現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)節(jié)水灌溉自動(dòng)量水技術(shù)2015.05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)可分為水位量測和流量量測兩大類，其中水位量測最為普遍。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）傳感器和測量儀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)電信號轉(zhuǎn)換(模擬信號或數(shù)字信號)、A-D轉(zhuǎn)換、信號調(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．測斜儀5．壓力變送器（二）渠道水位的量測傳統(tǒng)的水位量測方法是在測驗(yàn)斷面設(shè)立水尺，人工定時(shí)觀測水位，這種測驗(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)觀測記錄水位的設(shè)備，用以代替人工觀測。自動(dòng)觀測記錄水位的設(shè)備有自記水位計(jì)、水位數(shù)據(jù)存儲器等。自記水位計(jì)是至今最常用的水位觀測儀器，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。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)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)間來檢測水位的無測井自記水位計(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。

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):

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(三)渠道流量的量測測量流量的方法有多種，但大多數(shù)都是通過測量水位來計(jì)算流量。在很多系統(tǒng)中，都是對水位和流量同時(shí)進(jìn)行測量。自動(dòng)控制渠道系統(tǒng)中流量測量的方法主要有: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。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度。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。3.巴歇爾槽巴歇爾槽具有水頭損失小；對行近流速不敏感；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）: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）。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。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度L3應(yīng)符合式(8-6):(H1/L3)＜0.50(8-6)測量點(diǎn)的水頭應(yīng)大于1/12的堰長，以確保在堰頂不會形成波浪(由摩擦引起)。因此:(H1/L3)＞0.0505.堰

堰的形式有多種，包括矩形、V形、梯形等。對堰的關(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。

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)，可對水舌進(jìn)行通氣。6．流速儀流速儀并不經(jīng)常用于測量流量，而是對上述測量方法進(jìn)行校驗(yàn)和率定。通過在垂直水流的斷面上測定一系列的點(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可以精確地測量流量。

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: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)，測量精度較高。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量通過孔口的流量。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)測量明渠、暗溝或未滿管道中導(dǎo)電流體的體積流量測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)對被測流體流量的測量、控制、調(diào)節(jié)記錄和累積計(jì)算。(1)測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)電流體在交變磁場中沿測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，在與測量軸線和磁場磁力線相互垂直的管壁上安裝了一對檢測電極，檢測出感應(yīng)電動(dòng)勢。感應(yīng)電動(dòng)勢e與流量qv成正比。流量信號輸入電磁流量轉(zhuǎn)換器，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成與流量信號成正比的