感应式电子数字水位流量计的研制

感应式电子数字水位流量计的研制

0管理节水的由来由于新疆独特的气候特点，其农业是典型的灌溉农业。要提高水资源利用率，有必要通过灌溉。新疆灌区目前存在的主要问题有管理水平低,量水设施匮乏,技术落后,导致量水粗放,水费分摊,用水者节水意识差,灌区水利用率低,水资源浪费严重。灌溉节水中管理节水措施节水量可占节水潜力的20%～30%,管理节水的主要节水手段之一是对配水、用水量的测量和监控,但现有的量水设施和技术,都很难适应于现代的、容易接受的测量和监控的基本要求,已成为管理节水的瓶颈。根据灌区灌溉系统工程布置、工作特点与实际需要,在干、支、斗、农、毛渠或低压管道上设置测站或测点,选择适宜的量水设施(包括量水建筑物、观测仪器仪表、数据采集记录系统等)进行观测与计量,以便合理、适时而又准确地控制引配水量。在满足农作物需水的前提下,实施节约用水,提高水资源的有效利用率,并为推行有偿供水、计量收费是管理节水的重要内容。特别是在拥有466.7万多hm2灌溉面积、需要量测进入田间的农口约35万个、干支斗口约5万个的新疆地区,研制适宜于各级渠道的量水设施和技术是实现管理节水的重要环节。灌区节水配套设施与信息化管理技术的新仪器——“水位流量计”,对于农业灌溉也可称为“农村电子数字水尺”或“农田电子水表”,比常规的量水设施的测量操作更方便、更稳定、真实、可靠。自动记录的整个累积水量过程数据更加直观,更有利于灌区的接受和推广,对提高管理节水水平,具有显著的推动作用,并有十分广阔的市场空间和社会效益。1国内外研究现状1.1量水建筑物及量水仪表灌区量水设备和量水技术是实现计划用水和控制灌水质量的基本措施,是实行按方收费、促进节约用水的必要工具和手段。概括来讲,现有的量水设施主要有量水建筑物、量水堰槽和量水仪表三大类。量水建筑物包括启闭式闸、涵、跌水、拱涵、渡槽、倒虹吸、标准断面等;量水堰有薄壁堰、宽顶堰、三角堰、平坦V形堰等;量水槽有适用于各种断面的长喉道量水槽、矩形或梯形断面的巴歇尔量水槽和无喉道量水槽等;量水仪表有超声波流量计、电磁流量计、蜗轮流量计、流速仪、水表、压力式水位计、浮子式水位计、超声波水位计、激光水位计等。而且,各种量水方法和设备都有其特定的适用范围和条件。1.2突破了传统量水设施的局限性,方便了用户常规的量水设施不能进行实时测报,时间水量不统一,测量数据精度不高,具有时间的间隔性,测量费时费力。其他自动量水设施,如超声波水位计和自计水位计等价格高、技术要求高,用户不易接受。而“水位流量计”就像城市家家户户用的水表一样,该设备克服了以上量水设施的缺点,比常规的量水设施的测量操作更方便、更稳定,数据更加真实、可靠。可按照预先设定的量测要求自动记录整个水位、流量与累积水量的过程,以数字数据直接储存、显示、传输,使用更加方便、数据更加直观、处理更加容易,更有利于水管人员和农民接受与大范围推广应用。2“字水位传感器”技术开发水位流量计是一种用于明渠流量测量的仪器。利用专利获奖产品“感应式数字水位传感器”技术设计开发。采用最新微控制器和电源管理模块,全新的设计理念,设计的低功耗一体式水位流量计,可广泛应用在农业灌溉、河道水渠输水调度、城镇供水系统的水位测量及控制、污水处理等环保工程中。2.1测试仪表内部安装该仪器采用先进的组态方式,可以根据实地使用对传感器进行设置。并可嵌入各种渠道类型的流量计算参数。数据转存方式,无线接口。具有高可靠性,密封,强度高,三防处理,抗腐蚀,内部安装牢固,无外部引线,适合野外无人环境应用。特低功耗,无需外部供电,采样时间短,非采样时功耗极低,内置电池可连续工作6个月。配套手操器可提供全中文提示,为用户提供了良好的人机界面,通过手动置数,可对各种参数进行设置、查询、修改等。内置实时时钟,精度可调整,可以准确记录采样时刻的时间。仪表内配有大容量的数据存储器,对所有设置的参数和测量数据会长久保存,即使去掉电池,数据亦可保存期10年以上。仪表内置科学的数字滤波方式及防波浪功能,能够有效地解决波浪对水位测量的影响,使测量值稳定、真实、可靠。2.2该设备的主要技术(1)水位差的精度水位测量精度为4mm,水位分辨能力为2mm,流量测量精度为±2%～5%(和选择的渠道测量类型有关)。(2)流量矩阵的供电电源为AA型5号电池3节共1500mAh,电源消耗很低,采样时≤30mA,非采样时≤30uA。(3)水位流量计为80cm长,测量确定一个百外型尺寸为4cm×4cm×40cm,传感器以40cm为单位,可根据要求组装成80cm,120cm和160cm等不同长度的水位流量计,重量为1.4kg(带40cm长传感器)。水位流量计顶部有一显示器,可以实时显示水位、瞬时流量、时间或累计流量。(4)采样间隔和内存容量所记录的水位范围为0～1.600m,累积水量量范围为0～4.29×107m3,斜率范围0.500～1.000,记录的采样间隔为1～20min,在水位稳定时自动1h记录1次。内存容量为2MB。手操器对水位流量计的工作参数可直接进行检查和修改。(5)水位和计数工作环境工作时所需的环境温度为-10～50℃,工作温度为0～60℃,保存温度为-40～80℃,工作湿度≤95%RH。2.3水位流量计算的原理2.3.1测量值的保证测量构成水位流量计主体的传感器,将水位信号以非接触方式,直接以数字信号形式精确的采集,对于因波浪及雨淋等引起的无效干扰信号进行智能化判定和处理,以保证测量值的有效性。对于因波浪及雨淋等引起的无效干扰信号进行智能化判定和处理,以保证测量值的有效性。根据水渠流量测量规定,在标准测量堰槽底部有一个高出渠底的坎,造成渠底积水,当水位低于一定值时,流量已不可计算。并且在水渠非流水期间,由于传感器安装位置较低或因水流冲击在传感器底部形成一个积水坑,或经过长时间输水后的泥沙淤积,会在传感器底部堆积泥沙,在这些情况下,会产生一个虚假的水位信号。这些无效的低水位信号数据会造成存储器资源占用,使数据转存时间延长,后期处理时数据库中数据增加,检索速度和进行数据分析受到影响。水位流量计设置了小信号切除值,以减少无效数据量,并采取压缩保存,当水位低于小信号切除值时,会最多1h保存1次;当水位高于小信号切除值时,当前采样值与最后一条保存值比较相差超过波动范围再根据保存格式直接保存水位。2.3.2温度测量的检测在现阶段的水文测报,尤其是应用在渠道流量测量中,流量都是通过人工利用水位流量关系曲线进行测量,还没有可以直接对流量进行精确测量的仪器,该仪器将人工计算流量的这部分工作与水位测量进行了整合。在不标准的渠道流量可以利用通过手操器传入的水位流量关系曲线与测量的水位进行计算;在标准断面以通过对渠道断面的选择来进行流量的计算,根据国家标准《堰槽测流规范》(SL24-91),仪器内部固定存放了几种标准堰槽(巴歇尔槽、孙奈利槽、梯形薄壁堰和V形薄壁堰)的计算公式及相应的可选择参数,只要输入渠道的类型、渠道的参数既可进行流量计算。2.3.3数据采集和转存水位流量计数据处理部分主要由低功耗微控制器、实时时钟电路、大容量存储器组成,根据已设定的采样时间间隔,定时启动微控制器进行数据采集,并将采集的数据经过运算处理后,连同采集时间一起都保存在非易失存储器中。当数据转存时,通过无线通讯方式转存到手操器中,手操器中的数据可以直接与电脑相连接,最终形成数据性的文本文件。实测的水位和根据水位计算出的瞬时流量及累计水量都可以直接在水位流量计的显示屏上实时显示。3现在，灌溉3.1开都河流域类型本次试验灌区位于天山山脉南部主脉与支脉所构成的焉耆盆地,焉耆盆地地表水、地下水均比较丰富,是高度充水盆地。区内水系发育,灌区的大部分水源来自于地表水,引于水量丰富的开都河。区内西红柿、辣子红色素含量高,番茄酱、辣椒酱成为本区出口的拳头产品。结合本次试验的特点,分别取了两个典型的灌区。灌区一位于焉耆县27团灌区,该灌区的引水来自于解放干渠,解放干渠为防渗干渠,全长18km,引水流量达30m3/s,有6个支渠,该灌区水流平稳,渠道的断面标准;灌区二位于和硕县,灌区水源来自于山中的水库,给3个农场供水,由于渠道位于山区,坡度比较大,水流速度急,渠道为了防止冲刷,渠壁比较粗糙。3.2通过用水户进行灌区一用水实行三级管理:焉耆水管处→27团渠管理处→连队水管单位,即27团渠管理处从焉耆水管处解放干渠引进水量,通过27团6个支渠的配水点配水到各连队,各连队对用水户进行水费的征收。灌区二的用水管理是通过和硕县水管部门直接与用水户进行水费的收取。其中用水量监测由水管部门人工记录,并人工进行流量的测量,绘制水位流量曲线图表。这种管理具有一定的局限性,用水户对数据经常持怀疑态度,因此经常产生水费纠结的问题。灌区二由于分水闸位于山口,距离较远,经常出现漏水、偷水等现象。该用水管理模式因水位的记录等问题给水费的征收带来了一定的困难。4灌溉4.1水位流量平衡安装4.1.1保护装置设计由于水位流量计应用于野外,必要的保护装置是必须的。根据该仪器的外观和应用于渠道进行水位的测量的特点,设计了一套便于安装和不影响对水位测量的保护装置。该装置主体由钢管构成,为了便于水流的畅通,管体进行均匀的打孔处理,密度能保证水流畅通不产生涌水的现象,管体底部可嵌入渠底保证整个保护装置的牢固性和稳定性,管体顶部由一个可以拉开和上锁的保护罩构成。这个保护装置具有很好的防护性,并且便于安装。4.1.2水位流量计的安装根据灌区渠道的不同特点,形成了不同的安装方式。灌区一的水流比较平稳,渠道平缓标准,故将水位流量计安装到渠道的内部,大部分安装到渠道的侧桥处。根据不同的深度安装了不同长度的水位流量计(800mm、120mm、160mm),如图1。灌区二的水流比较急,渠道坡度大,故在渠道旁边建一竖井,将水位流量计放于竖井内进行监测,如图2。4.2水位计算的应用4.2.1水位流量计与人工观测的数据误差在灌区的试验阶段对水位流量计的数据精确性与人工观测数据进行了针对性的对比,具体数据见图3。在近半个月的运行中可以看出,水位流量计与人工观测的数据误差不超过±2cm,符合规范要求。从图中可以看出,在8月14日又一次明显的停水过程,但人工由于各种原因没能观测到此次停水过程,而水位流量计的自计功能记录了此次过程。由此可见,水位流量计比人工观测的数据更具有实时、精确等特点。能够真实的反映出整个用水的过程,对用水真正做到了实时监测。4.2.2数据传输的要求水位流量数据的传输与处理技术是这次应用的关键,与传统的人工记录相比,其数据读取更加方便快捷。原来的人工观测由于受环境或人为的因素影响,有时不能按规定进行观测,造成数据的不连续,直接影响到水量的准确性。有些观测点由于距离较远,进行一次数据的读取也比较的困难,数据读取的次数也相应的减少,因此对水量的计算带来了更不确定的因素。水位流量计的数据传输关键是手操器,手操器可以同时对多个水位流量计进行数据的传输。水位流量计的数据存储量可达2M,相当于2年时间的水位流量数据(每1h记录1次)。手操器与水位流量计通过无线连接进行数据的传输和参数的设置,无需将水位流量计取出或下水进行数据的传输,而且可以根据需要随时对数据进行读取。人工也可通过显示器进行数据的比对和读取记录。4.3水位数据的应用和解决4.3.1编制水位流量率定软件渠道的水量计算的关键是水位与水位流量关系曲线,由于渠道的水位流量关系曲线不是稳定不变的,在野外通过电脑对手操器的水位流量关系曲线进行设置也不方便。为了更加方便快捷的将水位数据处理成为流量数据,最终得到精确的用水量,编制出一套水位流量率定软件,利用该软件水位数据通过人工测量的水位关系曲线可以准确的推算出流量数据。并且利用该软件计算出的水位流量数据直接将水管部门需要的水位流量对照表、水量日报表、月报表和年报表等水资源管理表格输出打印。通过此软件与水位流量计水位数据的结合使用,水管部门对水资源的管理进一步的达到精确、快捷,为灌区量水向信息化和自动化奠定了基础。4.3.2形成了高效的测量管理机制在基层的水管部门中最难的工作就是与用水户之间水量达成一致。为此在试验期间与当地水管部门合作,开发出从引水笼口至用水户的干、支、斗、农渠水位、水量监测、运行管理、水费计算、征收等灌区量水的应用管理体系,形成了水管部门+用水协会+农户为一体化的灌区量水运作模式。灌区内部与用水户协作,进行用水户测量技术培训,使用户掌握新测水技术,用水户与水管理部门进行实时量测,确保数据准确、真实,透明公开,配水量和用水量基本达到一致。做到计划配水,定额用水,达到节水灌溉的目的,逐步实现灌区“量水到户、按方收费”的目标。5实时测报,精密测量水位流量计通过传