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超声波明渠流量计在邵伯灌区流量测量管理中的应用

近年来随着中国远距离调水与大型供水工程的建设,将“精确量水”提高到设计原则的高度,因此,对大流量的量水设备提出新的要求,特别是大型明渠的流量测量,如何实现稳定、精确和在线自动化测量,具有典型的技术代表性。

  目前对于大型明渠流量测量的手段主要有堰槽法、流速仪法、超声波法等。超声波法具有测量精度高、稳定可靠的优点,逐步在水利工程中推广使用,收到良好的效果。

  XY-602F型多声路超声波明渠流量计具备采集精度高、在线运行和可靠稳定等特点,近年来得到迅速应用,成为大型引水工程明渠流量测量的理想设备。

  采用多声路测流速,加权积分计算流量,实现大流量的稳定准确的在线测量,是大型输水供水工程理想的流量监测手段。

超声波流量计

  1 XY-602F型超声波明渠流量计

  1.1 流速测量原理

  超声波明渠流量计主要采用时差法[1]测量流速。如图1所示,在上游和下游分别布置换能器P1和P2,其间距为L,流体流速为v。

  在水流的作用下,声波沿正向传播所经历的时间(称为正向传播时间T2)比逆向传播所经历的时间(称为逆向传播时间T1)要小。正向传播时间T2和逆向传播时间T1可以表示为:

  式中:v为流体速度;L为声路长度;θ为声波路径与流向的夹角;C为室温下静水中的声速

  由式(1)和式(2)可以导出在v的表达式:

  从而,流速测量变成对几何量和时间的测量。

  1.2 流量测量原理

  渠道中的流态比较复杂。一方面,从渠底到水面流速呈不均匀分布,如图2所示;另一方面,当渠道的上游有转弯或分水口时,水流会产生横向流,为消除横向脉动流等影响,采用交叉声路布置,如图3所示。

  为了提高测量精度,一般采用多声路的布置方式,根据IEC规程,对通过测量断面流体的流速进行积分,得到通过测量断面的流量Q为:

  式中:S(H)为过流断面,是水位高程的函数;K为流速分布系数;n为测量断面上的声路数;Wi为第i声路的加权系数;vi为第i声路的线平均流速。

  1.3 系统组成

  超声波明渠流量计由主机、换能器、水位计及信号电缆组成,如图4所示。

  流量计主机通过安装在渠道上的超声波换能器测量流速,通过水位计测量过流断面,对流量进行累计、显示、存储,还可通过模拟量接口或数字量接口将测量结果送往信息自动化系统。

  1.4 换能器及水位计选配原则

  超声波换能器实现电信号与声波信号的电声转换和声电转换,对于渠底宽度不超过15 m的渠道,一般采用1 MHz频率换能器,可采用交叉2声路布置;对于渠宽不超过40 m的渠道,一般采用500 kHz频率换能器,交叉4声路布置可满足测量要求。

  水位计可以采用投入式水位计、超声波水位计、浮子式水位计等,要求水位计为4 mA~20 mA电流输出。对于较宽的渠道,建议采用不同原理双水位计输入,流量计主机将进行平均处理。

  2 邵伯灌区超声波明渠流量计配置实施

  邵伯灌区隶属于江苏省江都市水务局,其明渠管辖范围为:1条干渠及5条支渠,分布在方圆数十千米地域之内。结合明渠流量测量的特殊要求,采用6套超声波明渠流量计,分别对这6条明渠的流量进行测量,并且,由于干渠和支渠不同的渠道条件,需要分别针对干渠和支渠采取不同的配置施工方案。

  2.1 干渠流量计配置与实施

  干渠渠底宽28 m,根据换能器及水位计选配原则流量计采用4声路布置,双水位计,换能器频率为500 kHz,选择直段超过20倍渠宽的位置安装。其设备配置如表1所示。

  在测量断面上,换能器与水位计布置如图5所示。测量角度为65°,如图6所示。

  2.2 支渠流量计配置与实施

  5条支渠渠底宽均不超过15 m,根据换能器及水位计选配原则,流量计采用2声路布置,投入式水位计,换能器频率为1 MHz,选择直段超过20倍渠宽的位置安装。其设备配置如表2所示。在测量断面上,换能器与水位计布置如图7所示。测量角度为65°,如图8所示。

  3 邵伯灌区流量测量集中管理系统的应用

  目前,通过安装在各个渠道值班室的流量计主机单元已能实现对邵伯灌区各个干渠(支渠)流量的单独监测,由于各个流量计主机单元分散布置,无法实现在中心值班室对所有管辖渠道流量的实时监测。

  基于上述局限性,同时考虑到农村灌溉区域流量测量集中监测、统一管理的现实要求,有必要对邵伯灌区明渠流量测量集中管理系统的实施方案进行深入探讨。根据流量监测点分布范围的大小及数据传输通信方式的不同,系列多声路大流量超声波流量测量集中管理系统[2](以下简称流量测量管理系统)可分为有线通信方式和无线通信方式。

  3.1 基于有线通信方式的流量测量集中管理系统

  基于有线通信方式的流量测量管理系统由流量测量管理系统主机、屏蔽通信电缆、流量计现地单元主机、信号电缆(防水电缆)和换能器组成,如图9所示。各个流量计现地单元主机控制其测量管道(渠道)超声波发射、接收、计算,得到其测量管道(渠道)的实时流量和累积流量数据,在现地单元的液晶屏上显示,并且将这些数据通过现地单元上的RS-485串行通信口及屏蔽通信电缆上传至流量测量管理系统主机。流量测量管理系统主机与流量计现地单元之间采用标准ModBus-RTU串行通信方式进行数据交换,流量测量管理系统作为主站流量计现地单元作为从站。各个流量计现地单元设置不同的从站地址,根据从站地址的区分响应主站召唤。

  采用上述有线通信组网方式,屏蔽信号电缆在整个通信系统中承担主要通信介质的作用。考虑到信号传输衰减的影响,采用有源RS-485串行通信的任意2个通信节点之间的通信电缆总长度(可靠通信距离)一般不超过300 m。因此,这种通信方式适用于流量测量管理系统主机与其监测的任意一个现地单元间的通信电缆距离不超过300 m的场合(任意2个通信节点间均需铺设通信电缆沟),这对于采集点集中分布的流量测量管理场合(如大中型水电站各个机组进水管道流量测量管理)是适用的。对于那些采集点分布较广的流量测量管理场合(如多个水利渠道流量测量管理),推荐采用无线通信组网方式,因为若采用光纤通信方式将有线通信的距离无限伸展,随之带来的通信耗材及投入成本的增加是难以接受的。

  3.2 基于无线通信方式的流量测量集中管理系统

  基于无线通信方式的流量测量管理系统除了以无线通信模块代替屏蔽通信电缆外,其余设备与基于有线通信方式的流量测量管理系统设备一致,如图10所示。

  每个超声波明渠流量计现地单元的RS-485串行通信口均与一个无线通信模块相连,作为中心节点的流量测量管理系统主机的RS-232串行通信口也连接一个无线通信模块。通过各个节点的无线通信模块对RS-485/RS-232串行通信信号的调制解调,流量测量管理系统主机得以与各个采集点进行数据交换,从而得到各个采集点的流量测量数据。采用无线通信方式的流量测量管理系统可省去任意2个通信节点间铺设通信电缆沟及通信电缆布线的工作量及成本开销。

  根据无线通信距离的长短及无线通信网络的不同,现有无线通信模块可以采用ZigBee无线通RS-485/RS-232数据传输模块、全球移动通信系统(GSM)Modem、通用分组无线电业务(GPRS)模块。

  1)ZigBee无线通RS-485/RS-232数据传输模块

  作为IEEE 802.15.4协议的代名词,ZigBee[3]是一种用于控制和监视各种系统的低数据速率低功耗联网无线通信技术标准,主要用于近距离无线连接。ZigBee无线RS-485/RS-232数据传输模块采用符合IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术,实现RS-485/RS-232信号与ZigBee无线信号间的相互转换,可以实现一点对多点、多点对多点的设备间数据透明传输。

  ZigBee无线通RS-485/RS-232数据传输模块具有通信稳定可靠、抗能力强、功耗低、成本低、组网灵活等特点,数据传输速率最高,实时数据传输性最好,无需借助第三方网络,无需运行费用,但受功耗的限制,在未加中继模块的情况下,2点间ZigBee无线通RS-485/RS-232数据传输模块的可靠通信距离一般不超过2 km。因此,这种通信模块适用于系统主机与其监测的任意一个现地单元之间的空间直视距离不超过2 km的场合。

  2)GSMModem

  GSMModem是工业环境使用的GSMModem,其内置了高性能GSM模块,采用当前最成熟的GSM技术,提供基于的数据服务。通过标准的AT指令和RS-232接口,方便地集成该模块使各种智能设备具有无线通信功能。GSMModem模块成本低,使用GSM网络,网络覆盖面广,2点间通信距离不受限制,但受GSM传输字节限制,数据传输速率低,实时数据传输性较差,并且运营费用(收发费用)高。因此,这种通信模块适用于系统主机与各个现地采集点分布距离广(大于2 km)、GSM网络全覆盖、只需少量定时数据远传的场合。

  3)GPRS数据传输模块

  GPRS[4]数据传输模块内部集成了点对点协议(PPP)和传输控制协议(TCP)/因特网互联协议(IP)协议栈,借助GPRS网络运营商(目前为中国移动通信企业)现有的无线网络实现数据传输,轻松地实现串口设备远程通信功能,只要能用移动电话的地方就可使用该产品。

  GPRS数据传输模块使用GPRS网络,网络覆盖面广,数据传输速率较高,实时数据传输性较好,2点间通信距离不受限制,运营费用(按GPRS网络流量计费)合理,但模块购买费用高,限制了其大量推广。因此,这种通信模块适用于系统主机与各现地采集点分布距离广(大于2 km)、GSM网络全覆盖、需大量实时数据远传的场合。

  3.3 邵伯灌区流量测量集中管理系统

  由于邵伯灌区明渠流量测量的6个采集点(1条干渠及5条支渠)分布范围广,并且每个采集点仅有瞬时流量、累积流量等少量数据需要定时远传给流量测量管理系统主机,结合上述流量测量集中管理系统无线通信方式的探讨,对于后期规划中的邵伯灌区流量测量管理系统,拟采用基于GSMModem无线通信模块组网,其流量测量管理系统规划如图11所示。

  4 结语

  本文先容了XY-602F超声波明渠流量计的测量原理、系统组成以及应用在邵伯灌区明渠流量测量中的配置及实施方案,在此基础上探讨了引水工程流量集中管理系统与各分散流量采集点之间的数据交互方式,提出了基于无线通信网络技术的邵伯灌区明渠流量集中管理系统的实现方案,为农村灌区渠道流量监测及其集中管理的规划实施进行了一次尝试。


 


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