一种智能、可移动明渠流量监测仪及其监测方法与流程

本发明涉及明渠流量监测技术领域，更具体地说，涉及一种智能、可移动明渠流量监测仪及其监测方法。

背景技术：

传统的水工建筑物法自动测流是通过固定安装水位、闸位传感器和通信传输装置来采集信息，并通过微型计算机对信息进行处理，从而得到通过水工建筑物的水位、流量、水量等参数，实现自动化量水过程。

水工建筑物法测水流量具有经济、简单的特点，该方法测流的关键是水力学公式中各项系数的确定，如流量系数、流速系数、淹没系数、垂直收缩系数、侧收缩系数等。这些系数均有公式、图表计算或查得。但因建筑物边界条件不同影响了泄流能力，有些系数有一定的变动幅度，有的系数甚至超出图表范围，所以按照公式计算的话导致数据不准确。

因此，现有技术亟待有很大的进步。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的缺陷，提供一种智能、可移动明渠流量监测仪，包括：通过无线网络连接的数据处理单元、zigbee无线传输模块、便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计；其中，所述便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计采集到的流速、开度和水位数据，以数字量的形式传输到所述zigbee无线传输模块中，再由所述zigbee无线传输模块将该数字量数据传输到与所述数据处理单元相连接的所述zigbee无线传输模块，从而使所述数据处理单元通过所述zigbee无线传输模块无线网络采集到闸上游、闸下游水位及闸门开高和流速实时数据，并进行运算，从而基于流速仪测流法和水工建筑物法，率定数据得到水工建筑物测流水力学公式中系数，进而建立关于流量、闸门开度、水位的数学模型，计算得出流量数据。

在本发明所述的智能、可移动明渠流量监测仪中，所述水工建筑物测流水力学公式中系数指的是流量系数、流速系数、淹没系数、垂直收缩系数、侧收缩系数。

在本发明所述的智能、可移动明渠流量监测仪中，所述便携式流速仪设有流速传感器，所述流速传感器用于测定明渠流速值。

在本发明所述的智能、可移动明渠流量监测仪中，所述激光闸位计设有闸位传感器，所述闸位传感器用于测定明渠闸位值。

在本发明所述的智能、可移动明渠流量监测仪中，所述雷达水位计设有水位传感器，所述水位传感器用于测定明渠水位值。

相应地，本发明还提供了一种智能、可移动明渠流量监测仪的监测方法，包括步骤：

s1、参数测量：安装并组建由数据处理单元、zigbee无线传输模块、便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计组成无线传输网络；其中，便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计采集到的流速、开度和水位数据，以数字量的形式传输到zigbee无线传输模块中，再由zigbee无线传输模块将该数字量数据传输到与数据处理单元相连接的zigbee无线传输模块，从而使数据处理单元通过zigbee无线传输网络采集到闸上游、下游水位及闸门开高和流速实时数据；

s2、数据建模：数据处理单元将通过无线传输网络采集到的数据进行运算，从而基于流速仪测流法和水工建筑物法，率定数据得到水工建筑物测流水力学公式中系数，进而建立关于流量、闸门开度、水位的数学模型，

s3、流量数据计算：经过数据的采集和参数的率定之后，获得实时采集在无线传输距离内的流量、开度和水位数据。

在本发明所述的智能、可移动明渠流量监测仪的监测方法中，共用所述数据处理单元，布放前端传感器可多断面同时测流。

在本发明所述的智能、可移动明渠流量监测仪的监测方法中，获得流量、开度和水位三种数据中的任意两种的条件下，可准确计算出第三种数据。

实施本发明的智能、可移动明渠流量监测仪及其监测方法，具有以下有益效果：基于两种测流原理的可移动、智能型明渠流量监测仪能快速自动的率定水工建筑物测流水力学公式中各项系数，且率定完成后就可以将设备成本较高的流速仪带走用做他用，在不增加成本的情况下，既提高了率定值的精度又节省了人工计算时间，率定效率高、精度高、低成本、测量面广、适用性广。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的第一实施例的模块示意图。

图2是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的登陆界面示意图。

图3是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的数据率定模式和数据监测模式选择界面。

图4是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的数据率定模式设置显示界面。

图5是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的数据监测模式设置显示界面。

图6是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的监测方法流程图。

具体实施方式

水工建筑物测流法原理：水工建筑物测流是利用大、中、小各级河、渠、湖、库上已建的堰闸、涵管(隧洞)、水电站、抽水站等水工建筑物，通过实测建筑物上下游水头、水位差等水力因素及闸门开启高度或电功率，经分析确定流量系数，用以计算流量的一种方法。

根据堰闸形式、闸门开启情况、出流流态等因素，依据水力学基本公式和实测资料，主要采用堰闸流量系数法、水电站效率系数法、图解分析法，分析获得不同出流情况下的水力因素与流量系数、效率系数的相关关系曲线或相关方程式，以推求堰闸、涵洞、水电站、电力抽水站等工程的出水流量。

对于平底闸、宽顶堰闸平板及弧形闸门，其自由式孔流流量计算公式为：

其中，q为流量(m³/s),m为流量系数，e为闸门开度，h1为上游水位，h2为下游水位。

请参阅图1，为本发明智能、可移动明渠流量监测仪的第一实施例的模块示意图。如图1所示，在本发明第一实施例提供的智能、可移动明渠流量监测仪中，至少包括，通过无线网络连接的数据处理单元、zigbee无线传输模块、便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计；其中，所述便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计采集到的流速、开度和水位数据，以数字量的形式传输到所述zigbee无线传输模块中，再由所述zigbee无线传输模块将该数字量数据传输到与所述数据处理单元相连接的所述zigbee无线传输模块，从而使所述数据处理单元通过所述zigbee无线传输模块无线网络采集到闸上游、闸下游水位及闸门开高和流速实时数据，并进行运算，从而基于流速仪测流法和水工建筑物法，率定数据得到水工建筑物测流水力学公式中系数，进而建立关于流量、闸门开度、水位的数学模型，计算得出流量数据。水工建筑物测流水力学公式中系数指的是流量系数、流速系数、淹没系数、垂直收缩系数、侧收缩系数。便携式流速仪设有流速传感器，所述流速传感器用于测定明渠流速值。激光闸位计设有闸位传感器，所述闸位传感器用于测定明渠闸位值。雷达水位计设有水位传感器，所述水位传感器用于测定明渠水位值。

水位测量原理：水位的测量是使用雷达水位计来实现的。雷达水位计是利用电磁波探测目标的设备，其主要测量原理是从雷达水位传感天线发射雷达脉冲，天线接收从水面反射回来的脉冲，并记录时间t，由于电磁波的传播速度c是个常数，从而得出到水面的距离d。

此处选用的雷达水位计，其探测距离为最大30米，精度达到±3mm。信号输出方式为rs485标准modbus协议、4-20ma输出两种形式。

流速测量原理：流速的测量是使用便携式流速仪来完成的。便携式流速仪利用发射元件发射光束，适用于一定浊度的液体，再通过感光元件来计算液体的流速。

此处选用的便携式流速流量仪，该仪器结构简易、轻巧方便、耗电省、功能齐全、自动化程度高、稳定可靠，旋浆直径分别为φ15mm和φ12mm(旋浆反光面采用先进的电镀工艺，耐磨损，信号强)，起动流速低，起动流速、测速范围、线性度、同心度、率定系数和均方差等指标均较以往传感器有很大的改进和提高。信号输出方式为rs485标准modbus协议、4-20ma输出两种形式。

闸门开度测量原理：闸门开度的测量是由激光闸位计来实现的。激光闸位计利用激光发生器和激光接收器，通过计算激光的发出和接收频率来计算距离。

此处选用的激光闸位计，具备高精确、快速响应、大功率、非接触测量等优势，量程为0.1m到50m，精度达到±2mm。信号输出方式为rs485标准modbus协议、4-20ma输出两种形式。

参数率定：参数率定过程分为参数测量和数学建模两部分。

参数测量部分包括，安装并组建由数据处理单元(rtu)、zigbee无线传输模块、便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计组成无线传输网络。其中，便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计采集到的流速、开度和水位数据，以数字量的形式传输到zigbee无线传输模块中，再由zigbee无线传输模块将该数字量数据传输到与数据处理单元相连接的zigbee无线传输模块，从而使数据处理单元通过zigbee无线传输网络采集到闸上、下(游)水位及闸门开高和流速等实时数据。

数学建模部分包括，数据处理单元将通过无线传输网络采集到的数据进行运算，从而基于流速仪测流法和水工建筑物法，率定数据得到水工建筑物测流水力学公式中各项系数，进而建立关于流量、闸门开度、水位的数学模型。

功能及使用方法：经过数据的采集和参数的率定之后，基于两种测流原理的可移动、智能型明渠流量监测仪就具备了实时采集在无线传输距离内的流量、开度和水位数据，并且流量监测仪可扩展性好，如在同一区域内有多个断面需要同时测流，则可以共用数据处理单元，只需布放前端传感器即可实现多断面同时测流。也能够在仅仅获得流量、开度和水位三种数据中的任两种的条件下，准确计算出第三种数据。

具体实施时，使用方法：

1、在性能允许的距离范围内安装便携式流速仪、激光闸位计和雷达水位计，并将基于两种测流原理的可移动、智能型明渠流量监测仪放置在合适的位置并接通电源。

2、登陆监测仪界面

图2是本发明智能、可移动明渠流量监测仪监测方法的登陆界面示意图。用户凭用户名和密码进行登陆。用户名和密码输入正确方可登陆成功。

图3是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的数据率定模式和数据监测模式选择界面。用户登陆后，确认设备通电、运行且无故障的状态下，选择数据率定模式。

图4是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的数据率定模式设置显示界面。入率定模式后，可以设定便携式流速仪、激光闸位计和雷达水位计的量程、开度上下限、比例和误差校正值。

比如水位的范围为2-5m，高程为2m，水位的上限也是5m，雷达水位计传输的电流为4-20ma，经过ai模块转换对应的数字量为0-10000，则需要输入雷达水位计的比例为0.33，校准值为300(雷达值为10000×0.33-300+2000＝5000mm)。

图5是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的数据监测模式设置显示界面。设定好相关参数值后，系统将会对采集到的流量、开度和水位数据进行处理，并自动进行率定和建模。完成相关操作后，可以进入数据监测模式，监测测流仪的流量、开度和水位信息。

具体实施时，还可以设置报警提示功能，能够显示相关设备的故障信息。

图6是本发明智能、可移动明渠流量监测仪的监测方法流程图。本发明智能、可移动明渠流量监测仪的监测方法包括步骤：

s1、参数测量：安装并组建由数据处理单元、zigbee无线传输模块、便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计组成无线传输网络；其中，便携式流速仪、激光闸位计、雷达水位计采集到的流速、开度和水位数据，以数字量的形式传输到zigbee无线传输模块中，再由zigbee无线传输模块将该数字量数据传输到与数据处理单元相连接的zigbee无线传输模块，从而使数据处理单元通过zigbee无线传输网络采集到闸上游、下游水位及闸门开高和流速实时数据；

s2、数据建模：数据处理单元将通过无线传输网络采集到的数据进行运算，从而基于流速仪测流法和水工建筑物法，率定数据得到水工建筑物测流水力学公式中系数，进而建立关于流量、闸门开度、水位的数学模型，

s3、流量数据计算：经过数据的采集和参数的率定之后，获得实时采集在无线传输距离内的流量、开度和水位数据。基于两种测流原理的可移动、智能型明渠流量监测仪可扩展性好，如在同一区域内有多个断面需要同时测流，则可以共用数据处理单元，只需布放前端传感器即可实现多断面同时测流。获得流量、开度和水位三种数据中的任意两种的条件下，可准确计算出第三种数据。

具体实施时，系统开始进行监测，确认是进入数据率定模式还是进入数据监测模式。如果进入数据率定模式，则手动校准相应的传感器，测量数据是否有效，如果有效则进行数据率定，建模得到计算公式，监测过程结束。如果测量数据无效，则故障报警，重新进入手动校准相应传感器环节。如果确认进入数据监测模式，则建模得到计算公式，监测过程结束。

由此可见：基于两种测流原理的可移动、智能型明渠流量监测仪利用zigbee技术组建自适应的无线传输网络，水位、闸位、流速等传感器布放好即可使用，无需再安装专用的通信线缆或无线通信设备，一套设备可在多个地点移动使用，可提高设备的使用效率从而降低成本。水工建筑物法测流和流速仪法测流都有一定的使用条件，基于两种测流原理的可移动、智能型明渠流量监测仪可根据测流现场的环境条件选择任一种或两种测流方法来测流量，扩大了测流装置的使用范围。

本发明通过以上实施例的设计，可以做到基于两种测流原理的可移动、智能型明渠流量监测仪能快速自动的率定水工建筑物测流水力学公式中各项系数，且率定完成后就可以将设备成本较高的流速仪带走用做他用，在不增加成本的情况下，既提高了率定值的精度又节省了人工计算时间，率定效率高、精度高、低成本、测量面广、适用性广。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。