流速流量遥测方案

本方案适用与河道规则的明渠河道流速流量在线监测。

系统分为现场监测探头安装、现场数据显示、数据发送、中心控制室数据接收处理几部分组成。

一、        监测探头

现场探头安装采用澳大利亚生产的Starflow多普勒流速流量仪作为监测探头。该测量仪由⑴流量仪和数据记录器；⑵数据信号传输线（连接流量计于计算机或数据发射台的信号线）；⑶工作电源（12v蓄电池或12v直流电源）；⑷配套的计算机采集、处理软件和用户指南等组成。具体详见图示（图1）。

图 1.1  多普勒流量测量装置组成图

                      图  1.2  多普勒流量测量装置组成图

本仪器是一种普遍适用于小型河流、渠系、涵管的水量测量设备。适用断面流速21mm/s～4500mm/s,断面水深0～5.0m；适用工作温度-17℃～60℃；数据存储容量100K；测量间隔（可编程）5s～1天；测量时间（可编程）7个半小时～5399天；数据传输途径有线计算机联机调取、无线发射—接收、手机短信发射接收等。

多普勒超声波水量计的工作原理

Unidata多普勒超声波水量计是通过测量流速值、水深值、温度值，依据给定的断面面积自动计算出流量值，并在时间轴上进行总流量的累计。

通过测量某一点的横截面积和在此横截面的平均流速来计算流量，并zui终计算累计用水量。

          W=Q·t

式中：W为用水量，Q为实测流量，t为时间。而流量的测量通过实时测定的水流流速和过水断面积进行计算获得。

Q（流量）=S（横截面）·V（平均流速）

横截面面积通过安装在仪器底部的压力传感器测量水位，然后根据渠道的形状和尺寸计算得到。

平均流速则根据多普勒原理测量，在渠道底部安装设备发射和接收超声波信号，利用测量声波被水中移动的悬浮物质反射回波信号与发射频率之间的频差，计算流速。如图3-1所示。其测量原理如下：

多普勒效应是一个较常见的现象，通过声源发出一定频率的声波，声源可以静止，或者以一个速度在运动着，声波被周围介质中移动的悬浮物质反射后，由接收器（可以静止或者以一个速度在运动）接受到的声波的频率可能有所变化，这个频率与发射频率之间的差值就是通常所说的多普勒频移。其表达式如下所示：

 （1/秒）

其中：

c：声波在周围介质中的传播速度

：接收器移动的速度

：声源移动的速度

f₀：声源发射频率

f₁：接收到的频率

图2.2 流速测量示意图

声波经发射后，测量声波被水中移动的悬浮物质反射回波信号与发射信号频率之间的频差，即多普勒频移，就可以计算流速。

在一个测量周期内，首先换能器产生一束超声波，其频率为定值，即通常所说的发射频率，这束波被一个悬浮质以不同于发射频率的频率接受到（或者反射），将这个差值归于多普勒频移，然后又一次反射回多普勒仪器，再一次产生一个多普勒频移。两个多普勒频移存在于这个交换过程中，前一个归于信号通过多普勒仪传到悬浮质，第二个归于信号从悬浮质反射回多普勒仪。

在这两个过程里，应用前述多普勒原理，同时考虑发射角ø的影响可以推导以下结论：

假定 ＝ ＝ ， /c≈0

其中：

为水流流速

为多普勒频移

c为声波在水中的速度

ø为波束与平面的交角

目前所用多普勒仪的接收器能“听”到从任何一个反射体反射回来的那束声波；一个测量周期内检测到的频率改变，就是多普勒频移。系统累计和分析这些频移，并且计算出接受范围内的中间值，从而可以通过测量多普勒频移来计算水流流速值：

其中声波在水中的传播速度与水温、组成成分相关，其具体关系如表2.1所示，选用声速时需要通过温度T查表或内插求得；。

本仪器发生频率 与型号有关，当前 为一定值：1.563MHz；

二、        现场数据显示及发送

现场数据显示通过LCD液晶显示屏显示当前数据信息，通过安装盒安装在现场监测室或者野外观测箱内。显示屏可显示当前探头深度、平均流速等信息。数据发送单元采用瑞士产GSM2无线传输模块。

GSM2技术参数：

技术参数: 内置大气压传感器 输入 /SDI-12

连接： 适用于拥有RS485接口的30系列压力传感器或DCX数据记录仪

防护等级： IP65 供电： 锂电池3.9V/32Ah

电池寿命: >10年，在每小时测量一次，每天传送一次数据的情况下 GSM波段： Quad850/900/1800/1900MHz

传送选项： （STMP和POP3），SMS和Data Conection（V.32/V.110）

可选接口： SMA Femle

接口： RS485 KELLER-BUS/2线电压输入（ADC 0.....2.5V）/2线数字信号 温度范围： -20℃....50℃

zui短测量/发送比率： 1分钟

 外壳材料： 不锈钢316L（DIN1.4435）

外壳尺寸： 48×330mm（直径×长度）

性能表现： 典型±0.5mbar（-20℃..40℃）

 分辨率： 典型0.2mbar

长时间稳定性： 典型＋1mbar（12月）

温度分辨率： 典型0.2℃

三、        中心控制室数据接收及处理部分

中心控制室可以只需要接收电子邮件数据即可。电子邮件的数据可以导入Excel表格进行处理。数据量根据设置的采集间隔来确定。

全部系统组成：

Starflow 流速流量仪   1套     标配15米电缆、干燥剂2个

现场显示模块         1套     LCD液晶显示+安装盒

显示单元电源         1套     蓄电池或者可以用开关电源接220V交流电

数据传输模块GSM2    1套     内置电池

SIM卡                1张     流量包月或者短信包月

电子             1个

控制部分软件         1套     设置采集间隔、发送数据格式等

数据处理软件         1套