北京澳作生态仪器有限公司
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1.应用
接触式超声流量计在水土保持、灌溉、污水排放等大流量场合时易发生磨损、冲走等问题。本系统由非接触一体式超声同时测得水位和流速，通过的流体模型算法依水位、流速及截面积参数计算出流量等参数并本地或云端显示存储。
优点：
1）一类站测量精度；渠道截面形状不限；测量范围宽；
2）从近河床到满位均能测量；可测正逆向流；
3）非接触一体式传感器置于岸或桥上，软件准确测出安装位置；维护方便。
备注：
测量场所上下游需要有适当长的直水道。
2. 系统组成
由一体式超声传感器、流体建模计算软件、现场数据采集及供电系统、ENVIdata云平台组成。
2.1 测量原理
水位由垂直向超声发射接收时间计算出来。河流表面水流速度主要利用河流湍流和涌流产生的短波布拉格散射信息进行演算。当发射的雷达信号打到水表面时，因厘米波长面波后向散射作用，将产生多普勒频移。在河水不流时，在厘米面波传播方向上会产生正向和负向多普勒频移，对于河流湍流散射而言，正向和负向多普勒频移基本相等；而对于流动的河流，面波将随水流向下游传播，从而产生多普勒频移叠加；通过对接收到的面波后向散射信号进行波谱分析即可获取表层水流速度。然后，根据实测流速剖面，将河流表层水流速度转换成平均流速。
具体使用雷达流速仪测速时，仪器常需架设在缆道、岸上或桥上。测流时雷达表面流速仪发射的微波斜向射到待测水体的水面上。 由于有一定斜度，所以部分波能量被水体吸收，一部分折射或散射损失掉； 但有一小部分微波水面波浪的迎波面反射回来，产生的多普勒频移信号被 仪器天线接收。仪器测出反射信号和发射信号的频率差，就可以计算出水面流速。
雷达表面流速仪实际测到是波浪流速，故计算时的重要假设 为水体的表面是波浪的载体，两者流速相同。θ1 为俯仰角 θ2 为方位角；e: 为放大破浪反射示意图。依照 DOPPLER 原理，反射后频移频率与发射频率关系如下：
式中：C2 = 电磁波在空气中传播速度(3 × 108 m/s)；θ = 发射波与水流方向的夹角，为俯角和方位角的合成。由上式可得：
2.2 数据采集系统
系统由数采、机箱、供电系统、通讯子系统等组成，DT系列数据采集器是一款低温、低能耗、带液晶显示的数据采集器，具有支持U盘、18位分辨率、通讯性能可扩展及内嵌显示屏等特性。
DT82I支持SCADA系统的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V电源为传感器供电。工作温度可达-45℃。
采集器采集和存储的数据可通过通讯系统远传或下载到U盘。
2.3 ENVIdata数据云平台
通过GPRS网络数据远传到 (中国生态数据网)物联网站上，通过对监测的生态环境因子的时序变化和相关性分析，确定监测对象的变化模型。
ENVIdata 服务器软件既可以作为独立的应用软件运行在用户固定IP地址的服务器上；也可以运行在澳作公司安全的服务器上，客户通过客户端软件远程访问各自的专属数据、监测运行设备状态或远程修改运行程序。
3. 流体建模计算软件
软件通过输入流经渠道的刨面形状细节、表面粗糙度、传感器位置等参数由内置算法得到各深度水流速度，进而算出截面流量，软件生成的代码只需下载到传感器中执行而不必始终连接PC.
4. 传感器布设及采集
传感器置于岸或桥水面以上，通过可视频谱选择安装位置，系统通过太阳能供电并做防雷处理。测量间隔时间设定范围：15 s 到 5 h 可调；一次测量流速数据输出方式：1）移动平均2）去除大数平均3）最小值平均4）中值平均
5. 观测指标
流量、截面平均流速、表面实时流速、水位、信噪比、 截面面积等
6. 技术参数
6.1 非接触式复合超声传感器指标：
1、测量原理：超声测高、测流速
2、适应水流方向：顺流、逆流可选
3、河流/渠道类型可选：
1) 极平缓一致水面；2）一般平缓河流/渠道
3）一般性河流/渠道；4）湍急性河流/渠道
5）极湍急性河流/渠道；6）飞溅性水流
4、适应气候条件：全天候工作，适合在暴雨和暴雪天气工作，无雨衰
5、控制方式：硬件触发、软件协议并行控制，自由开始、停止测量动作
6、数据采集时间：0 到 240 s 可调
9、雷达波束角：6.5°x 5.5º @ -3dB point，发射功率 50 毫瓦。
10、雷达垂直方向角度调整范围：30-60°（自动补偿） ，常规测流方向角：58-61 度
11、垂直角度跟踪分辨率和精度：分辨率 0.1°；精度 1°
12、雷达探头距离水面距离：0.5 m 到 70 m（安装高度 100 米）
13、流速测量范围：0.15 m to 15 m/s；水位测量：标配 15 米，可选 30 米或外接 70 米
14、分辨率和误差：±0.02 m/s; ±1 %
15、可选数字接口：RS-485
21、自动输出结果：流量、断面平均流速、表面实时流速、水位、信噪比、 断面面积等、可设置多种通讯协议。
22、流量精度：在断面规整流速分布一致情况下达到一类站测量精度
23、信号质量直接图形显示
24、自动生成不同水位级综合 K 值表、断面 K 值线、综合流速、水位、流量过程线、断面冲淤变化报警
25、断面分水位级细化慥率精确调整，将断面中不同河床质根据实际分布宽度划分开，分别根据其性质确定糙率。然后，再以他们各自对应的过水面 积为权重，加权平均求出平均糙率，根据垂线所在位置糙率，加上其左、 右两边高、低糙率之间通过水流梯度力产生的影响，最后用推理加实验的 方法得出糙率公式。
27、电源：5.5 - 30 VDC
28、电源保护：具有电源接错和过压保护功能
29、电 流： 130 mA（测量时）
30、休眠时：小于 1mA
31、工作温度：-35℃~ +60℃
32、存储温度：-40° C~ 60 °C
33、内置防雷标准： 0.6 kW Ppp
34、野外防护等级：IP 68
35、抗雨干扰：在250毫米/小时雨强或更大条件下，流量数据稳定性一致性好
36、自带学习功能，在无实测数据情况下外延水位流量关系，推算流量。
6.2 数据采集器技术指标
扫描速率：25Hz
处理器：采用18位A/D转换器,精度±0.025%
存储：128Mb可无限扩展，内存可存储130,000个读数，可使用PC卡或闪存可（可存储65,000个读数）
U盘存储：兼容USB1.1或USB2.0驱动，每兆约90,000采集数字点
LCD液晶显示,2线16字母的LCD液晶显示和6个按键用于查看通道及数采状态和功能执行
通讯：RS232、USB、以太网等
采样间隔：10ms至天，可自定义
工作温度范围-45~70℃
时钟精准度：约±1分钟/年0-40℃；约±4分钟/年-40-70℃
供电电压：10~30VDC
工作湿度85%（无水汽凝结）
模拟输入：2-6个单端通道（4个差分）
脉冲通道：8个
数字I/O口：4个
7. 参考文献
1.“小开河引黄灌区超声波测流应用研究"，张永云，王景元，庞启航，岳青
2.“计量及远程监测在农业灌溉中的应用"，朱伟，李海鹏，关洪溪
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