[发明专利]超声波明渠流量综合监测仪及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于超声流量测量技术领域，具体涉及到一种超声波明渠流量综合监测仪及测量方法，该监测仪可以应用于开渠、河流等的流量计量。

背景技术

随着人口增长、经济发展和人民生活水平提高，水资源日益成为关系国计民生的战略资源。对水资源的调查、评估以及有计划合理利用已经成为国家的重要职能。因此，对水资源的计量，尤其是河流和渠道的水流量计量，具有重要意义。

目前明渠或河流流量测量的主要方法有：液位法与流速面积法。

液位法主要依据水力学基本原理，当水流过标准的槽或堰(典型的如帕歇尔槽、三角堰、矩形堰、等宽薄壁堰)时，流量与液位高度成一定的函数关系，通过测量流过标准断面的液位，换算成流量。液位测量可以是手工目测，也可以利用超声波测位进行自动测量。这类方法的流量测量精度通常为±3％左右。其优点是测量简单，精度较高；缺点是对于横断面较宽的渠道或河道施工比较困难，工程量很大，长期使用，受泥沙沉积影响，精度会下降。

流速面积法同时测量渠道或河道的横断面上的平均流速和液位，根据液位得到横截面积，从而计算流量。目前比较常用的自动测量方法主要是利用超声时差法或超声多普勒法测量单点(单通道)或多点(多通道)平均流速，同时利用压力传感器或者超声波测量液位。

超声时差法采用单通道或多通道超声测量河道或渠道横断面上不同深度层的平均流速，同时测量液位，根据速度和液位计算流量。液位测量精度可达±0.1％，流速精度可达±1％，测量河渠上口宽度可达数百米。其优点是可以对很宽的河道或渠道进行测量，但由于通道数有限，流量测量精度通常不高，液位很低时无法正常测量，而且成本高昂，安装施工难度大。

超声多普勒法利用多普勒原理测量沿河道或渠道方向的流速，并用超声波或者压力传感器测量液位。根据测速方式分为单点式、多点式和ADCP(即多普勒剖面仪)。根据工作方式分为走航式和固定式。理论上走航式ADCP流量测量精度最高，固定式ADCP精度次之，单点走航式又次之，多点固定式再次之，单点固定式测量精度最低，但与此同时，设备复杂度、测量过程复杂度以及设备成本也依次由高到低。走航式测量过程复杂，单次测量成本很高，只适用于临时测量；ADCP测流设备复杂度和成本均很高，用户难以承受。

目前，我国大多数灌区明渠流量采集的主要使用水位流量关系曲线法：一方面精度低，特别是南方灌区渠道落差小取水口多，大部分为非自由出流；另一方面需要修建量水建筑物，工程造价高。流速面积法流量计量产品主要以进口产品为主，由于成本动辄几万十几万，只能在干渠及部分支渠上使用，不能普及。其次，流量计量产品多为水下一体式结构，维护费用高、使用效率差，在明渠测流设备使用过程中，由于国内的实际使用环境问题，防盗与水中杂草堵塞成为新技术产品普及的主要净瓶。

因此，急需研发出一款经济实用、价格适宜的明渠流量综合监测仪，以满足我国灌区的需求。

发明内容

本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种超声波明渠流量综合监测仪及测量方法，所述监测仪具有使用调节方便、测量准确、经济实用且价格适宜的优点，能够满足我国灌区的需求，所述测量方法具有操作简便的优点。

为了实现上述目的本发明实施例采取的技术方案是：一种超声波明渠流量综合监测仪，包括水下的测量设备和水上的控制设备，测量设备及控制设备通过电缆连接，所述控制设备向所述测量设备发送测量命令，所述测量设备检测渠道的流速、液位及温度，并通过将检测结果传输给所述控制设备，所述控制设备将接收的检测结果存储并显示出来。

所述测量设备具体包括信号处理模块及与信号处理模块相连的流速测量模块、液位测量模块、温度测量模块和通讯模块，所述控制设备具体包括主控模块及与主控模块相连的供电模块、存储模块、显示模块和通信模块。

所述测量设备与所述控制设备通过485口进行通信连接，所述控制设备通过485口向所述测量设备发出测量指令；所述测量设备则通过485口将测量结果返回给控制设备。

为了降低功耗，所述控制设备在测量时通过所述电缆向所述测量设备供电，而其它时间则关掉电源。

所述流速测量模块为超声多普勒流速测量模块，所述流速测量模块利用频谱分析方法获得超声多普勒信号频谱，计算平均流速；所述液位测量模块为超声时差液位测量模块，所述液位测量模块利用超声时差法测量液位。测量设备在上电后接收控制设备指令，开始测量。利用超声多普勒法测量平均流速，通过超声时差法测量液位，同时测量水温，测量结果返回给控制设备后完成一次测量。