水利水电建筑工程专业及其相关专业群.docx

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水利水电建筑工程专业及其相关专业群

知识点二：

渠道量水技术与设施

一、渠道量水技术与设施

渠道量水按照量取的数据可分为水位量测和流量量测两大类，其中水位量测最为普遍。

与堰和闸等相结合，还可以通过水位来计算流量。

水位或流量的量测需要通过相应的传感器完成，传感器和仪表是远端装置（RTU）的重要组成部分。

这些仪表将测量的数据数字化并传输到中心计算机或中心控制设备上。

（一）传感器和测量仪表

传感器和仪表系统一般包括以下部分:

机械部分、机电信号转换（模拟信号或数字信号）、A-D转换、信号调节设备等。

信号转换可以一步完成，也可以分步完成。

例如，数字式轴角编码器可以将循环的机械运动直接转换成数字信号，也可以首先将机械信号转换成模拟信号，再通过A-D转换器转换成数字信号，经过标定和补偿，这些数字信号就转换为控制系统的实际数据，如闸门开度、流量、绝对水位或相对水位等。

信号的标定和补偿可以由测量仪表系统完成，也可以由RTU运算器或控制器完成，还可以由中心控制器完成。

将数字信号进行转换、标定和补偿，并以工程单位显示渠道系统的有关参数，比较直观，便于调度人员理解和对渠道灌溉系统进行控制。

各种各样的传感器都可用于灌溉渠道自动控制系统中。

实际中应根据传感器的适用性、精度、费用以及是否易于维护等情况来确定，常用的传感器有以下几种:

1．电位计电位计已经在渠道灌溉自动化中得到了普遍应用。

电位计有多种，适用于闸门启闭机、水位量测设备以及其他一些可以用轴的转动表示的应用场合。

多数情况下，电位计用作分压器，分压器的输出作为模数转换器的输入，为RTU提供数字化信息。

该数字信息经标定和补偿，可转换成以工程单位表示的量。

电位计也可以用作线性设备，并在平板闸门系统中得到了应用。

像旋转电位计一样，线性电位计将线性位移直接转换成模拟电压。

2．数字轴角编码器数字轴角编码器可以代替电位计用于旋转编码。

这种编码器既适宜于作为绝对编码器，也适宜于作为增量编码器。

数字轴角绝对编码器是一种旋转设备，它把输入数据直接数字化。

绝对编码器使用带有滑动触点或发光二极管和光电接收元件的编码转盘，来提供编码位置。

有关数据可以通过电缆并行传输，或转换为串行数据后通过线对传输。

采用绝对编码器时，在掉电的情况下不会漏失计数。

常用的数字轴角编码器的规格为1～64圈，整体精度可达1/65536。

位置可以用高达16个二进制字节来表达，它既可以是一个串联串，也可以是16个并联晶体管逻辑兼容信号。

使用绝对编码器时存在的问题是费用较高和不易维修和维护。

在气候条件变化较大和电源波动较大的情况下，可靠性有时也是需要考虑的问题。

增量编码器给出输出量的步长和方向，也可以单独输出增量或减量。

增量编码器通过计算机保持累计位置。

对于每个循环100个记数的编码器，增量编码器的精度在3mm以内。

在停电情况下，编码器电源中断，其位置计数将会丢失。

此时，必须重置编码器的位置，以保证与实际的测量值相符。

因为位置重置必须由操作人员现场进行，因此在渠道自动控制系统中，为了避免这种情况，一般不使用增量编码器。

3．线性电压差变压器线性电压差变压器是模拟输出设备。

变压器通过一个移动的磁芯来改变变压器绕组间的耦合，从而改变输出电压。

通过一个电子元件，可以利用变压器的输出产生一个与线性位移或旋转角度成比例的线性输出量。

这些设备的输出比电位计更加精确，但费用较高，结构复杂，因此在渠道系统中的应用受到了限制，而在电动阀开度测量方面应用较多。

由于磁芯和变压器之间为精密公差，元件易被泥沙淤塞甚至损坏，因此，需要对其进行适当保护。

闸阀控制器和平板闸门控制器采用线性电压差变压器时，可以获得较高的精度和较好的可靠性。

4．测斜仪测斜仪（角度变送器）产生一个与变送器的旋转角度相应的正弦或线性输出量。

安装时只需将测斜仪安装在弧型闸门的启动臂上即可。

正弦波输出量必须转换成线性函数，然后经过标定和补偿转换成闸门开度。

测斜仪应该能够与基于计算机的设备相匹配。

测斜仪的运行要求变送器旋转一个角度来生成输出量，而弧型闸门的启闭过程中，其启动臂成角度运行，因此非常适合测斜仪的安装和使用。

溢流式拦水建筑物，如橡胶坝，也适合于测斜仪的安装和使用。

测斜仪应安装在靠近闸门枢轴点的位置，以减小测斜仪锤摆或变送器内液体的运动速度。

尽管测斜仪的安装较为容易，但由于其安装位置在远离闸门启闭建筑物的流动水面之上，因此维修较为困难。

5．压力变送器压力变送器正在渠道灌溉自动化系统中水位测量方面得到应用。

当不需要现场图表记录时，压力变送器是较好的选择。

压力变送器的适宜压力范围较广、信号输出和变送器类型较多。

许多变送器都可以安装在水下，因此非常适宜于渠道自动控制。

变送器可以输出电压和电流。

电流输出范围可以是0～1mA、0～5mA和4～20mA，这些范围的电流输出都可以很容易地输入到RTU。

电压输出范围为0～10mV直至0～10V。

自动控制要求的电压输出较高，带有电流输出的变送器非常适宜于自动控制系统。

这类压力变送器安装简单且具有高的抗噪声干扰能力。

在信号线路较长（最长可达1.6km）和噪声较大的环境下，这些优点显得尤为重要。

（二）渠道水位的量测

传统的水位量测方法是在测验断面设立水尺，人工定时观测水位，这种测验方法不适应自动化迅速发展的需要，现在已经开发了大量的自动观测记录水位的设备，用以代替人工观测。

自动观测记录水位的设备有自记水位计、水位数据存储器等。

自记水位计是至今最常用的水位观测仪器，它可以连续记录水位变化的完整过程，其类型很多，如按水位传感方式来划分，主要有浮子式、压力式和超声波式。

此外，还有触针式、电容式、电阻式等，它们各自适用于不同的情况。

1．浮子式远传水位计浮子式自记水位计是最早发展起来的一种现在仍在世界各国得到广泛应用的水位观测仪器，它们的共同特点是用浮子感应水面升降变化而加以记录。

它具有结构简单、精度高、性能稳定可靠、使用维修方便等优点，易于推广应用。

能适应各种水位变动和时间比例的要求，做成各种自记周期（日、月、季以至半年）的水位记录设备，特别是可以利用适当的传感器将浮子感应的水位变化转换成电量，借以进行远传和遥测，从而实现在远离观测现场的地点随时了解江河、渠道、湖泊、水库等的水位变化，以满足用水管理、防汛、水库调度和水情预报等方面对实时水位信息的需要。

另外，其记录方式也在原有画线记录的基础上发展为数字显示、数字打印或经编码后存储于磁带或固态存储器中等多种型式。

主要缺点是必须建造静水测井，不仅需要土建方面的投入，还会给水位观测值带来测井滞后误差；一些测井的定期或经常性清淤也相当费工费时；在多沙河流及冲淤变化严重的测站，不宜甚至不能建造测井；结冰期无法进行观测。

这些因素部分地限制了这类仪器的使用。

2．压力式水位计根据静水压强等于比重乘以水头的原理，通过检测水压力实现水位观测和自记的设备，统称为压力式水位计。

在水的比重基本稳定的情况下，这种水位计可以获得相当精确的测量成果，且有不需要建造测井的突出优点。

它主要适用于内陆河流，渠道、湖泊、水库的水位自记。

主要有吹气引压式的压力水位计和压阻式传感器等类型。

以下是两种常见的压力式水位计:

（1）WQC-1型气泡水位计由美国Sutron公司和南京水利水文自动化研究所联合开发和生产的产品，它主要用于水文站水位观测点不易建井的地区，以及大坝测压管、河流的上下游水位，特别是河床斜坡较缓地段的水位观测。

它具有安装、维护方便，操作、组网灵活，运行稳定、可靠且精度高等特点。

（2）WYY型遥测压力式水位计由水利部南京水利水文自动化研究所研制开发，是专为水库、水电厂、湖泊、江河等低含沙量水域遥测系统配套的压力式水位计，符合中华人民共和国行业标准SL50-93压力式水位计标准。

3．超声波水位计超声波水位计是利用声波的反射特性，根据声波传播速度和往返传播的时间来检测水位的无测井自记水位计。

按声波传播介质的不同，分液介式和气介式两种，如图所示。

图8-1超声波水位计基本原理示意图

（a）液介式；（b）气介式

它们的基本原理完全相同，都是由电声换能器向水面发射声波，发出的声波被水面反射回来，又被换能器所接收。

由声速vc和往返传播时间△t，即可求得换能器与水面的距离d，见式（8-1）:

（8-1）

再由换能器安装高程Z0，就可求得水位Z，见式（8-2）:

液介式

气介式

（8-2）

近年来，国内已研制成功用单板机或单片机控制的超声波水位计，显著增强了克服环境因素变化和波浪影响等的数据处理能力和整机功能，不仅可以数字显示，而且可以提供编码输出和打印记录。

超声波水位计的主要优点为测量精度高、测量速度快、量程宽、不受泥沙淤积的影响。

其主要缺点为:

探测器只能在宽敞的安装条件下使用；受外界影响较大，如温度、湿度等；当其用于小量程时，精度受到较大影响；易受温度的影响；造价高；冰冻对测量结果有较大影响。

4．触点式水位计触点式水位计是一种较新的水位测量工具，借鉴传统的水尺观测方法，在水位计沿程每隔一定的距离布置触点（或探针），通过触点感应水流的特性，认为水流特性突变的位置即所测量的水位。

其主要优点是安装灵活方便，不需要测井，不受泥沙淤积、冰冻及温度、水质等的影响。

5．电容式水位计电容式水位计使用电子封装和聚四氟乙烯塑料包裹的探头感应元件测量水位。

水位的变化导致电容的改变，电子器件把这种变化转化成相应的模拟信号。

使用电容式探头，可以方便地设置偏移量和量程。

其输出信号可以按比例直接转换为实际水位。

将模拟信号转换为数字信号，经过标定和补偿，可以进一步转换为符合工程习惯的数据。

聚四氟乙烯塑料包裹的探头可以有各种长度，以适应不同的水位变幅。

（三）渠道流量的量测

渠道运行一般以流量来描述，困此流量的测量十分必要。

水管理、灌水计划、分水和供水等都是以流量表述的。

流量的测量比水位的测量难度要大，多数情况下，流量测量都是通过一个或多个水位测量、渠道断面测量和标定实现的。

测量流量的方法有多种，但大多数都是通过测量水位来计算流量。

在很多系统中，都是对水位和流量同时进行测量。

自动控制渠道系统中流量测量的方法主要有:

声波和超声波流量计、闸孔流量算法、巴歇尔槽、堰、流速仪、孔口出流及潜水型电磁流量计等。

使用槽和堰测定流量源于水位测量。

堰和槽通常被率定为水位流量关系。

通过关系曲线或图表，可以将水头转换为流量。

1．声波和超声波流量计声波和超声波流量计的原理是多普勒原理，根据声波沿不同方向通过水的时间差来估算流量。

在一个方向，流水增加了声波的速度，声波传播时间较短，而在相反方向，水流延缓了声波的传播时间，声波传播时间较长。

沿着声波的路径，平均水流速度可以根据下列公式从二者的时间差计算出来，见式（8-3）:

（8-3）

式中Vw——水流平均流速；

△T——以秒为单位的两个声波传播时间差；

C——在液体中声波速度；

L——发射与接受声波路径长度。

发射接收装置是位于渠道边坡上的特制变送器。

与水位变送器不同，这些变送器必须与水流接触。

一个变送器位于渠道的一边，另一个位于其下游另一边，二者相距足够的距离，以便能测出时间差（dt）。

这些变送器在控制点将电脉冲转化成声音脉冲以通过水流，同时也将接收到的声音脉冲还原为电信号以便计算流量。

时间比较仪安装在仪器控制点以测量时间差。

系统的精度取决于变送器安装的深度是否适当，是否能获得真正的渠道平均流速。

如果流速分布不均匀，有时有必要在不同深度安装多对变送器，以适应变化的流速断面。

如果仅有一对变送器，一般测量0.6倍水深处的平均流速并用来计算流量。

声波流量计和测流技术在可靠性、准确性和可操作性能方面已经取得了重要进展。

在理想状况下，流速测量精度可以达到1%。

和其他测定平均流速的方法一样，为确定断面过流量，应先建立平均流量与断面平均流速、过流断面面积的关系。

控制器使用过流面积（水深的函数）和流速计算流量。

水温和水质（盐度）会影响信号的传输速度，因此，应根据当地水质条件对流量计进行率定。

2．闸孔出流算法闸孔出流算法使用现有的水闸建筑物和上下游水位来计算流量。

闸孔出流是孔口出流的复杂结构形式。

由于闸门开度和上下游水位间的关系较为复杂，所以闸孔出流算法较以前讨论的方法更为复杂。

然而，利用闸孔出流计算流量又相当简便。

通常闸门开度和至少一个水位都是已知的，只需要测量第二个水位值并对闸孔出流流量关系进行率定。

闸孔出流算法较为复杂，与闸门的几何尺寸甚至和闸门的密封情况都有关系。

一般情况下符合式（8-4）:

（8-4）

式中Q——流量；

CD——流量系数；

GO——闸门开度；

GW——闸门宽度:

g——重力加速度；

H——水头或上下游水位差。

闸孔出流算法需要使用计算机，并根据具体的闸门参数进行计算。

实际测试结果表明精度最好可以达到总量程的0.7%，一般可以达到3%～5%。

该方法的优点是充分利用现有的建筑物；精度较高；测流过程中不增加水头损失；能在RTU或控制器中执行。

缺点是对闸门的密封情况和其他因素变化较敏感；算法复杂，需要使用计算机；需要测量闸门开度和上下游水位。

3.巴歇尔槽巴歇尔槽是位于渠道上的具有特定断面形状的明渠渠段，用以测定流量。

巴歇尔槽是文丘里管的特殊形式。

收缩的喉道产生水头差，从而可以计算相应的流量。

巴歇尔槽堰后渠道底坡为正坡，即使在淹没度较大的情况下，渠道流量也不受影响。

收拢的上游断面加速了水流的推进速度，从而减少了泥沙的淤积，提高了量测的精度。

行近流速通常对堰和孔口出流的测量有不利影响，而巴歇尔槽行近流速较小，对流量测量几乎没有影响。

如果对测量精度要求很高，行近水流应尽可能平顺，避免出现紊流、旋涡和水波。

巴歇尔槽具有水头损失小；对行近流速不敏感；在非淹没、中等淹没和高度淹没的条件下，测量效果都较好；由于流速较大，在建筑物周围没有泥沙淤积等优点。

巴歇尔槽自由流的流量方程见式（8-5）:

（8-5）

式中Q——流量；

H——上游水头；

K——常数，与巴歇尔槽几何尺寸和材料有关；

n——常数，与巴歇尔槽几何尺寸和材料有关（2＜n＜3）。

通过巴歇尔槽的水流有两种状态。

其一为自由流，即下游水深较浅，不足以对流量产生影响；其二为淹没流，即下游水深超过堰顶，并使得过堰流量减少。

自由流情况下，只需测量上游水深，就可以根据标准图表计算流量。

由于巴歇尔槽可以承受50%～80%的淹没度而流量减少甚少，因而自由流的范围常常包容了部分淹没流范围；对淹没流（超过50%～80%的淹没度），则同时需要上下游水位才能计算流量。

巴歇尔槽的突出优点是在一个相当宽的范围内水头损失较小，仅需要一个水位值就可以确定流量。

其水头损失仅是同样长度其他类型堰的1/4。

另一个优点是如果巴歇尔槽尺寸选择适当而且施工平直，其行近流速可以自动得到控制。

巴歇尔槽的缺点是:

不能应用于由分水口、控制闸或测量设备等组成的封闭式组合建筑物；比堰或淹没孔口需要的投资大；需要坚固的不透水的基础；对施工要求较高；如果是淹没流，则同时需要上下游水位；较大的巴歇尔槽随着时间的推移容易沉降和变形，因而需要重新率定。

巴歇尔槽一般以其喉道尺寸来标示，喉道尺寸可以从0.025～15m，相应的过流流量分别从0.0283m3/s到85m3/s。

巴歇尔槽的建筑材料可为木质、混凝土、电镀金属、塑料或其他材料。

通常，大型巴歇尔槽是现场施工，小型的可以从预制厂购买。

虽然有些巴歇尔槽重量较轻，但在其外边和底板以下浇注混凝土后，其强度和稳定性都较好。

巴歇尔槽配以高精度水位编码器，是一种很好的可供控制器或RTU配套使用的流量测量设备。

控制器可以将水位转换成流量或直接使用水位值。

在非淹没的条件下，测流精度可以达到总量程的3%～5%。

4．斜坡水槽斜坡水槽有坡度为3:

1的斜坡过渡到水平宽顶堰，再连接垂直跌水，后与渠道反接。

斜坡水槽结构简单易于施工，可以很容易地安装在现有渠道上。

典型结构见图8-2。

图8-2（a）斜坡水槽；（b）斜坡水槽示意图

斜坡水槽水头损失较小，能够承受较高的淹没度（对下游垂直的堰面，可达测定水头的85%，对下游接6:

1的扩散斜槽，则可达93%的测定水头）。

因此，对下游为垂直结构的斜坡水槽，最小的水头损失为15%，而对下游为6:

1倾斜结构的斜坡水槽则为7%。

在淹没度以上，流量测量误差迅速增加。

通常，斜坡水槽的高度为渠道正常水深的40%～60%。

以50%为例，下游为垂直结构的斜坡水槽，最小允许水头损失为7.5%，而下游为6:

1倾斜结构的斜坡水槽为3.5%。

斜坡水槽最大的优点是可以施工完成后根据实际尺寸对水槽进行率定，因此可以避免施工误差和水槽沉降等可能带来的对测量精度的影响。

为了便于流量测量，可以通过计算机程序生成一个水位流量关系表。

斜坡水槽的另一个优点可以不对渠道断面进行大的改动。

为了保证水流为层流（率定时假设水流为层流），行近水头H1和沿水流方向堰的长度L3应符合式（8-6）:

（H1/L3）＜0.50（8-6）

测量点的水头应大于1/12的堰长，以确保在堰顶不会形成波浪（由摩擦引起）。

因此:

（H1/L3）＞0.050（8-7）

通过和现场以及模型对比发现，利用计算机程序模拟斜坡水槽可以达到与巴歇尔槽同样的精度（3%～5%的范围）。

通过在斜坡水槽上安装精确的水位编码器，控制器或RTU可以精确地测量流量，测流精度可达总量程的3%～5%。

5．堰堰是最古老、最简单、最可靠的水工建筑物，可以用于测量渠道流量。

堰的形式有多种，包括矩形、V形、梯形等。

对堰的关键结构部分进行检修非常容易，任何不正常的运行工况都很容易发现并可及时修正。

当水头落差大于0.15m时，用堰测量流量效果较好。

堰为明渠上的溢流建筑物，可以用于测定渠道流量。

对于一定形状和尺寸的堰，在自由稳定流条件下，每一个渠道流量都和惟一的上游水深相对应。

因此，如果已知堰池关系，则可以利用堰来测量渠道流量。

通过测量堰项到上游水面的垂直距离，根据堰型和尺寸，可以计算或通过查表得出流量。

为了利用标准表格查算流量，堰应具有规则的形状和确定的尺寸，以确保系统能按标准模式运行。

根据开口形状不同，堰可以分为矩形、梯形和三角形等。

在矩形和梯形堰中，敞开部分的底端就是堰顶，两侧为堰壁。

脱离堰顶的水流称为水舌。

当堰顶水流能够自由进入大气时，堰的运行状态最佳。

在淹没流情况下，为保证接近大气压状态，可对水舌进行通气。

通过在堰上安装精确的水位编码器，控制器或RTU可以精确地测量流量，测流精度可达总量程的3%～5%。

6．流速仪流速仪并不经常用于测量流量，而是对上述测量方法进行校验和率定。

通过在垂直水流的断面上测定一系列的点形成流速断面。

根据流速断面和相应的过流面积可以计算流量。

流速仪可以测定给定断面的水流流速和水流方向。

可以在流速仪上安装精确的转速编码器，控制器或RTU可以精确地测量流量。

7．孔口出流孔口是一个轮廓分明的具有锐沿的开口，水流可以通过该开口流出。

如果上游水面低于开口的上沿，水流变为堰流，从而不再遵循孔口出流的规律。

孔口出流既可以是进入空气中的自由流，也可以是进入水中的淹没流。

淹没孔口出流水头损失较小，因而可以用于水头落差较小，堰不适用的情况，也可以用于由于某些原因，各种形式的量水槽都不适用的情况。

通过一个垂直的锐沿收缩淹没孔口的流量，可由式（8-8）计算:

（8-8）

式中Q——流量；

Cd——流量系数；

A——孔口面积；

g——重力加速度；

H——孔口水头，等于孔口上下游水头差。

行近流速较小、水头较大时，测量精度较高。

当行近流速合适时，方程变为式（8-9）:

（8-9）

式中h——行近流速水头，其他变量同前。

通过在上游安装水位和流速传感器可以精确的测量通过孔口的流量。

8．潜水型电磁流量计潜水型电磁流量计是新型的用来连续测量明渠、暗沟或未满管道中导电流体的体积流量测量的一种电磁流量计，近年来在工业排水和环境保护方面得到了广泛的应用，可以实现对被测流体流量的测量、控制、调节记录和累积计算。

（1）测量原理和其它电磁流量计一样，潜水型电磁流量计也是根据法拉第电磁感应原理工作的。

当导电流体在交变磁场中沿测量管路作与磁力线成垂直方向的运动时，导电流体切割磁力线产生感应电动势，在与测量轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装了一对检测电极，检测出感应电动势。

感应电动势e与流量qv成正比。

流量信号输入电磁流量转换器，经放大转换成与流量信号成正比的直流信号0～10mA或4～20mA。

潜水型电磁流量变送器是通过与外壳相连的平板法兰安装在带孔的闸板上。

闸板完全拦断渠道流体，使流体只能从变送器中流过。

整个变送器完全浸没在流体中。

其测量原理如图8-3图

图8-3潜水型电磁流量变送器的测量原理

图8-4潜水型电磁流量变送器的安装