流速流量遙測方案

本方案適用與河道規則的明渠河道流速流量在線監測。

系統分為現場監測探頭安裝、現場數據顯示、數據發送、中心控制室數據接收處理幾部分組成。

一、        監測探頭

現場探頭安裝采用澳大利亞生產的Starflow多普勒流速流量儀作為監測探頭。該測量儀由⑴流量儀和數據記錄器；⑵數據信號傳輸線（連接流量計于計算機或數據發射臺的信號線）；⑶工作電源（12v蓄電池或12v直流電源）；⑷配套的計算機采集、處理軟件和用戶指南等組成。具體詳見圖示（圖1）。

圖 1.1  多普勒流量測量裝置組成圖

                      圖  1.2  多普勒流量測量裝置組成圖

本儀器是一種普遍適用于小型河流、渠系、涵管的水量測量設備。適用斷面流速21mm/s～4500mm/s,斷面水深0～5.0m；適用工作溫度-17℃～60℃；數據存儲容量100K；測量間隔（可編程）5s～1天；測量時間（可編程）7個半小時～5399天；數據傳輸途徑有線計算機聯機調取、無線發射—接收、手機短信發射接收等。

多普勒超聲波水量計的工作原理

Unidata多普勒超聲波水量計是通過測量流速值、水深值、溫度值，依據給定的斷面面積自動計算出流量值，并在時間軸上進行總流量的累計。

通過測量某一點的橫截面積和在此橫截面的平均流速來計算流量，并zui終計算累計用水量。

          W=Q·t

式中：W為用水量，Q為實測流量，t為時間。而流量的測量通過實時測定的水流流速和過水斷面積進行計算獲得。

Q（流量）=S（橫截面）·V（平均流速）

橫截面面積通過安裝在儀器底部的壓力傳感器測量水位，然后根據渠道的形狀和尺寸計算得到。

平均流速則根據多普勒原理測量，在渠道底部安裝設備發射和接收超聲波信號，利用測量聲波被水中移動的懸浮物質反射回波信號與發射頻率之間的頻差，計算流速。如圖3-1所示。其測量原理如下：

多普勒效應是一個較常見的現象，通過聲源發出一定頻率的聲波，聲源可以靜止，或者以一個速度在運動著，聲波被周圍介質中移動的懸浮物質反射后，由接收器（可以靜止或者以一個速度在運動）接受到的聲波的頻率可能有所變化，這個頻率與發射頻率之間的差值就是通常所說的多普勒頻移。其表達式如下所示：

 （1/秒）

其中：

c：聲波在周圍介質中的傳播速度

：接收器移動的速度

：聲源移動的速度

f₀：聲源發射頻率

f₁：接收到的頻率

圖2.2 流速測量示意圖

聲波經發射后，測量聲波被水中移動的懸浮物質反射回波信號與發射信號頻率之間的頻差，即多普勒頻移，就可以計算流速。

在一個測量周期內，首先換能器產生一束超聲波，其頻率為定值，即通常所說的發射頻率，這束波被一個懸浮質以不同于發射頻率的頻率接受到（或者反射），將這個差值歸于多普勒頻移，然后又一次反射回多普勒儀器，再一次產生一個多普勒頻移。兩個多普勒頻移存在于這個交換過程中，前一個歸于信號通過多普勒儀傳到懸浮質，第二個歸于信號從懸浮質反射回多普勒儀。

在這兩個過程里，應用前述多普勒原理，同時考慮發射角ø的影響可以推導以下結論：

假定 ＝ ＝ ， /c≈0

其中：

為水流流速

為多普勒頻移

c為聲波在水中的速度

ø為波束與平面的交角

目前所用多普勒儀的接收器能“聽”到從任何一個反射體反射回來的那束聲波；一個測量周期內檢測到的頻率改變，就是多普勒頻移。系統累計和分析這些頻移，并且計算出接受范圍內的中間值，從而可以通過測量多普勒頻移來計算水流流速值：

其中聲波在水中的傳播速度與水溫、組成成分相關，其具體關系如表2.1所示，選用聲速時需要通過溫度T查表或內插求得；。

本儀器發生頻率 與型號有關，當前 為一定值：1.563MHz；

二、        現場數據顯示及發送

現場數據顯示通過LCD液晶顯示屏顯示當前數據信息，通過安裝盒安裝在現場監測室或者野外觀測箱內。顯示屏可顯示當前探頭深度、平均流速等信息。數據發送單元采用瑞士產GSM2無線傳輸模塊。

GSM2技術參數：

技術參數: 內置大氣壓傳感器 輸入 /SDI-12

連接： 適用于擁有RS485接口的30系列壓力傳感器或DCX數據記錄儀

防護等級： IP65 供電： 鋰電池3.9V/32Ah

電池壽命: >10年，在每小時測量一次，每天傳送一次數據的情況下 GSM波段： Quad850/900/1800/1900MHz

傳送選項： （STMP和POP3），SMS和Data Conection（V.32/V.110）

可選接口： SMA Femle

接口： RS485 KELLER-BUS/2線電壓輸入（ADC 0.....2.5V）/2線數字信號 溫度范圍： -20℃....50℃

zui短測量/發送比率： 1分鐘

 外殼材料： 不銹鋼316L（DIN1.4435）

外殼尺寸： 48×330mm（直徑×長度）

性能表現： 典型±0.5mbar（-20℃..40℃）

 分辨率： 典型0.2mbar

長時間穩定性： 典型＋1mbar（12月）

溫度分辨率： 典型0.2℃

三、        中心控制室數據接收及處理部分

中心控制室可以只需要接收電子郵件數據即可。電子郵件的數據可以導入Excel表格進行處理。數據量根據設置的采集間隔來確定。

全部系統組成：

Starflow 流速流量儀   1套     標配15米電纜、干燥劑2個

現場顯示模塊         1套     LCD液晶顯示+安裝盒

顯示單元電源         1套     蓄電池或者可以用開關電源接220V交流電

數據傳輸模塊GSM2    1套     內置電池

SIM卡                1張     流量包月或者短信包月

電子             1個

控制部分軟件         1套     設置采集間隔、發送數據格式等

數據處理軟件         1套