三河闸全自动水文缆道测流系统及其应用.doc

（发表在水利水电技术2008.01）三河闸全自动水文缆道测流系统及其应用楚恩国摘 要：介绍三河闸全自动水文缆道测流系统的组成、工作原理及其主要技术指标，分析该系统在实际使用中的优缺点，对系统中存在的不足提出了解决方法。关键词：全自动；水文缆道；测流系统；应用1 前言水文缆道测流在我国已经有50多年的历史，随着科学技术的进步，特别是电子技术和计算机应用技术的发展，水文缆道技术也不断提高。水文缆道经历了船测缆道、普通电动缆道到目前的全自动缆道的发展过程， 所谓全自动缆道测流，是指人工现场或远程一次性启动缆道测流装置后，可自动测量水位、全断面的垂线水深、预置的测点流速、计算断面面积和流量、生成流量报表等。三河闸全自动缆道测流系统，建于2002年6月，系统引进南京水文自动化研究所研制的ekl-1型水文缆道测流控制台、lex-1型缆道综合信号仪及测流软件。新建成的水文缆道自动化测流系统以无级变频调速装置代替了传统的可控制系统，全面采用计算机控制流量测验作业，实现了自动记载、计算、数据处理、实测流量成果表的自动生成、图形绘制和数据输出等功能。该自动测流系统的显著特点是采用了先进的测验模式且实用性强，有全自动、半自动、手动、人工数据录入等工作方式，应用时可根据实际情况选择适当的工作方式。该系统2003年3月正式投入使用，在抗击2003年淮河大水的测验中发挥了巨大作用。2 测站概况三河闸是淮河入江水道的控制口门，测流断面设在其下游1300m处的中渡水文站，该站建于1914年，是淮河入江水道的控制站，新建的缆道跨度为550m，断面最大水深19.21m，最大测点流速3.0m/s，最大水面宽420.0m，历史实测最大流量10700m3/s。多年来，该站使用的测流方法有：船测、浮标测流、普通缆道流速仪测流、水工建筑物测流等方法。3 全自动缆道测流系统的组成全自动缆道测流系统集交流变频调速等技术于一体。主要由缆道支承系统、缆道驱动系统、避雷系统、测流铅鱼、ekl-1型水文缆道测流综合控制台（含elz-2型水文缆道测距定位仪、ljx-2流速测算仪）、lzx-1型缆道综合信号仪、流速仪、通讯模块、计算机、全自动测流软件、打印机等部分组成。4 系统主要设备的工作原理系统基本原理见图1。交流无级变频控制系统缆道支承系统水文缆道驱动系统起点距光电传感器入水深光电传感器起点距、入水深控制显示流速测算仪综合信号处理手动操作系统水面、河底信号计算机控制软件通讯模块流速仪信号图1 缆道系统原理框图4.1 ekl-1型缆道测流控制台该控制台主要由水文绞车交流无级调速控制、智能缆道测距无线测流等部分组成，可实现对铅鱼的出车、回车、提升、下降的无级变速控制，出车、回车位置测量、显示和提升、下降的位置测量、显示，以及在全断面范围内的流速测量和计算等功能，并设有测点自动停车和河底信号自动停车功能。4.1.1交流变频调速控制系统根据交流异步电机转速的关系式：n=60f(1-s)/p其中：f电机定子供电频率；p极对数；s转差率。由上式可知，若均匀的改变电机定子的供电频率，则可平滑地改变电机转速。变速调速系统在低速运行时，具有保持最大转矩不便的性能，这一特性与水文缆道通常运行于低速范围的情况十分适应。交流变频器是控制系统的核心，对电机的各种控制均由交流变频器的输出来控制。河底信号和测点到达信号用来停止铅鱼下降运行，当铅鱼到达相应位置时，分别由装在铅鱼上的信号发生器和控制台上的测距定位仪发出信号，该信号反馈给变频器可使铅鱼立即停止。4.1.2 水文缆道测距定位仪测距定位仪主要用于起点距和水深测量，具有自动修正缆道主索的垂度和入水后起重索的偏角及无回差等独特功能，也具有起点距、测点深自动停车控制信号输出功能，可配接rs485通讯输出口与微机相连。起点距和水深均由光栅增量编码传感器直接感应循环轮和升降轮得到。根据光栅传感器每转产生的信号数和轮子的周长的关系，得到修正的系数值，这样可根据光栅传感器的信号数来得到对应的起点距和水深。为了保证测量精度，设定了每个垂线间的分段系数，尤其是水文缆道的主索均有一定的垂度，用经纬仪来测定垂线间的分段系数，并把各种系数存入测距仪中，使测量的绳长与起点距对应，水深的处理与起点距类似。在实际使用中仪器自动识别每段修正系数，测出精确的起点距和水深。4.2缆道的信号处理4.2.1信号的传输缆道的信号传输是利用缆道循环索和水体构成传输回路，这种信号传输方式是目前缆道信号传输中最常用的一种信号传输方式。对缆道而言，最常用的缆道信号有流速、水面、河底等三种信号，为了解决多信号接受以及信号干扰问题，缆道信号传输采用交流调频信号传输方式，其原理如图2所示：信号发生f1振荡f2振荡f3振荡f1f2f3缆道传输回路功率发射流速信号水面信号河底信号信号传输信号接收图2 水文缆道信号传输原理图4.2.2 缆道综合信号的接收图3 水文缆道信号接收原理框图该站缆道综合信号接收器采用南京水文自动化研究所研制的lzx-1 b型缆道综合信号接收器，该接收器专为缆道测量而设计，可将缆道无线发回的信号放大、整形并采用锁相环音频译码电路将水面信号、流速信号、河底信号分离出来，从而再控制电机、流速测算等。其原理框图如图3所示：放大整形水面信号分离流速信号分离河底信号分离继电器输出光藕输出继电器输出4.3 缆道流速测算仪缆道流速测算仪根据所使用的流速仪的检定公式、接收器接收到的流速信号数和测流历时计算测点的流速，计算公式如下： v=kn/t+c其中：v测点流速，m/s；k水力螺距；c流速仪常数；t测速历时,s；n转子的转数。4.4 缆道综合信号源信号源采用了lzx-1a型水下交流信号源，它可将水面信号、流速信号、河底信号变为频率不同的音频信号，通过缆道发给接受器。水面信号：在反向器输入端接两电阻，阻值一大一小，大电阻接地，小电阻接电源v+，由于分压比大于1/2v+，所以反向器的输出为0，大电阻的两端为水面信号输入端，当铅鱼入水后，由于水阻的存在，反向器输入端的分压比小于1/2v+，反向器输出为1，此信号控制后续电源接通，同时触发单稳态触发器，由单稳态控制发出水面频率信号。流速信号：由流速仪的通断控制产生流速频率信号。河底信号：由安装在铅鱼腹部的开关控制产生河底频率信号。5 主要技术指标5.1绞车行车速度：01.0m/s；减速止动时间：1s；测点定位自动停车控制；6.2 缆道测距定位仪 测量范围：起点距：-99.9999.9m；入水深：-9.9999.99m； 分辨率：起点距：0.1m；入水深：0.01m； 系统误差：1%；6.3 流速测算仪 适应范围：各种转子的流速仪（三河闸使用旋杯）； 适应信号：3khz的音频信号或直流短路信号； 灵敏度：音频信号优于5mv； 测速范围：0.0110.0m/s； 测速误差：0.01%；6.4 lzx-1a型缆道综合信号源 频率：水面信号频率：2.5khz1%； 流速信号频率：3.0 khz1%； 河底信号频率：3.5 khz1%；6.5 lzx-1 b型综合信号接收器 缆道接地电阻：5 接收灵敏度：0.5mv6.6测流软件的主要功能该软件能根据控制方法发出控制命令，采集监测参数、根据河流流量测验规范的要求生成“测流记载簿”、生成断面流速分布图，断面参数和测量数据实现数据库管理。7 实际应用该系统于2003年3月建好并正式投入试运行，在2003年淮河大水中发挥了巨大的作用，在汛期，从三河闸6月28日开闸后到10月，共测流40余次，实测最大流量9270m3/s，最大流速3.0m/s，最大水深18.0m。7.1 同步比测结果在实际应中，我们将自动缆道测流系统与普通缆道流速仪、声学多普勒测流仪器进行了比测，比测结果为：该系统与普通缆道流速仪测流平均误差|5%|；与声学多普勒（adcp）比测最大相对误差|=5.0%，平均相对误差-0.46%，完全满足河流流量测验规范的要求。全自动缆道与adcp同步比测成果见表1。表 1 全自动缆道与adcp同步比测成果表(2005年)序号日期上游水位（m）下游水位（m）闸门开高（m）闸门开宽（m）缆道测流（m3/s）adcp测流（m3/s）相对误差（%）17.22(6:40-9:10)12.3712.13出水630574056651.327.27(8:36-10:40)11.9611.73出水630495049360.338.01(8:36-10:36)12.2611.452.1630458044263.548.11(9:00-11:36)12.9812.66出水63075207538-0.258.23(9:30-11:40)12.7410.040.5863019902088-4.768.26(9:45-11:30)12.4910.861.2630356035460.478.29(12:40-14:20)12.4510.831.2163034403442-0.189.01(8:20-9:40)12.4811.482.0863048204871-1.099.02(8:40-9:54)12.4811.492.163047304820-1.9109.05(9:10-10:40)12.4711.963.563058505970-2.0119.06(7:50-9:30)12.4312.1出水630629062590.5129.16(8:40-10:20)12.4311.953.563058705954-1.4139.19(8:30-10:00)12.1411.743.563051805455-5.0149.21(8:30-9:50)12.6610.871.16630350034760.7159.27(14:10-16:25)12.7710.651.1630320031531.51610.14(9:00-11:00)12.7611.413.5630470046600.97.2 与往年成果综合分析为了验证自动测流系统是否存在系统误差，我们将2003年自动缆道测得的流量测次与往年的流量测次进行综合定线分析，效果良好。综合分析成果见表2。表 2 三河闸（中渡）水文站流量系数曲线检验成果表流态测点总数符号检验适线检验偏离数值检验孔流n=53u1-/21.15u1-/21.64t1-/22u0.275u0.416t 0.24结论通过结论通过结论通过堰流n=47u1-/21.15u1-/21.64t1-/22.02u0.29u1.62t 0.06结论通过结论通过结论通过对用自动缆道测得的流量测次与往年的流量测次进行学生氏t检验，检验结果为：孔流时t=0.74t1-/2=1.69；堰流时t=0.62t1-/2=1.72。可以认为自动测流系统收集的流量测次与往年缆道流速仪测次属同一总体，即无明显系统误差。8 系统优点 操作比较简便。在系统参数设定完成后，装上流速仪，将铅鱼开到适当位置，只要在计算机上启动测流软件，点击开始即可。流速计算、报表生成都由微机自动完成，还可根据需要输出断面流速分布。 控制方式灵活。该系统不仅能实现全自动测流，而且在可以进行半自动、手动等操作，用户可根据实际情况灵活选择。 技术先进。本系统采用了交流变频技术，调速范围大（050hz），频率分辨力达0.01hz，调整比大于10：1，实现了测流铅鱼的无级变速控制，低速性能良好，速度平滑稳定，大大提高了铅鱼的定位精度。 对河底、水面、流速等信号能准确测量并能“无线”传输。 有多种越限停车保护。 软件对计算机硬件和操作系统要求不高，比较容易满足。9 实际应用存在的问题及改进措施 由于绞车运行速度所限，每次测流仍需1.52小时，目前不能实现远程实时自动监测 ； 系统信号接受器对流速信号的识别能力需进一步提高。当测点流速较大时（大于2m/s），测算仪接收的流速信号和流速仪的接触丝抖动产生的信号易混淆，若将表示信号周期延时时间的参数设置为“0”