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多普勒流速流量遙測(cè)方案
流速流量遙測(cè)方案
本方案適用與河道規(guī)則的明渠河道流速流量在線監(jiān)測(cè)。
系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)探頭安裝、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送、中心控制室數(shù)據(jù)接收處理幾部分組成。
一、 監(jiān)測(cè)探頭
現(xiàn)場(chǎng)探頭安裝采用澳大利亞生產(chǎn)的Starflow多普勒流速流量?jī)x作為監(jiān)測(cè)探頭。該測(cè)量?jī)x由⑴流量?jī)x和數(shù)據(jù)記錄器；⑵數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸線（連接流量計(jì)于計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)發(fā)射臺(tái)的信號(hào)線）；⑶工作電源（12v蓄電池或12v直流電源）；⑷配套的計(jì)算機(jī)采集、處理軟件和用戶指南等組成。具體詳見(jiàn)圖示（圖1）。
圖 1.1 多普勒流量測(cè)量裝置組成圖
圖 1.2 多普勒流量測(cè)量裝置組成圖
本儀器是一種普遍適用于小型河流、渠系、涵管的水量測(cè)量設(shè)備。適用斷面流速21mm/s～4500mm/s,斷面水深0～5.0m；適用工作溫度-17℃～60℃；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量100K；測(cè)量間隔（可編程）5s～1天；測(cè)量時(shí)間（可編程）7個(gè)半小時(shí)～5399天；數(shù)據(jù)傳輸途徑有線計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)取、無(wú)線發(fā)射—接收、手機(jī)短信發(fā)射接收等。
多普勒超聲波水量計(jì)的工作原理
Unidata多普勒超聲波水量計(jì)是通過(guò)測(cè)量流速值、水深值、溫度值，依據(jù)給定的斷面面積自動(dòng)計(jì)算出流量值，并在時(shí)間軸上進(jìn)行總流量的累計(jì)。
通過(guò)測(cè)量某一點(diǎn)的橫截面積和在此橫截面的平均流速來(lái)計(jì)算流量，并zui終計(jì)算累計(jì)用水量。
W=Q·t
式中：W為用水量，Q為實(shí)測(cè)流量，t為時(shí)間。而流量的測(cè)量通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)定的水流流速和過(guò)水?dāng)嗝娣e進(jìn)行計(jì)算獲得。
Q（流量）=S（橫截面）·V（平均流速）
橫截面面積通過(guò)安裝在儀器底部的壓力傳感器測(cè)量水位，然后根據(jù)渠道的形狀和尺寸計(jì)算得到。
平均流速則根據(jù)多普勒原理測(cè)量，在渠道底部安裝設(shè)備發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，利用測(cè)量聲波被水中移動(dòng)的懸浮物質(zhì)反射回波信號(hào)與發(fā)射頻率之間的頻差，計(jì)算流速。如圖3-1所示。其測(cè)量原理如下：
多普勒效應(yīng)是一個(gè)較常見(jiàn)的現(xiàn)象，通過(guò)聲源發(fā)出一定頻率的聲波，聲源可以靜止，或者以一個(gè)速度在運(yùn)動(dòng)著，聲波被周圍介質(zhì)中移動(dòng)的懸浮物質(zhì)反射后，由接收器（可以靜止或者以一個(gè)速度在運(yùn)動(dòng)）接受到的聲波的頻率可能有所變化，這個(gè)頻率與發(fā)射頻率之間的差值就是通常所說(shuō)的多普勒頻移。其表達(dá)式如下所示：
其中：
c：聲波在周圍介質(zhì)中的傳播速度
f0：聲源發(fā)射頻率
f1：接收到的頻率
圖2.2 流速測(cè)量示意圖
聲波經(jīng)發(fā)射后，測(cè)量聲波被水中移動(dòng)的懸浮物質(zhì)反射回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)頻率之間的頻差，即多普勒頻移，就可以計(jì)算流速。
在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，首先換能器產(chǎn)生一束超聲波，其頻率為定值，即通常所說(shuō)的發(fā)射頻率，這束波被一個(gè)懸浮質(zhì)以不同于發(fā)射頻率的頻率接受到（或者反射），將這個(gè)差值歸于多普勒頻移，然后又一次反射回多普勒儀器，再一次產(chǎn)生一個(gè)多普勒頻移。兩個(gè)多普勒頻移存在于這個(gè)交換過(guò)程中，前一個(gè)歸于信號(hào)通過(guò)多普勒儀傳到懸浮質(zhì)，第二個(gè)歸于信號(hào)從懸浮質(zhì)反射回多普勒儀。
在這兩個(gè)過(guò)程里，應(yīng)用前述多普勒原理，同時(shí)考慮發(fā)射角ø的影響可以推導(dǎo)以下結(jié)論：
假定
其中：
c為聲波在水中的速度
ø為波束與平面的交角
目前所用多普勒儀的接收器能“聽(tīng)”到從任何一個(gè)反射體反射回來(lái)的那束聲波；一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)檢測(cè)到的頻率改變，就是多普勒頻移。系統(tǒng)累計(jì)和分析這些頻移，并且計(jì)算出接受范圍內(nèi)的中間值，從而可以通過(guò)測(cè)量多普勒頻移來(lái)計(jì)算水流流速值：
其中聲波在水中的傳播速度與水溫、組成成分相關(guān)，其具體關(guān)系如表2.1所示，選用聲速時(shí)需要通過(guò)溫度T查表或內(nèi)插求得；。
本儀器發(fā)生頻率
二、 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示及發(fā)送
現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示通過(guò)LCD液晶顯示屏顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)信息，通過(guò)安裝盒安裝在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)室或者野外觀測(cè)箱內(nèi)。顯示屏可顯示當(dāng)前探頭深度、平均流速等信息。數(shù)據(jù)發(fā)送單元采用瑞士產(chǎn)GSM2無(wú)線傳輸模塊。
GSM2技術(shù)參數(shù)：
技術(shù)參數(shù): 內(nèi)置大氣壓傳感器 輸入 /SDI-12
連接： 適用于擁有RS485接口的30系列壓力傳感器或DCX數(shù)據(jù)記錄儀
防護(hù)等級(jí)： IP65 供電： 鋰電池3.9V/32Ah
電池壽命: >10年，在每小時(shí)測(cè)量一次，每天傳送一次數(shù)據(jù)的情況下 GSM波段： Quad850/900/1800/1900MHz
傳送選項(xiàng)： （STMP和POP3），SMS和Data Conection（V.32/V.110）
可選接口： SMA Femle
接口： RS485 KELLER-BUS/2線電壓輸入（ADC 0.....2.5V）/2線數(shù)字信號(hào) 溫度范圍： -20℃....50℃
zui短測(cè)量/發(fā)送比率： 1分鐘
外殼材料： 不銹鋼316L（DIN1.4435）
外殼尺寸： 48×330mm（直徑×長(zhǎng)度）
性能表現(xiàn)： 典型±0.5mbar（-20℃..40℃）
分辨率： 典型0.2mbar
長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性： 典型＋1mbar（12月）
溫度分辨率： 典型0.2℃
三、 中心控制室數(shù)據(jù)接收及處理部分
中心控制室可以只需要接收電子郵件數(shù)據(jù)即可。電子郵件的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入Excel表格進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)量根據(jù)設(shè)置的采集間隔來(lái)確定。
全部系統(tǒng)組成：
Starflow 流速流量?jī)x 1套 標(biāo)配15米電纜、干燥劑2個(gè)
現(xiàn)場(chǎng)顯示模塊 1套 LCD液晶顯示+安裝盒
顯示單元電源 1套 蓄電池或者可以用開(kāi)關(guān)電源接220V交流電
數(shù)據(jù)傳輸模塊GSM2 1套 內(nèi)置電池
SIM卡 1張 流量包月或者短信包月
電子 1個(gè)
控制部分軟件 1套 設(shè)置采集間隔、發(fā)送數(shù)據(jù)格式等
數(shù)據(jù)處理軟件 1套