渠道量水技术与设施

现代节水灌溉技术节水灌溉自动量水技术2015.05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。

1．电位计2．数字轴角编码器3．线性电压差变压器4．测斜仪5．压力变送器（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2．压力式水位计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（2）WYY型遥测压力式水位计3．超声波水位计4．触点式水位计5．电容式水位计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):

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(三)渠道流量的量测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。1．声波和超声波流量计沿着声波的路径，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）: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。2．闸孔出流算法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）: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。3.巴歇尔槽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）: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）。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)＞0.0505.堰

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。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。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: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):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