明渠流量计量办法Word文件下载.docx

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国外定期将水位计在实验台上通过率定，找出补偿曲线供采集水位时修正。

国内往往是定时将压水水位与水尺水位相比较来完成率定。

前者可以保证传感器的线性度，从根本上保证水位采集精度，后者只是在个别水位点上校正，传感器的线性度没有得到改善。

◆电容式

用电容式压力传感器感应静压水头:

利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出，其原理比较简单，是应用最广泛的一种压力传感器。

◆振弦式

振弦式传感器的工作原理是利用钢弦的应力与其自振频率的关系来监测被测物理量的变化，其主要由振弦、夹紧装置、受力机构、电磁回路及信号处理等几部分组成。

具有独特的优异特性如结构简单、精度高、抗干扰能力强以及对电缆要求低等

◆应变式

应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。

根据制作材料的不同，应变元件可以分为金属和半导体两大类。

应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。

应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。

其缺点是输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差。

但由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有广泛的应用。

◆石英晶体式

用石英晶体作为压力传感器感应静压水头:

原理是依据压电效应原理（利用外界压力在石英晶体表面形成电荷，再实现电荷放大）或利用石英晶体的频率随外力的改变而改变的特性制成的。

具有精度高、灵敏度好、测量范围宽、反应迅速、数字输出等独特的优势。

石英传感器是一种新型的传感器，近几年由于其性能得到较大的提高，目前得到一定的应用。

3、超声波测距法（非接触式）

用声波反射的原理来测量水位。

分为水介式和气介式两类。

声波在介质中以一定速度传播，当遇到不同密度的介质分界面时，声波立即发生反射。

水介式是将换能器安装在河底，垂直向水面发射超声波；

气介式是将换能器固定在空气中某一高处，向水面发射超声波。

两种形式均不需建测井。

水介式声速受水温、水压及水中浮悬粒子浓度影响，在测量过程中要对声波校正，才能达到测最精度。

气介式要对气温影响进行校正，其优点是不受水中水草、泥沙等影响。

4、超声波测距法（接触式）

5、雷达法

雷达的工作原理，是设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；

雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。

雷达分为连续波雷达和脉冲雷达两大类。

脉冲雷达因容易实现精确测距，且接收回波是在发射脉冲休止期内，所以接收天线和发射天线可用同一副天线，因而在雷达发展中居主要地位。

测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。

目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。

仰角靠窄的仰角波束测量。

根据仰角和距离就能计算出目标高度。

当雷达和目标之间有相对运动时，雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。

从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。

当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。

雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。

二、流速面积法

1、超声波时差法流量计（TransitTimeUltrasonic

Flowmeter）其工作原理如图1所示。

他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

其中有两个超声波换能器：

顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。

由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：

超声波时差法明渠流量计分类

◆按声道数目划分：

A．单声道B．多声道（2—8声道）

超声流量计测量原理是一种速度式流量计，流体的流态对流量计精度影响较大。

若选用单声路换能器，则仪表精度仅为5％，在声路选择上根据测量精度要求，可以选为1、2、4、8声路和1~4个测量断面的组合，就可以有效地解决流体流态在一个方向分布不对称的影响；

另外，当渠道中水位变化幅度较大时，也必须选择多声道，保证在水位最低时仍至少有一组换能器在水下工作。

◆按渠道跨度（工作频率）划分:

测量渠宽范围：

0.25～300m，渠道越宽，所选择的超声波换能器工作频率随之下降，频率下降，其穿透能力随之增强，换能器工作频率可以从1MHz至几百kHz进行选择，但测量的精度随之下降，这时可采用增加超声波声路办法，提高测量精度。

◆按换能器安装方式划分：

A．对岸反射

超声波发射换能器与接收换能器安装在渠道的同一岸边，在对岸安装一反射板，

发射端换能器发射的超声波经反射板反射到接收换能器上。

B．对岸接收

超声波发射换能器与接收换能分别安装在渠道两岸，一个发射，一个接收。

2、电磁法

电磁法测流速是应用法拉第电磁感应的原理，即一电导体在磁场垂直于磁力线的方向运动而感生电流来测定流速的一种方法。

施测时，在河流两岸各安设一个探测器，并把它连结在电压表上，即可测出感生的电动势。

感生的电动势与流速之间的关系以E=Hvb表示，式中E为感生电动势，H为磁场，b为河流宽度，v为平均流速。

测定了电动势，即可推算出流速。

近年来，出现了一种新型的电磁海流计，观测流速的范围以0—3米/秒±

0.02米/秒，流向为0—360°

±

3°

，最大使用深度可以达到2000米。

电磁法很适用于潮汐河口区的连续测流。

3、超声波多普勒法测量原理（横向发射）

多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。

超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。

入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。

由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量。

超声波多普勒法（横向发射）流速仪安装在河流或渠道的岸边，探头上的声学换能器发出声波脉冲。

同时接收各时间的回波，水平发射波束涵盖部分或整个宽度的水体，由回波时间的不同，判别相应测点离探头的距离。

对每一回波的多普勒频移进行计算，得到探测水层各测点的流速分布，这样实时测量一个水层的流速分布。

利用水平式声学多普勒流速仪提供的流速数据以及率定好的水平剖面流速与断面平均流速的关系模型实时计算河流或渠道的流量。

5、超声波多普勒法测量原理（纵向发射）

超声波多普勒法（纵向发射）流速仪是将探头安装在测流断面某一处（或几处）流速有代表性的垂线河底（或水面），换能器向上（或下）方发射声波，测得探头上（或下）方这一垂线上的流速分布，同时测得水位。

根据代表线流速与断面平均流速的关系模型推算断面平均流速，进而计算断面流量。

6、转子法

转子流量计是变面积式流量计的一种，其是由一个锥形管和一个置于锥形管内可以上下自由移动的转子构成。

转子流量计本体可以用两端法兰、螺纹或软管与测量管道连接，垂直安装在测量管道上。

当流体自下而上流入锥管时，被转子截流，这样在转子上、下游之间产生压力差，转子在压力差的作用下上升，这时作用在转子上的力有三个:

流体对转子的动压力、转子在流体中的浮力和转子自身的重力。

量计垂直安装时，转子重心与锥管管轴会相重合，作用在转子上的三个力都沿平行于管轴。

当这三个力达到平衡时，转子就平稳地浮在锥管内某一位置上。

对于给定的转子流量计，转子大小和形状己经确定，因此它在流体中的浮力和自身重力都是已知是常量，唯有流体对浮子的动压力是随来流流速的大小而变化的。

因此当来流流速变大或变小时，转子将作向上或向下的移动，相应位置的流动截面积也发生变化，直到流速变成平衡时对应的速度，转子就在新的位置上稳定。

对于一台给定的转子流量计，转子在锥管中的位置与流体流经锥管的流量的大小成一一对应关系。

这就是转子流童计的计量原理。

7、走航式超声波多普勒法

8、便携式转子法

9、便携式雷达法

三、明渠流量计选型参考

（一）明渠流量计主要产品分类：

1.水位法流量计：

水位法流量计实际上是水位计加辅助的工程建筑物的统称。

·

辅助的工程建筑物主要有：

量水槽（巴希尔槽、无喉道量水槽等）

量水堰（薄壁堰、三角堰、宽顶堰等）

标准断面（指顺直的规则断面）

闸孔

水位计主要有：

超声波水位计（接触式式）

超声波水位计（非接触式式）

浮子式水位计

压力式水位计

水尺（人工读数）

一般讲如果是自由出流，用一个上游水位就可通过公式换算或查曲线求得流量，如果

是淹没出流，则需要上下游两个水位。

在精度方面，由高向低排列如下：

类型精度

自由出流薄壁堰2%

自由出流宽顶堰3%

自由出流巴希尔槽3%

自由出流无喉道量水槽3%-5%

自由出流闸孔5%

自由出流标准断面10-20%

淹没出流薄壁堰20%

淹没出流宽顶堰25%

淹没出流巴希尔槽25%

淹没出流无喉道量水槽25%

淹没出流闸孔20-30%

淹没出流标准断面30%

（上述精度是渠道小于5米且流态较稳时的理论精度，渠道越宽精度越低）

2.流速面积法流量计：

流速面积法流量计主要通过测流速及水位来计算求得流量，分为两大类：

窄渠道（一般宽度在20米以下）：

多普勒法（纵向发射）流量计精度2%

时差法流量计精度2%

电磁流量计精度2%

宽渠道：

多普勒法流量计（横向发射，也叫ADCP，即多普勒剖面仪）

多普勒走航式流量计

时差法流量计

对窄渠道（一般宽度在20米一下）多普勒法（纵向发射）流量计与时差法流量计相比，

当水位波动较大时，前者精度较高，当流态左右岸不均匀时，后者较高。

电磁流量计需

要工程配合，得使水流从孔口流过，不适宜较大渠道。

对宽渠道，多普勒法流量计及多普勒走航式流量计一般精度较高，时差法流量计在自然

河道中的测流精度较低。

（二）明渠流量计主要产品选型（20米以下的窄渠道）

无论采用何种产品，都对渠道测流断面处的水流流态有统一的要求：

测流处上游有10—15倍水力半径的顺直段、下游有5倍以上水力

半径顺直段，顺直段越长流态越稳定，测量精度就越高，越接近

产品的理论最大精度。

（如果是急流，则对下游顺直段没有要求）

产品选型原则（20米以下的窄渠道）：

①当水流流态为缓流时（即渠道坡降较小，下游堵水后会向上游雍水）且下游有雍水时，

不易采用水位法测流；

②当渠道宽度大于5米，不易采用水位法测流，此时修建量水建筑物工程费用大且精度低。

③当渠道宽度小于5米且为急流时，适宜采用水位法测流，但要求上游有一定的顺直段。

④采用流速面积法测流时，当水位变动较大时适宜采用多普勒法（纵向发射）流量计；

当左右岸流态不一样时易采用时差法流量计。

⑤采用标准断面测流时，最好用上下游两个水位，并经常根据渠道状况进行重新标定，

因此要考虑经常要标定的费用支出。

⑥采用流速面积法测流时，由于仪器探头安装于水中，因此要考虑仪器探头的堵塞问题。

⑦在没有一定顺直段的情况下可考虑用水位法中的闸孔测流。

四、灌区水位测量记录设备的土建安装

对用户而言，现场安装首先应考虑一次传感器和二次记录设备的安装和保护。

根据部分灌区的实践经验，就自记式水位计而言，可以归纳为如下几种安装方式。

１．预制结构安装

用户可以在水尺处固定钢管，将传感器置于其中进行实时记录，水位计主机安放在预制好的钢结构或钢筋混凝土结构中。

应该注意的是，安放传感器的钢管一般应在背水面打孔，下端的孔应高于传感器的金属部件，上端的孔应低于正常水位或设计水位，钢管是否需要垂直放置取决于一次传感器的类型和渠道断面形状，对压力式传感器而言，钢管放置的角度不影响测量结果。

同时钢管的下沿与渠底应有一定距离，在保证不被淤积的情况下，尽可能靠近渠底。

２．旱井式安装

水位计和传感器均安装在旱井中，旱井的作用主要是基于仪器安全和防止泥沙淤积的结构需要。

本结构可以将传感器安装在低于渠底的位置，因而可以感应小水位的数据，从而克服预制结构安装中传感器以下的水位无法感知的缺陷。

３．静水井式安装

在安装浮子式传感器的地方，由于浮子是垂直感应水面的变化，同时为避免波浪等对浮子的影响，需要布设静水井，静水井与渠道水体保持连通。

实际安装中，将浮子置于该井中，二次仪表也可以置于该井水面以上的地方。

在泥沙淤积不太严重的地方，也可在渠道侧面修建测水井，并将其与渠道连通。

　４．就近建筑物安装

　如果在测流点附近有房屋或其他固定建筑物，为保护仪器免受人为或天气影响，可通过地埋电缆将主机引入房屋中，观测人员可足不出户了解水位实时变化情况。

这种方式特别适用于测流房或测流站与测流断面距离较近（１ｋｍ以内为宜）的地方，它不仅可以节约水位实时监测的电源费用，而且可以大幅度降低通信费用。

其一次仪表的安装与其他方式相同。

　　　在灌区用水管理中，水位的实时监测和实时传送并不总是需要同步完成，自记式水位计可以根据用户的实际需求，完成水位的动态实时监测和记录，一定时间之内，灌区管理者可以从自记式水位计主机中将带有时间标志的水位数据取回，并做出相应的分析。

实时传送往往需要价格不菲的通信费用和电费，它一般应用在重要渠段、有防汛任务的渠段、上下游交接水量的渠段。

对灌区灌溉而言，大多数支斗口渠道实现水位水量实时动态自记即可满足实际需求，从而大幅度降低整个灌区水情测报的费用。

而且随着经济水平的提高和技术的不断发展，自记式水位计可以十分方便地与多种通信方式连接，实现水位的实时监测和实时传送。

因此，在灌区灌溉管理的技术方案设计中，应根据实际需求，有选择地确定传感器类型、安装方法和通信模式。

五、明渠流量检测仪表选型

明渠流量检测作为流量测量的一大分支，已广泛应用于给排水、污水处理等行业。

选择合适的明渠流量检测仪表往往能获得丰厚的技术与经济效益回报。

一、传统检测技术与方法

1.堰式流量检测仪表

在明渠中途或末端设置上部有规则缺口的板，流体受阻后在上游形成一个自由表面，

水流依靠重力越堰而下，当堰口流出的流量等于渠道中的流量时，水位便稳定在某一高度，并由此可测出渠道中的流量。

堰式流量计具有结构简单加工方便的特点，但应用极少。

原因在于：

（1）压力损失较大，且只宜用于窄渠固体杂质少或无沉积物的流体流量检测，否则堰前易沉积杂物，要定期清理。

一般情况下，半个月须清除堰板开口边缘和变送器膜盒上的结晶、结垢等。

（2）虽部分堰已标准化，但原理是非线性的。

比例堰可实现线性化但未能标准化，缺乏设计的必要数据。

目前只能参考薄壁堰的国际标准（ISO1438/1），而且国内尚无专业厂家批量制造。

（3）小流量时，溢流水舌易附着堰的外侧造成误差。

（4）安装调整较复杂：

下游水位高时，溢流水形成淹没状态，影响测量。

因此安装的出口侧要有足够的排泻能力：

入口侧也应略高于堰槽的水头，以克服沿程阻力；

安装后堰板开孔下缘要调整水平。

2.槽式流量检测仪表

帕歇尔水槽与文丘利管相似，由收缩部、喉口部和扩大部组成。

水流在喉口部加速，

同时，其上游水位抬高，测量喉口部与其上游水位差即可推导出流量。

国内从90年代开

始研制并应用超声明渠流量计。

即：

文丘利槽+超声波液位计+微机化仪表的整套装置。

这种流量计具有以下特点：

水头损失相对较小，流量范围较大；

水路倾斜度和粗糙度对

流量系数影响较小；

水中固态物质几乎不沉积，随水流排泄；

流体的速度和下游水位对

测量精确度的影响较小。

但存在以下缺点：

（1）若流量扩大造成测流水槽溢流时，需重新设计制作，仅加高P槽不能满足测量精确度的要求（ASME标准中，P槽已有定型尺寸）；

（2）水路结构复杂，安装空间大，土建施工与改造费用很高，上游直渠段要求为10倍以

上喉口宽；

（3）安装时水槽高度很重要。

太高了上游水位上涨时会造成溢流；

太低了下

游水位会影响测量。

3.潜水型电磁流量检测仪表

在水渠中间安装一块隔板，在水下安装潜水型电磁传感器，利用带有喇叭口的孔迫

使流体只能从传感器中流出。

其流体流动状况属于淹没孔口流。

其流出速度由上下游两

侧的液位差来决定的。

潜水型电磁流量检测仪表采用PVC塑料制成。

重量轻、耐含酸或含碱等污水的腐蚀；

比堰式水头损失小（抬高水位为100~300mm）；

大流量时。

为降低仪表费用，可并用若干

个几何尺寸、形状与传感器相同的分流空管；

要求直渠道相对较短（一般为3倍渠宽），

可在任意形状水路安装；

由于流量计采用的是连通的孔流，因而，流量计下游水位变化

对测量无影响，特别适用于在易涨水的河口和有潮汐的海口安装。

但工业应用不多，缘

由在于：

（1）安装较麻烦，而且要求传感器与分流模型安装位置应尽可能低。

（2）因

降雨等流量增加时就会使其溢流或者打开闸门泄流；

相反地，若流量过小，上游水位不

能满过传感器上游端时就要把水渠底部往下挖深再安装传感器。

或者在下游侧安装堰板

使其经常处于满水状态。

因此不宜用在水位变化大的场合。

4.其他方法

流速-面积法可应用在水位变化不大的情况下，把流速探头固定在能给出平均流速的

水深附近，测量该位置的流速。

优点是水头损失小，可选的流速测量仪表种类多但要获

得准确的测量数据应对下列问题进行必要的研究与解决：

（1）必须预先用实验方法求出

取决于水位变化的平均流速与测量流量之比，把这个值通过线性插入法来修正测量的流

速值才能以真平均流速输出。

（2）要稳定地测量平均流速则应有相当长的直渠段。

故只

适用于水路条件平直、流量变动小的大流量测量场合。

而最大的问题是没有一个定义的

平均流速点要做水路实验及计算处理精确度相对较低；

如不能保证直渠段则须使用多测

量点，以求出几个水平线上的平均流速。

具体选择几个测量点应根据水渠大小水流深浅、

水位变化情况、测量精确度要求等综合确定。

或者采取平行多声道（8个超声波换能器）

测量平均流速。

平均流速公式法从水力学理论出发根据谢才公式只要测出h（宜采用气介式超声波液

位计）便可不改变流路形状、不阻碍水及水中悬浮物的流动，实现非接触式明渠流量测量。

这是其最显著的特点。

但还受渠路形状与流量、液位关系、被测介质中泡沫与木片等漂浮

物影响。

可见，上述这两种测量方法均较繁琐、精确度较低、通用性差，不适宜于工业在线

测量与普及应用。

二、新型检测技术与方法

1.流速-液位复合传感器

为了简化明渠流量的测量，既不拦截渠道、产生不可恢复的压力损失又便于安装，减

低费用还确保和提升测量精确度，国外近年研制并推广应用了一种复合型传感器用于明渠

流量测量。

其检测原理是根据Q=V*A方程进行流量计算，即通过液位和管道尺寸换算出液

体的实际流通截面积并通过测得的流速计算出平均流速（平均速度的连续计算是准确测量

的关键），再将平均流速与实际过流面积相乘得出液体流量。

为保证测量精确度该流量计

设计了液位测量时的温度影响修正功能（ATCTM）、Q-StickTM安装环（传感器安装工具）。

这种合二为一的流量检测仪表使流速-面积法明渠流量测量装置大为简化，其扁平的

流线型传感器通过安装架放在明渠底部或某一合适位置（防止积砂等）。

传感器外壳采用

PVC塑料，内有两个敏感元件。

一个是测流速的电磁流量元件（包括线圈和电极），另一个

是固态扩散硅应变元件，用来测水压力（即液位）。

该流量计液位测量范围为0~1524mm至

3505mm，精确度为±

6.35mm（包含非线性、滞后和速度效应）；

流速分辨率0.003m/s。

量范围为0.15~6.1m/s。

精确度为±

2%R。

可用于精确测量方形、圆形和椭圆形渠道中的流量。

具有优良