一种管道内流水深度及流量的测量装置及其测量方法

1.本发明属于流量监测领域，尤其是涉及一种管道内流水深度及流量的测量装置及其测量方法。
技术背景
2.出于对通风、防爆及适应水量变化等问题的考虑，设计时通常将管道设计为非满流。
3.现有的非满流即明渠流量测定方法有堰槽法以及使用一些流速测量仪器进行测量。
4.堰槽法主要是：水流在通过堰槽的收缩断面时，由于堰槽独特的几何特性，此时水流的过流水深会被控制住，等于临界水深，则水深已知，过流断面的流量只与堰前水头有关。这种方法主要是通过修建水工建筑物实现，不仅选取的测量断面受限并且成本较高，不利于实时水深的测量。
5.流速测量仪器主要有：热线测速仪、激光多普勒测速仪、粒子图像测试仪、超声波测速仪等。这些测速仪可以捕捉到断面最大流速等特殊点流速值，只要根据流速分布规律找出特殊点流速与断面平均流速的关系，即可根据流速测量结果推得流量。但是流速测量仪器通常造价高昂且操作复杂。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的目的在于提出一种管道内流水深度及流量的测量装置；本发明的另一目的在于提供一种管道内流水深度及流量的测量方法，对管道内流水深度及流量进行实时测量。
7.技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种管道内流水深度及流量测量装置包括主控盒、电子水尺和连接线；所述的电子水尺通过连接线顺次连接后，再通过连接线接入主控盒。
8.进一步地，所述的电子水尺等间距设置在连接线上。
9.进一步地，所述的主控盒悬挂于顶点处用于实时采集下方电子水尺内置的节状水尺传感器的采集信号，并将传感器的实时数据通过物联网上传到云端数据库或总控站。
10.进一步地，所述的电子水尺，其上分布电极，浸入水中不同长度具有不同的电导率，其内置水尺空间姿态角度传感器，实时采集电子水尺的姿态信息。
11.进一步地，所述的连接线，用于连接每一节电子水尺，具有信号传输和机械连接功能。
12.进一步地，还包括网络通讯模块和低功耗降压电源；所述的网络通讯模块为便捷式网络终端，与管道流水深度和流量测量装置相连接；所述的低功耗降压电源封装于一种管道流水深度和流量测量装置的外壳中。
13.进一步地，采用所述的一种管道内流水深度及流量测量装置的测量方法，包括以
下步骤：
14.1)将测量装置安装悬挂于管道顶部；
15.2)测量装置对管道流水深度进行自主测量，获得管道内流水深度h；
16.3)测量装置根据流水深度测量值和水尺传感器的姿态，计算管道内流量q。
17.进一步地，所述的步骤2)中，管道内流水深度h由下式计算：
[0018][0019][0020][0021]
式中，h表示水面到悬挂点的距离，单位为m；l为水尺传感器最小关节之间的距离，为固定值，单位为m；θ
i
为对应的第i节电子水尺(2)的偏移角度，由电子水尺(2)内置的水尺空间姿态角度传感器获得，单位为
°
；δl为连接两个电子水尺(2)的连接线之间的距离，为固定值，单位为m；θ
n
为第n节电子水尺(2)与竖直方向的夹角，由电子水尺(2)内置的水尺空间姿态角度传感器获得，单位为
°
；n为水面上的电子水尺(2)数量，由电子水尺(2)内置的水尺空间姿态角度传感器获得；为估算水深，单位为m；d为测量装置悬挂点到管底的距离，为已知值，单位为m。
[0022]
进一步地，所述的步骤3)中，水面宽度为b，断面直径即测量装置悬挂点到管底的距离为d，水包角为管道内流量q由下式计算：
[0023]
根据谢才公式计算过水流量：单位为m3/s。
[0024]
式中，a为过流断面面积，其计算公式为：单位为m2；r为水力半径，其计算公式为：单位为m；c为谢才系数，其计算公式为：单位为m
1/2
/s，式中，a为粗糙系数；i为水力坡度。
[0025]
进一步地，所述的步骤3)中，根据下标所示：
[0026]
灌渠类别粗糙系数aupvc管、pe管、玻璃钢管0.009
‑
0.011石棉水泥管、钢管0.012陶土管、铸铁管0.013混凝土管、钢筋混凝土管、水泥砂浆抹面渠道0.013
‑
0.014浆砌砖渠道0.015浆砌砖石渠道0.017干砌砖石渠道0.020
‑
0.025土明渠0.025
‑
0.030
[0027]
所述的粗糙系数a按上表选取。
[0028]
进一步地，所述的步骤3)中，根据下标所示：
[0029][0030][0031]
所述的水利坡度i按上表选取。
[0032]
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种管道内流水深度及流量的测量装置，通过电子水尺按固定间距安装，由连接线进行连接；通过管道内流水深度及流量测定装置的电子水尺内置的水尺空间姿态角度传感器，进行水位测量；同时内置通讯模块可以实时采集相关监测数据；内置的低功耗降压电源模块，保证了装置长期有效地工作。本发明的一种管道内流水深度及流量的测量方法，对管道内流水深度及流量进行实时测量，适用于城市排水管道、城市积水区、水库、湖泊、河流等场合流量测量，安装维护方便，能够降低人力及物力成本。
附图说明
[0033]
图1为管道内流水深度及流量测定装置的简图；
[0034]
图2为本发明测量管道内低流速流水深度及流量测量实例；
[0035]
图3为本发明测量管道内高流速流水深度及流量测量实例；
[0036]
图4为管道内高流速流水深度及流量测量实例；
[0037]
图5为管道内流量计算图。
具体实施方式
[0038]
下面将结合附图对管道内流水深度及流量的测量方法作详细说明。
[0039]
一种管道内流水深度及流量测量方法，具体按以下步骤实施：
[0040]
1)将测量装置安装悬挂于管道顶部；
[0041]
2)测量装置对管道流水深度进行自主测量，获得管道内流水深度h；
[0042]
3)测量装置根据流水深度测量值和水尺传感器的姿态，计算管道内流量。
[0043]
该测量装置包括：主控盒1、电子水尺2和连接线3；电子水尺2按固定间距安装，由连接线3进行连接。
[0044]
主控盒1，悬挂于顶点处可用于实时采集下方节状水尺传感器的采集信号，并将传感器的实时数据通过物联网上传到云端数据库或总控站。
[0045]
电子水尺2，其上分布电极，浸入水中不同长度具有不同的电导率，其内置水尺空间姿态角度传感器，可实时采集电子水尺2的姿态信息。
[0046]
连接线3为连接线，用于连接每一节电子水尺2，具有信号传输和机械连接功能。
[0047]
管道内流水深度h由下式计算：
[0048][0049][0050][0051]
式中，h表示水面到悬挂点的距离，单位为m；l为水尺传感器最小关节之间的距离，为固定值，单位为m；θ
i
为对应的第i节电子水尺2的偏移角度，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获得，单位为
°
；δl为连接两个电子水尺2的连接线之间的距离，为固定值，单位为m；θ
n
为第n节电子水尺2与竖直方向的夹角，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获得，单位为
°
；n为水面上的电子水尺2数量，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获得；为估算水深；d为测量装置悬挂点到管底的距离，为已知值，单位为m；h为实际水深，单位为m。
[0052]
管道内流量由下式计算：如图5所示，水面宽度为b，单位为m，断面直径即测量装置悬挂点到管底的距离为d，单位为m，水包角为单位为
°
。
[0053]
根据谢才公式计算过水流量：单位为m3/s。
[0054]
式中，a为过流断面面积，其计算公式为：单位为m2；r为水力半径，其计算公式为：单位为m；c为谢才系数，其计算公式为：单位为m
1/2
/s，式中，a为粗糙系数；i为水力坡度。
[0055]
该测量装置还包括网络通讯模块，低功耗降压电源。网络通讯模块为便捷式网络终端，与管道流水深度和流量测量装置相连接。低功耗降压电源封装于一种管道流水深度和流量测量装置的外壳中。
[0056]
粗糙系数a由下表选取：
[0057]
[0058]
水利坡度i由下表选取：
[0059]
管径(mm)最小设计坡度4000.00155000.00126000.00108000.000810000.000612000.000614000.000515000.0005
[0060]
实施例1
[0061]
如图1所示，此为管道内流水深度及流量测定装置，其测定管道内流水深度及流量的具体步骤为：
[0062]
步骤1，将一种管道内流水深度及流量测量装置安装悬挂于管道顶部；
[0063]
步骤2，装置对管道流水深度进行自主测量，获得流水深度测量值；
[0064]
步骤3，装置根据流水深度测量值和水尺传感器的姿态，计算管道内流量。
[0065]
实施例2
[0066]
如图2所示，当管道内水流速度为低流速时，其测定管道内流水深度及流量的具体步骤为：
[0067]
步骤1，将一种管道内流水深度及流量测量装置安装悬挂于管道顶部，可获得测量装置悬挂点到管底的距离d。
[0068]
步骤2，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获取的数据，可计算得到管道内流水深度，其具体计算公式为管道内流水深度，其具体计算公式为如图2所示，由于管道内水流速度为低流速时，θ
i
＝0
°
，即h＝(n
‑
1)l+δlcosθ
n
；式中，h表示水面到悬挂点的距离，单位为m；l为水尺传感器最小关节之间的距离，为固定值，单位为m；θ
i
为对应的第i节电子水尺2与竖直方向的夹角，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获得，单位为
°
；δl为连接两个电子水尺2的连接线之间的距离，为固定值，单位为m；θ
n
为第n节电子水尺2的偏移角度，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获得，单位为
°
；n为水面上的电子水尺2数量，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获得；为估算水深，单位为m；d为测量装置悬挂点到管底的距离，为已知值，单位为m；h为实际水深，单位为m。
[0069]
步骤3，装置根据流水深度测量值，计算管道内流量，其具体计算公式为单位为m3/s。
[0070]
式中，a为过流断面面积，其计算公式为：单位为m2；r为水力半径，其计算公式为：单位为m；c为谢才系数，其计算公式为：单位为m
1/2
/s，式中，a为粗糙系数；i为水力坡度。
[0071]
实施例3
[0072]
如图3所示，当管道内水流速度为高流速时，其测定管道内流水深度及流量的具体步骤为：
[0073]
步骤1，将一种管道内流水深度及流量测量装置安装悬挂于管道顶部，可获得测量装置悬挂点到管底的距离d。
[0074]
步骤2，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获取的数据，可计算得到管道内流水深度，其具体计算公式为管道内流水深度，其具体计算公式为式中，h表示水面到悬挂点的距离，单位为m；l为水尺传感器最小关节之间的距离，为固定值，单位为m；θ
i
为对应的第i节电子水尺2与竖直方向的夹角，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获得，单位为
°
；δl为连接两个电子水尺2的连接线之间的距离，为固定值，单位为m；θ
n
为第n节电子水尺2的偏移角度，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获得，单位为
°
；n为水面上的电子水尺2数量，可由电子水尺2内置的水尺空间姿态角度传感器获得；为估算水深，单位为m；d为测量装置悬挂点到管底的距离，为已知值，单位为m；h为实际水深，单位为m。
[0075]
步骤3，装置根据流水深度测量值，计算管道内流量，其具体计算公式为其具体计算公式为单位为m3/s。
[0076]
式中，a为过流断面面积，其计算公式为：单位为m2；r为水力半径，其计算公式为：单位为m；c为谢才系数，其计算公式为：单位为m
1/2
/s，式中，a为粗糙系数；i为水力坡度。