节水灌溉自动化技术任务一

现代节水灌溉技术节水灌溉自动量水技术2015.05节水灌溉自动量水技术概念、定义

量水是灌区节约用水、提高灌水质量和灌溉效率的有效措施，是执行用水计划过程中能准确引水、输水、配水和灌水的重要手段，也是核定和计收水费的主要依据。

灌溉水量的量测工作，一般是由灌区渠道管理员承担的，沿渠道巡视并观测水位和闸门开度或读取灌溉管道上量表的读数。而在自动控制系统中，中控室内的调度人员距控制点一般较远，因此灌溉自动控制系统中的测量仪表就充当了灌溉渠道管理员的“眼睛和耳朵”，通过它们把信息传达给调度人员。

自动量测过程中测量仪表系统将灌溉状态数据转换成控制和通讯系统能够识别的信息，并传送到中控室。水位、流量、闸门开度、警报、电源故障和其他一些现场信息都可通过测量仪表系统转换成电信号，现场设备根据这些电信号进行控制。同时，这些信息也被发送到中控室，调度人员对其进行记录并据此做出决策。21世纪灌溉农业发展的趋势是灌溉管理走向现代化、自动化和智能化。量水是灌溉管理的重要内容之一，目前自动量水技术的研究开发尚处于发展阶段，概括起来，自动量水可分为两类，一类是对传统量水设施安装自动化仪表，实现水量的自动计量；另一类是集成化的自动量水控制系统。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管道量水技术与设施一、差压流量计(文丘里流量计)差压式流量计一般用于管道系统流量测量。差压式流量计没有移动部件，不需要经常维护，而且水头损失也很小，流量测量精确。其工作原理是，在一个闭环系统中，同样的流量在通过较小的过流断面时流速比通过较大的过流断面时大。由于能量守衡，流速增大必然导致压力减小；相反，压力升高也会导致流速降低。从进口到喉道的压力减小量直接与通过的流量相关，因而可以用来确定流量。流量与水头和流量计尺寸间的关系如式(8-10):式中

A2——喉道断面面积；h——上下游断面压力差；g——重力加速度；r——D2/D1，为喉道直径与管道直径的比率；Cd——文丘里流量计的流量系数；

随着喉道流速和直径的变化，流量系数在0.935～0.988范围内变化。图8-5差压式流量计组成示意图二、水表水表是一种连续测定水量的积算式流量计，分为两类:一类是容积式水表，如旋转活塞式流量计、圆盘式流量计等；另一类是利用水流推动叶轮旋转并累计流量的叶轮式水表，也称速度式水表。前一类价格较高，主要用于试验；后一类用于实际水量测量。典型的产品有:1．旋翼式水表水流以切向流方式冲击水表叶轮，在国内外有大量使用。该种水表的口径一般为中、小口径，如15mm、20mm、25mm、32mm、40mm等，最大可达400mm。旋翼式水表又可分成单流速或称单箱式和多流速或称复箱式两种。图8-6旋翼式水表a)单箱式b)复箱式2．水平螺翼式水表又称伏特曼水表，水流以轴向流方式冲击水表叶轮。这种水表流通能力大，压损小，适合于大口径管路中使用。其口径一般为50～500mm，最大可达900mm。其结构简图如下图所示。图8-7水平螺翼式水表如果按其它不同的分类方法，还可以分成:湿式水表、干式水表和液封式水表；指针式水表和字轮式水表；家用(民用)水表、工业用水表、消防用水表和标准水表；冷水表和热水表；普通水表和高压水表；指示型水表、远传型水表和定量水表；其它还有复式水表、分流式水表和电子水表等特殊型水表。如今，数传型水表、电子水表在农业自动灌溉控制系统中的应用逐渐普遍起来。在自动控制系统的流量测定中，远传水表与文丘里流量计联合使用，用于测定管道流量。文丘里分流式水表就是其中的一种，它是由文丘里管及装于其旁路中的水表组成(见图)。旁路水表中流量由文丘里管的压差决定，此压差又与文丘里管流量的平方成正比，因而文丘里管流量与旁路水表流量成固定比例，测出水表流量可算得总流量。特点是大流量测量，压力损失小。

图8-8文丘里分流式水表三、电磁流量计电磁流量计（简称EMF）是20世纪50～60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。它是根据法拉第电磁感应定律制成的，用来测量导电液体体积流量的仪表。由于其独特的优点，目前已广泛地被应用于各种导电液体的流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质；各种易燃易爆介质；污水处理以及化工、食品、医药等工业中的各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。图8-9电磁流量计组成电磁流量计的主要优点如下:1.电磁流量计的传感器结构简单，测量管内没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部件。所以当流体通过流量计时不会引起任何附加的压力损失，是流量计中运行能耗最低的流量仪表之一。2．可测量赃污介质、腐蚀性介质及悬浊性液固两相流的流量。3．电磁流量计是一种体积流量测量仪表，在测量过程中，它不受被测介质的温度、粘度、密度以及电导率(在一定范围)的影响。因此，电磁流量计只需经水标定后，就可以用来测量其它导电性液体的流量。4．电磁流量计的输出只与被测介质的平均流速成正比，而与对称分布下的流动状态(层流或紊流)无关。所以电磁流量计的量程范围极宽，其测量范围度可达100:1，有的甚至达1000:1的可运行流量范围。5．电磁流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量瞬时脉动流量，也可测量正反两个方向的流量。6．工业用电磁流量计的口径范围极宽，从几个毫米一直到几米，而且国内已有口径达3m的实流校验设备，为电磁流量计的应用和发展奠定了基础。电磁流量计目前仍然存在的主要不足如下。1．不能用来测量气体、蒸汽以及含有大量气体的液体。2．不能用来测量电导率很低的液体介质，如对石油制品或有机溶剂等介质，目前电磁流量计还无能为力。3．普通工业用电磁流量计由于测量管内衬材料和电气绝缘材料的限制，不能用于测量高温介质；如未经特殊处理，也不能用于低温介质的测量，以防止测量管外结露(结霜)破坏绝缘。4．电磁流量计易受外界电磁干扰的影响。四、插入式电磁流量计插入式电磁流量计是以测量管道内局部流速来推算整体流量的仪表，主要用于大管径管道的流量测量。电磁流量传感器从管道开孔中径向地插入管道，插入深度可以有不同规定，或插入到管道中心，或插入到管道内平均流速处。插入式电磁流量计精度较低，价格相对也比较低，一般不用来测量流体总量，而是常用于过程参数的控制系统。下面是几种插入式电磁流量计的结构图。

图8-10插入式电磁流量计结构A图8-11插入式电磁流量计结构B图8-12电极等面积法布置IC卡灌溉管理系统在节水灌溉中的应用IC卡灌溉管理系统是将计算机、IC卡自动控制技术应用于农业灌溉的系统。其工作原理是:利用IC卡对每个用水户进行建档管理，配合计算机进行控制。具体做法是:每个用户一块IC卡，IC卡写有用户的名字和密码，用户预交水费写入卡中，在管理机上插卡开机提水，系统自动计时计费，从卡中扣除所需费用。若卡中水费用尽或IC卡被取出，则自动停机无法提水灌溉。（一）系统组成系统硬件由中心控制系统和多台安装在泵房的分机组成。中心控制系统是指发卡机或内置读卡器的计算机(通常称为发卡计算机)。分机指智能卡机井灌溉管理机。管理软件系统由系统维护、卡片管理、分机管理、综合统计、安全加密、辅助系统等子系统构成。系统可以完成对数十台、数百台智能卡灌溉管理机的综合管理。为适应农村计算机尚未普及的情况，设置配套了专用发卡机。（二）系统特点1．管理功能强大（1）计量功能:给某一灌溉用户供水，先将该用户的IC卡插入管理机，按下“开”键，自动启动柜控制水泵开机上水。同时，管理机自动计时，并按设定的流量计算实际用水量。灌溉完毕，按下“关”键，管理机自动停止运行，从而中断供水。这样既能提高精度，又减少了工作量。（2）收费功能: