水测量与监控技术试题及答案

水测量与监控技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.压力式水位计的核心测量原理是基于（）A.声波反射时间差B.静水压力与水深的线性关系C.浮子位移转换电信号D.激光测距答案：B2.电磁流量计测量流速时，输出信号与（）成正比A.流体电导率B.磁感应强度C.流速与管径乘积D.流速与磁感应强度乘积答案：D3.超声波水位计测量误差的主要来源是（）A.水面波动B.传感器老化C.空气温度变化D.太阳辐射答案：C（温度影响声速，需温度补偿）4.溶解氧（DO）传感器中，极谱式传感器的工作原理是（）A.光学荧光淬灭B.电化学还原反应C.离子选择性电极D.热导法答案：B5.浮子式水位计的机械传动误差主要由（）引起A.浮子密度变化B.钢丝绳摩擦C.水位突变D.温度膨胀答案：B6.水质浊度测量中，常用的散射光检测角度是（）A.0°B.90°C.180°D.45°答案：B（90°散射符合ISO标准）7.雷达水位计适用于（）场景A.高粉尘环境B.结冰水面C.强电磁干扰D.低介电常数液体答案：A（雷达不受粉尘、蒸汽影响）8.流速仪法测流时，一点法（0.6倍水深）适用于（）A.水深＜0.5mB.水深0.51.0mC.水深1.03.0mD.水深＞3.0m答案：B9.pH传感器的斜率校准通常使用（）标准溶液A.pH4.01和pH6.86B.pH7.00和pH9.18C.pH2.00和pH12.00D.任意两种已知pH值答案：A10.水流量监控系统中，无线传输方式选择LoRa的主要优势是（）A.高速率B.低功耗长距离C.高安全性D.实时性强答案：B二、填空题（每题2分，共20分）1.标准大气压下，水的密度为____kg/m³（取整数）。答案：10002.电磁流量计要求被测液体电导率不低于____μS/cm。答案：53.超声波水位计的分辨率通常可达____mm。答案：134.浮子式水位计的量程主要受限于____的长度。答案：钢丝绳（或测井）5.溶解氧传感器的响应时间一般需____分钟（稳定至90%读数）。答案：256.水质浊度的标准单位是____（符号）。答案：NTU（nephelometricturbidityunit）7.流速仪的检定周期通常为____年。答案：128.pH传感器的理论斜率（25℃）为____mV/pH。答案：59.169.雷达水位计的测量精度一般为量程的____%。答案：0.10.310.水流量监控系统中，数据采集模块的核心部件是____。答案：微控制器（或ADC模数转换器）三、简答题（每题6分，共30分）1.简述多普勒超声波流速仪（ADCP）的工作原理。答案：ADCP向水中发射高频超声波脉冲，接收水中悬浮颗粒（散射体）反射的回波。由于颗粒随水流运动，回波与发射波存在多普勒频移Δf=2vcosθ/λ（v为流速，θ为波束角，λ为波长）。通过测量Δf可计算流速，多波束组合可获取断面流速分布。2.比较压力式水位计与雷达水位计的适用场景。答案：压力式水位计：适用于静水（如水库、湖泊），需定期清淤防堵塞，受温度影响需补偿；雷达水位计：适用于动水（河道、明渠）、高粉尘/蒸汽环境，非接触测量，不受水质影响，但需避免水面强波动（如暴雨时）。3.水质电导率测量时，为何需要温度补偿？答案：电导率与温度呈正相关（温度每升1℃，电导率约增25%）。实际水样温度常偏离25℃标准温度，需通过温度传感器实时测量，按公式K=Kt/[1+α(t25)]（α为温度系数，一般取0.02）换算为25℃时的电导率，确保数据可比性。4.简述浮子式水位计的机械传动误差来源及减小措施。答案：误差来源：钢丝绳与滑轮的摩擦阻力、滑轮轴承磨损、浮子吃水深度变化（因水位变化导致浮子浸入体积改变）。减小措施：采用低摩擦材质（如聚四氟乙烯滑轮）、定期润滑轴承、设计浮子直径远大于水位变幅（减小吃水变化影响）。5.水流量监控系统中，如何通过冗余设计提高数据可靠性？答案：（1）传感器冗余：同一参数安装2台同类型传感器（如双超声波水位计），取均值或剔除异常值；（2）传输冗余：同时采用有线（RS485）和无线（GPRS）传输，优先使用有线，故障时切换无线；（3）存储冗余：本地SD卡存储+云端数据库同步，防止单端数据丢失。四、计算题（每题10分，共30分）1.某水库使用压力式水位计，传感器量程0100m，输出信号420mA。已知当地大气压为101.3kPa，传感器安装于库底（海拔100.0m），某时刻输出电流为12mA，求此时库水位（水密度取1000kg/m³，g=9.8m/s²）。答案：（1）电流与压力的关系：12mA对应量程的50%（(124)/(204)=0.5），故表压P=0.5×100m×1000×9.8=490000Pa=490kPa。（2）绝对压力=表压+大气压=490+101.3=591.3kPa。（3）水位H=绝对压力/(ρg)=591300/(1000×9.8)=60.34m（相对于库底）。（4）库水位海拔=库底海拔+H=100.0+60.34=160.34m。2.某明渠采用矩形断面（宽b=2.5m），使用超声波时差法测流。已知超声波发射频率f=1MHz，声速v=1500m/s，两换能器间距L=3.0m（与水流方向夹角θ=45°），顺流时间t1=1998μs，逆流时间t2=2002μs，求断面平均流速v_avg及流量Q。答案：（1）时差Δt=t2t1=20021998=4μs=4×10⁻⁶s。（2）流速v_w=(L²Δt)/(2t1t2cosθ)。因t1≈t2≈t=2000μs，简化为v_w=(LΔt)/(2t²cosθ)×t1t2≈(LΔt)/(2tcosθ)。代入数据：v_w=(3.0×4×10⁻⁶)/(2×2000×10⁻⁶×cos45°)=(12×10⁻⁶)/(2×2000×10⁻⁶×0.7071)=12/(2×2000×0.7071)≈0.00424m/s？（此处可能简化错误，正确公式应为v_w=(L/(2cosθ))(1/t11/t2)）正确计算：1/t11/t2=(t2t1)/(t1t2)=4×10⁻⁶/(1998×2002×10⁻¹²)≈4×10⁶/(1998×2002)≈4×10⁶/4×10⁶≈1s⁻¹（近似）。v_w=(L/(2cosθ))(1/t11/t2)=3.0/(2×0.7071)×1≈2.12m/s。（3）流量Q=v_avg×b×h（假设水深h=1.2m，题目未给，需补充条件？若题目默认h=平均水深，可能需调整。若假设h=1.0m，则Q=2.12×2.5×1.0=5.3m³/s。）注：因题目未提供水深，实际应补充条件。假设水深h=1.5m，则Q=2.12×2.5×1.5=7.95m³/s。3.某水质监测站测量pH值，使用pH计校准后斜率为58mV/pH（25℃）。测量时，传感器输出电位为150mV，参比电极电位为+250mV，求水样pH值（已知标准氢电极电位为0mV）。答案：（1）电池电动势E=参比电位测量电位=250mV(150mV)=400mV。（2）pH=(EE0)/(S)，其中E0为pH=7时的电动势（理论值为0mV，实际校准后为0mV）。（3）pH=400mV/58mV/pH≈6.90（若E0=0）。五、综合分析题（每题10分，共20分）1.设计一个小型水库的水位流量监控系统，需实现实时水位、入库流量、出库流量监测。要求：（1）列出主要传感器及选型依据；（2）设计数据传输与存储方案；（3）分析可能的误差来源及校准方法。答案：（1）传感器选型：水位：雷达水位计（非接触，抗漂浮物干扰，量程050m，精度±3mm）。入库流量：超声波多普勒流量计（ADCP，适用于河道断面，量程0.0210m/s，精度±1%）。出库流量：电磁流量计（安装于放水管道，口径匹配，电导率＞5μS/cm，精度±0.5%）。（2）数据传输与存储：采集模块：STM32微控制器+RS485转4G模块，将传感器信号（雷达420mA、ADCPRS485、电磁RS485）转换为数字信号。传输：4G无线传输至云平台（如阿里云），同时本地SD卡存储（1分钟间隔）。存储：云平台数据库（MySQL）存储时间序列数据，支持历史查询与报警阈值设置。（3）误差来源及校准：水位：雷达波受水面泡沫反射（定期清理水面漂浮物）、温度对声速影响（内置温度传感器补偿）；校准方法：人工水准测量对比，每月1次。入库流量：ADCP波束角偏差（出厂校准）、悬浮物浓度变化（定期清洗换能器）；校准方法：流速仪法比对，每季度1次。出库流量：电磁流量计电极污染（定期酸洗）、管道非满管（加装压力传感器监测满管状态）；校准方法：体积法（放水至已知容量水池）校准，每年1次。2.某城市供水管网需新增余氯在线监测点，分析：（1）余氯传感器的选型及工作原理；（2）安装位置的选择依据；（3）数据异常（如读数骤降）的可能原因及排查方法。答案：（1）传感器选型：选择恒电压式电化学传感器（三电极系统：工作电极、参比电极、对电极）。工作原理：在工作电极施加恒定电压（约0.6VvsAg/AgCl），余氯（ClO⁻）在电极表面发生还原反应（ClO⁻+2H⁺+2e⁻→Cl⁻+H₂O），产生与余氯浓度成正比的电流信号，经放大后输出420mA。（2）安装位置：优先选择管网节点（如加压泵站出口、小区入口），反映用户端实际水质；避开管道弯头、阀门（避免流速突变导致混合不均）；安装于直管段（前10D后5D，D为管径），确保流体稳定；加装旁路采样（避免主管道压力过高损坏传感器）。（3）数据