渠道量水技術(shù)與設(shè)施課件

現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)節(jié)水灌溉自動(dòng)量水技術(shù)

主講人：雍紅酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015.05現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)節(jié)水灌溉自動(dòng)量水技術(shù)渠道量水技術(shù)與設(shè)施渠道量水技術(shù)與設(shè)施一、渠道量水技術(shù)與設(shè)施渠道量水按照量取的數(shù)據(jù)可分為水位量測(cè)和流量量測(cè)兩大類，其中水位量測(cè)最為普遍。與堰和閘等相結(jié)合，還可以通過水位來計(jì)算流量。水位或流量的量測(cè)需要通過相應(yīng)的傳感器完成，傳感器和儀表是遠(yuǎn)端裝置（RTU）的重要組成部分。這些儀表將測(cè)量的數(shù)據(jù)數(shù)字化并傳輸?shù)街行挠?jì)算機(jī)或中心控制設(shè)備上。一、渠道量水技術(shù)與設(shè)施（一）傳感器和測(cè)量?jī)x表傳感器和儀表系統(tǒng)一般包括以下部分:機(jī)械部分、機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)換(模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào))、A-D轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)備等。1．電位計(jì)2．?dāng)?shù)字軸角編碼器3．線性電壓差變壓器4．測(cè)斜儀5．壓力變送器（一）傳感器和測(cè)量?jī)x表1．電位計(jì)（二）渠道水位的量測(cè)傳統(tǒng)的水位量測(cè)方法是在測(cè)驗(yàn)斷面設(shè)立水尺，人工定時(shí)觀測(cè)水位，這種測(cè)驗(yàn)方法不適應(yīng)自動(dòng)化迅速發(fā)展的需要，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了大量的自動(dòng)觀測(cè)記錄水位的設(shè)備，用以代替人工觀測(cè)。自動(dòng)觀測(cè)記錄水位的設(shè)備有自記水位計(jì)、水位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。自記水位計(jì)是至今最常用的水位觀測(cè)儀器，它可以連續(xù)記錄水位變化的完整過程，其類型很多，如按水位傳感方式來劃分，主要有浮子式、壓力式和超聲波式。此外，還有觸針式、電容式、電阻式等，它們各自適用于不同的情況。（二）渠道水位的量測(cè)1．浮子式遠(yuǎn)傳水位計(jì)2．壓力式水位計(jì)主要有吹氣引壓式的壓力水位計(jì)和壓阻式傳感器等類型。以下是兩種常見的壓力式水位計(jì):（1）WQC-1型氣泡水位計(jì)（2）WYY型遙測(cè)壓力式水位計(jì)3．超聲波水位計(jì)4．觸點(diǎn)式水位計(jì)5．電容式水位計(jì)1．浮子式遠(yuǎn)傳水位計(jì)超聲波水位計(jì)超聲波水位計(jì)是利用聲波的反射特性，根據(jù)聲波傳播速度和往返傳播的時(shí)間來檢測(cè)水位的無測(cè)井自記水位計(jì)。按聲波傳播介質(zhì)的不同，分液介式和氣介式兩種，如圖所示。超聲波水位計(jì)超聲波水位計(jì)是利用聲波的反射特性，根據(jù)聲波傳

圖8-1超聲波水位計(jì)基本原理示意圖(a)液介式；(b)氣介式

它們的基本原理完全相同，都是由電聲換能器向水面發(fā)射聲波，發(fā)出的聲波被水面反射回來，又被換能器所接收。由聲速vc和往返傳播時(shí)間△t，即可求得換能器與水面的距離d，見式(8-1):

它們的基本原理完全相同，都是由電聲換能器向水面發(fā)射聲波，發(fā)出再由換能器安裝高程Z0，就可求得水位Z，見式(8-2):液介式氣介式再由換能器安裝高程Z0，就可求得水位Z，見式(8-2):液介(三)渠道流量的量測(cè)測(cè)量流量的方法有多種，但大多數(shù)都是通過測(cè)量水位來計(jì)算流量。在很多系統(tǒng)中，都是對(duì)水位和流量同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。自動(dòng)控制渠道系統(tǒng)中流量測(cè)量的方法主要有:聲波和超聲波流量計(jì)、閘孔流量算法、巴歇爾槽、堰、流速儀、孔口出流及潛水型電磁流量計(jì)等。(三)渠道流量的量測(cè)1．聲波和超聲波流量計(jì)沿著聲波的路徑，平均水流速度可以根據(jù)下列公式從二者的時(shí)間差計(jì)算出來，見式（8-3）:式中

Vw——水流平均流速；△T——以秒為單位的兩個(gè)聲波傳播時(shí)間差；C——在液體中聲波速度；L——發(fā)射與接受聲波路徑長(zhǎng)度。1．聲波和超聲波流量計(jì)式中Vw——水流平均流速；2．閘孔出流算法閘孔出流算法較為復(fù)雜，與閘門的幾何尺寸甚至和閘門的密封情況都有關(guān)系。一般情況下符合式（8-4）:式中

Q——流量；CD——流量系數(shù)；GO——閘門開度；GW——閘門寬度:g——重力加速度；H——水頭或上下游水位差。2．閘孔出流算法式中Q——流量；3.巴歇爾槽巴歇爾槽具有水頭損失小；對(duì)行近流速不敏感；在非淹沒、中等淹沒和高度淹沒的條件下，測(cè)量效果都較好；由于流速較大，在建筑物周圍沒有泥沙淤積等優(yōu)點(diǎn)。巴歇爾槽自由流的流量方程見式（8-5）:3.巴歇爾槽式中

Q——流量；H——上游水頭；K——常數(shù)，與巴歇爾槽幾何尺寸和材料有關(guān)；n——常數(shù)，與巴歇爾槽幾何尺寸和材料有關(guān)（2＜n＜3）。式中Q——流量；4．斜坡水槽斜坡水槽有坡度為3:1的斜坡過渡到水平寬頂堰，再連接垂直跌水，后與渠道反接。斜坡水槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于施工，可以很容易地安裝在現(xiàn)有渠道上。典型結(jié)構(gòu)見圖8-2。4．斜坡水槽斜坡水槽有坡度為3:1的斜坡過渡到水平寬頂堰圖8-2(a)斜坡水槽；(b)斜坡水槽示意圖圖8-2(a)斜坡水槽；(b)斜坡水槽示意圖為了保證水流為層流(率定時(shí)假設(shè)水流為層流)，行近水頭H1和沿水流方向堰的長(zhǎng)度L3應(yīng)符合式(8-6):(H1/L3)＜0.50(8-6)測(cè)量點(diǎn)的水頭應(yīng)大于1/12的堰長(zhǎng)，以確保在堰頂不會(huì)形成波浪(由摩擦引起)。因此:(H1/L3)＞0.050為了保證水流為層流(率定時(shí)假設(shè)水流為層流)，行近水頭H1和沿5.堰

堰的形式有多種，包括矩形、V形、梯形等。對(duì)堰的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行檢修非常容易，任何不正常的運(yùn)行工況都很容易發(fā)現(xiàn)并可及時(shí)修正。當(dāng)水頭落差大于0.15m時(shí)，用堰測(cè)量流量效果較好。根據(jù)開口形狀不同，堰可以分為矩形、梯形和三角形等。5.堰堰的形式有多種，包括矩形、V形、梯形等。對(duì)堰的關(guān)

在矩形和梯形堰中，敞開部分的底端就是堰頂，兩側(cè)為堰壁。脫離堰頂?shù)乃鞣Q為水舌。當(dāng)堰頂水流能夠自由進(jìn)入大氣時(shí)，堰的運(yùn)行狀態(tài)最佳。在淹沒流情況下，為保證接近大氣壓狀態(tài)，可對(duì)水舌進(jìn)行通氣。在矩形和梯形堰中，敞開部分的底端就是堰頂，兩側(cè)為堰6．流速儀流速儀并不經(jīng)常用于測(cè)量流量，而是對(duì)上述測(cè)量方法進(jìn)行校驗(yàn)和率定。通過在垂直水流的斷面上測(cè)定一系列的點(diǎn)形成流速斷面。根據(jù)流速斷面和相應(yīng)的過流面積可以計(jì)算流量。流速儀可以測(cè)定給定斷面的水流流速和水流方向?？梢栽诹魉賰x上安裝精確的轉(zhuǎn)速編碼器，控制器或RTU可以精確地測(cè)量流量。6．流速儀流速儀并不經(jīng)常用于測(cè)量流量，而是對(duì)上述測(cè)量方法7．孔口出流孔口是一個(gè)輪廓分明的具有銳沿的開口，水流可以通過該開口流出。如果上游水面低于開口的上沿，水流變?yōu)檠吡?，從而不再遵循孔口出流的?guī)律?？卓诔隽骷瓤梢允沁M(jìn)入空氣中的自由流，也可以是進(jìn)入水中的淹沒流。淹沒孔口出流水頭損失較小，因而可以用于水頭落差較小，堰不適用的情況，也可以用于由于某些原因，各種形式的量水槽都不適用的情況。通過一個(gè)垂直的銳沿收縮淹沒孔口的流量，可由式(8-8)計(jì)算:7．孔口出流孔口是一個(gè)輪廓分明的具有銳沿的開口，水流可以式中

Q——流量；Cd——流量系數(shù)；A——孔口面積；g——重力加速度；H——孔口水頭，等于孔口上下游水頭差。行近流速較小、水頭較大時(shí)，測(cè)量精度較高。式中Q——流量；當(dāng)行近流速合適時(shí)，方程變?yōu)槭?8-9):式中

h——行近流速水頭，其他變量同前。通過在上游安裝水位和流速傳感器可以精確的測(cè)量通過孔口的流量。當(dāng)行近流速合適時(shí)，方程變?yōu)槭?8-9):式中h——行近流8．潛水型電磁流量計(jì)潛水型電磁流量計(jì)是新型的用來連續(xù)測(cè)量明渠、暗溝或未滿管道中導(dǎo)電流體的體積流量測(cè)量的一種電磁流量計(jì)，近年來在工業(yè)排水和環(huán)境保護(hù)方面得到了廣泛的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)流體流量的測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)記錄和累積計(jì)算。8．潛水型電磁流量計(jì)潛水型電磁流量計(jì)是新型的用來連續(xù)測(cè)量(1)測(cè)量原理和其它電磁流量計(jì)一樣，潛水型電磁流量計(jì)也是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理工作的。當(dāng)導(dǎo)電流體在交變磁場(chǎng)中沿測(cè)量管路作與磁力線成垂直方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在與測(cè)量軸線和磁場(chǎng)磁力線相互垂直的管壁上安裝了一對(duì)檢測(cè)電極，檢測(cè)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與流量qv成正比。流量信號(hào)輸入電磁流量轉(zhuǎn)換器，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成與流量信號(hào)成正比的直流信號(hào)0～10mA或4～20mA。(1)測(cè)量原理和其它電磁流量計(jì)一樣，潛水型電磁流量計(jì)也是潛水型電磁流量變送器是通過與外殼相連的平板法蘭安裝在帶孔的閘板上。閘板完全攔斷渠道流體，使流體只能從變送器中流過。整個(gè)變送器完全浸沒在流體中。其測(cè)量原理如圖8-3圖潛水型電磁流量變送器是通過與外殼相連的平板法蘭安裝在帶孔的閘圖8-3潛水型電磁流量變送器的測(cè)量原理圖8-3潛水型電磁流量變送器的測(cè)量原理圖8-4潛水型電磁流量變送器的安裝圖8-4潛水型電磁流量變送器的安裝主持單位:酒