)度高,三防處理,抗腐蝕,內(nèi)部安裝牢固,無(wú)外部引線,適合野外無(wú)人環(huán)境應(yīng)用。特低功耗,無(wú)需外部供電,采樣時(shí)間短,非采樣時(shí)功耗極低,內(nèi)置電池可連續(xù)工作6個(gè)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(jī)界面,通過(guò)手動(dòng)置數(shù),可對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、查詢、修改等。內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘,精度可調(diào)整,可以準(zhǔn)確記錄采樣時(shí)刻的時(shí)間。儀表內(nèi)配有大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,對(duì)所有設(shè)置的參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)長(zhǎng)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(duì)水位測(cè)量的影響,使測(cè)量值穩(wěn)定、真實(shí)、可靠。2.2該設(shè)備的主要技術(shù)(1)水位差的精度水位測(cè)量精度為4mm,水位分辨能力為2mm,流量測(cè)量精度為±2%～5%(和選擇的渠道測(cè)量類型有關(guān))。(2)流量矩陣的供電電源為AA型5號(hào)電池3節(jié)共1500mAh,電源消耗很低,采樣時(shí)≤30mA,非采樣時(shí)≤30uA。(3)水位流量計(jì)為80cm長(zhǎng),測(cè)量確定一個(gè)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(zhǎng)度的水位流量計(jì),重量為1.4kg(帶40cm長(zhǎng)傳感器)。水位流量計(jì)頂部有一顯示器,可以實(shí)時(shí)顯示水位、瞬時(shí)流量、時(shí)間或累計(jì)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(shí)自動(dòng)1h記錄1次。內(nèi)存容量為2MB。手操器對(duì)水位流量計(jì)的工作參數(shù)可直接進(jìn)行檢查和修改。(5)水位和計(jì)數(shù)工作環(huán)境工作時(shí)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(jì)算的原理2.3.1測(cè)量值的保證測(cè)量構(gòu)成水位流量計(jì)主體的傳感器,將水位信號(hào)以非接觸方式,直接以數(shù)字信號(hào)形式精確的采集,對(duì)于因波浪及雨淋等引起的無(wú)效干擾信號(hào)進(jìn)行智能化判定和處理,以保證測(cè)量值的有效性。對(duì)于因波浪及雨淋等引起的無(wú)效干擾信號(hào)進(jìn)行智能化判定和處理,以保證測(cè)量值的有效性。根據(jù)水渠流量測(cè)量規(guī)定,在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量堰槽底部有一個(gè)高出渠底的坎,造成渠底積水,當(dāng)水位低于一定值時(shí),流量已不可計(jì)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(gè)積水坑,或經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間輸水后的泥沙淤積,會(huì)在傳感器底部堆積泥沙,在這些情況下,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)虛假的水位信號(hào)。這些無(wú)效的低水位信號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)造成存儲(chǔ)器資源占用,使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存時(shí)間延長(zhǎng),后期處理時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)增加,檢索速度和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析受到影響。水位流量計(jì)設(shè)置了小信號(hào)切除值,以減少無(wú)效數(shù)據(jù)量,并采取壓縮保存,當(dāng)水位低于小信號(hào)切除值時(shí),會(huì)最多1h保存1次;當(dāng)水位高于小信號(hào)切除值時(shí),當(dāng)前采樣值與最后一條保存值比較相差超過(guò)波動(dòng)范圍再根據(jù)保存格式直接保存水位。2.3.2溫度測(cè)量的檢測(cè)在現(xiàn)階段的水文測(cè)報(bào),尤其是應(yīng)用在渠道流量測(cè)量中,流量都是通過(guò)人工利用水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行測(cè)量,還沒(méi)有可以直接對(duì)流量進(jìn)行精確測(cè)量的儀器,該儀器將人工計(jì)算流量的這部分工作與水位測(cè)量進(jìn)行了整合。在不標(biāo)準(zhǔn)的渠道流量可以利用通過(guò)手操器傳入的水位流量關(guān)系曲線與測(cè)量的水位進(jìn)行計(jì)算;在標(biāo)準(zhǔn)斷面以通過(guò)對(duì)渠道斷面的選擇來(lái)進(jìn)行流量的計(jì)算,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《堰槽測(cè)流規(guī)范》(SL24-91),儀器內(nèi)部固定存放了幾種標(biāo)準(zhǔn)堰槽(巴歇爾槽、孫奈利槽、梯形薄壁堰和V形薄壁堰)的計(jì)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(jìn)行流量計(jì)算。2.3.3數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)存水位流量計(jì)數(shù)據(jù)處理部分主要由低功耗微控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、大容量存儲(chǔ)器組成,根據(jù)已設(shè)定的采樣時(shí)間間隔,定時(shí)啟動(dòng)微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后,連同采集時(shí)間一起都保存在非易失存儲(chǔ)器中。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存時(shí),通過(guò)無(wú)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(shí)測(cè)的水位和根據(jù)水位計(jì)算出的瞬時(shí)流量及累計(jì)水量都可以直接在水位流量計(jì)的顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。3現(xiàn)在，灌溉3.1開(kāi)都河流域類型本次試驗(yàn)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(lái)自于地表水,引于水量豐富的開(kāi)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(yàn)的特點(diǎn),分別取了兩個(gè)典型的灌區(qū)。灌區(qū)一位于焉耆縣27團(tuán)灌區(qū),該灌區(qū)的引水來(lái)自于解放干渠,解放干渠為防滲干渠,全長(zhǎng)18km,引水流量達(dá)30m3/s,有6個(gè)支渠,該灌區(qū)水流平穩(wěn),渠道的斷面標(biāo)準(zhǔn);灌區(qū)二位于和碩縣,灌區(qū)水源來(lái)自于山中的水庫(kù),給3個(gè)農(nóng)場(chǎng)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(guò)用水戶進(jìn)行灌區(qū)一用水實(shí)行三級(jí)管理:焉耆水管處→27團(tuán)渠管理處→連隊(duì)水管單位,即27團(tuán)渠管理處從焉耆水管處解放干渠引進(jìn)水量,通過(guò)27團(tuán)6個(gè)支渠的配水點(diǎn)配水到各連隊(duì),各連隊(duì)對(duì)用水戶進(jìn)行水費(fèi)的征收。灌區(qū)二的用水管理是通過(guò)和碩縣水管部門(mén)直接與用水戶進(jìn)行水費(fèi)的收取。其中用水量監(jiān)測(cè)由水管部門(mén)人工記錄,并人工進(jìn)行流量的測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)常持懷疑態(tài)度,因此經(jīng)常產(chǎn)生水費(fèi)糾結(jié)的問(wèn)題。灌區(qū)二由于分水閘位于山口,距離較遠(yuǎn),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(wèn)題給水費(fèi)的征收帶來(lái)了一定的困難。4灌溉4.1水位流量平衡安裝4.1.1保護(hù)裝置設(shè)計(jì)由于水位流量計(jì)應(yīng)用于野外,必要的保護(hù)裝置是必須的。根據(jù)該儀器的外觀和應(yīng)用于渠道進(jìn)行水位的測(cè)量的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套便于安裝和不影響對(duì)水位測(cè)量的保護(hù)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(jìn)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(gè)保護(hù)裝置的牢固性和穩(wěn)定性,管體頂部由一個(gè)可以拉開(kāi)和上鎖的保護(hù)罩構(gòu)成。這個(gè)保護(hù)裝置具有很好的防護(hù)性,并且便于安裝。4.1.2水位流量計(jì)的安裝根據(jù)灌區(qū)渠道的不同特點(diǎn),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(biāo)準(zhǔn),故將水位流量計(jì)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(zhǎng)度的水位流量計(jì)(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(jì)放于豎井內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè),如圖2。4.2水位計(jì)算的應(yīng)用4.2.1水位流量計(jì)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)誤差在灌區(qū)的試驗(yàn)階段對(duì)水位流量計(jì)的數(shù)據(jù)精確性與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了針對(duì)性的對(duì)比,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。在近半個(gè)月的運(yùn)行中可以看出,水位流量計(jì)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)誤差不超過(guò)±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(guò)程,但人工由于各種原因沒(méi)能觀測(cè)到此次停水過(guò)程,而水位流量計(jì)的自計(jì)功能記錄了此次過(guò)程。由此可見(jiàn),水位流量計(jì)比人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)更具有實(shí)時(shí)、精確等特點(diǎn)。能夠真實(shí)的反映出整個(gè)用水的過(guò)程,對(duì)用水真正做到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(lái)的人工觀測(cè)由于受環(huán)境或人為的因素影響,有時(shí)不能按規(guī)定進(jìn)行觀測(cè),造成數(shù)據(jù)的不連續(xù),直接影響到水量的準(zhǔn)確性。有些觀測(cè)點(diǎn)由于距離較遠(yuǎn),進(jìn)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(duì)水量的計(jì)算帶來(lái)了更不確定的因素。水位流量計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵是手操器,手操器可以同時(shí)對(duì)多個(gè)水位流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。水位流量計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量可達(dá)2M,相當(dāng)于2年時(shí)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(jì)通過(guò)無(wú)線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和參數(shù)的設(shè)置,無(wú)需將水位流量計(jì)取出或下水進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,而且可以根據(jù)需要隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。人工也可通過(guò)顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)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(jì)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(guò)電腦對(duì)手操器的水位流量關(guān)系曲線進(jìn)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(guò)人工測(cè)量的水位關(guān)系曲線可以準(zhǔn)確的推算出流量數(shù)據(jù)。并且利用該軟件計(jì)算出的水位流量數(shù)據(jù)直接將水管部門(mén)需要的水位流量對(duì)照表、水量日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表等水資源管理表格輸出打印。通過(guò)此軟件與水位流量計(jì)水位數(shù)據(jù)的結(jié)合使用,水管部門(mén)對(duì)水資源的管理進(jìn)一步的達(dá)到精確、快捷,為灌區(qū)量水向信息化和自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。4.3.2形成了高效的測(cè)量管理機(jī)制在基層的水管部門(mén)中最難的工作就是與用水戶之間水量達(dá)成一致。為此在試驗(yàn)期間與當(dāng)?shù)厮懿块T(mén)合作,開(kāi)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(cè)、運(yùn)行管理、水費(fèi)計(jì)算、征收等灌區(qū)量水的應(yīng)用管理體系,形成了水管部門(mén)+用水協(xié)會(huì)+農(nóng)戶為一體化的灌區(qū)量水運(yùn)作模式。灌區(qū)內(nèi)部與用水戶協(xié)作,進(jìn)行用水戶測(cè)量技術(shù)培訓(xùn),使用戶掌握新測(cè)水技術(shù),用水戶與水管理部門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè),確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、真實(shí),透明公開(kāi),配水量和用水量基本達(dá)到一致。做到計(jì)劃配水,定額用水,達(dá)到節(jié)水灌溉的目的,逐步實(shí)現(xiàn)灌區(qū)“量水到戶、按方收費(fèi)”的目標(biāo)。5實(shí)時(shí)測(cè)報(bào),精密測(cè)量水位流量計(jì)通過(guò)傳