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随着工农业生产和生活用水量的增加,水资源供需矛盾日益尖锐,计划用水和水量调配工作显得越来越重要,很多场合都需要能够迅速、准确地测量明渠断面流量。 ) @. _3 a& b/ i( v5 g4 a5 x* o& Y( l( k3 t
+ |6 E" a# M' ]0 n- A+ w1 _7 K 目前,国内外研究水流流量的方法主要有:垂直多普勒法、流速面积法、雷达波桥测、曲线率定法、遥感测量法、控制断面法等。流速面积法是通过将水流断面分割,采用局部测量求和的方式获得整体流量。 + c* ?- S+ |/ k' ~7 v! l# x/ U4 C
一、水断面流量基础公式3 U& b6 k6 J9 D; [& j* W( G: p
在某一给定的瞬间,水流流经过水断面的水量为: ( m- V7 g a# ^" q) i& |
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式中:v表示垂直于面积元ds的流速分量;V=v(x,y);积分域包括整个过水断面面积,上式可以变换如下:
7 I( B" U$ u# N9 ?5 Y* i
1 V" T% B3 N! W9 j) R3 Y7 R / J! `# X9 `* H, C
二、流速面积法基本原理
- }8 V: R$ d1 n) ?5 X* ^# a 流速面积法就是基于明渠断面流速分布经验公式,测得断面某点流速及断面水位和渠底泥位后,通过计算获得断面流量。其基本原理是:将断面细分为多个分区(如下图所示),测得断面某一点(布置流速仪后,该点绝对位置即已固定)处的流速及断面水位和渠底泥位后,根据断面垂线流速分布律及测点位置、测点流速和水深值,得到流速测点所在垂线的平均流速,根据垂线平均流速的横向分布律得到各分区中垂线平均流速,各分区的平均流速由分区中垂线平均流速代替,求得各分区流量后求和得断面总流量。 0 {% h9 q! |( V T) w6 A; ]/ p
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三、流速面积法计算公式
1 O' Y2 H! N$ S/ c3 Z" d2 i 应用流速面积法测量明渠断面流量时,按上述基本原理,先将明渠断面等分为n个分区,然后通过计算各个分区的流量,并进行求和得到明渠断面的总流量。其流量计算公式为: 2 I% c6 R1 G9 o
2 T. |( V: W' B' z' m% |
式中:△Si为第i个分区的面积;B为水面宽度;Hm为断面中垂线处的水深;Vi为第i个分区中垂线的等效平均流速(对矩形断面明渠,其值为分区中垂线平均流速;对梯形断面明渠,其值为分区中垂线平均流速的H/Hm倍,Hi为明渠第i个分区中垂线处的水深),对矩形和梯形断面明渠,Vi分别按截面积流速计算公式求出。 ' |7 g k: M, Z" s% z
四、流速面积法实测明渠断面流量8 ^1 v/ ~+ e: E! @/ ^
实测明渠断面流量根据流速面积法得到。根据实测点流速计算实测断面流量的过程中,这里采用的是我国规范的方法—平均分割法。该方法先以测速垂线作为划分子区域的界线,将明渠断面划分为几个子区域,再根据实测流速及水深,计算各子区域的断面面积、平均流速及流量,然后将各子区域的流量进行求和得到的。断面流量Q的计算公式可表示为:
2 H/ T0 b8 m! f+ n 7 A1 W' V9 }. p% O5 a- ^
式中:hi为第i条测速垂线处的水深;Vi为第i条测速垂线的垂线平均流速;△Zi为第i-1条与第i条测速垂线之间的水平距离。
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其中,Qi表示流量计测量的瞬时流量值,△t表示RTU读取流量计瞬时流量值的测量时间间隔。
) i5 l8 G" M4 G. \. @ 五、流速测量设备
+ h( M) B; A% L% c 流速面积法可使用声学多普勒流量计测量流速。声学多普勒流量计是一款接触式声学多普勒测流设备,尤其适用于浊度大于20mg/L的流体流量测量。具有微功耗、高精度、宽量程等特点,操作简便,可同时检测流量、流速、水位、水温、剩余电量、电压等多种参数,能够很好的满足用户对于产品高精度和高稳定性的需求。具体技术特点如下:
+ q9 z4 B& }, P+ d/ ^3 g0 C$ g/ a (1)断面流速测量: 9 k& Z I+ }- `5 x6 c1 k
超声波探头的测量截面为椭圆形,覆盖不同纵深的流速,更接近于断面流速;
0 v# T; U: M8 c% E (2)测量精度高: / X# V$ E) z& O% y W
选带傅里叶变换(Zoom-FFT)算法保证测量结果稳定并具有毫米级别的速度分辨率;
: N7 C. f! Q+ B* `7 `6 z" f (3)结构设计独特:
/ ?+ t/ J( x( v' A( }3 h% Q 通过专利保护的结构设计有效防止淤泥堵塞关键测量部位,减少流量计的维护;
3 I! V. Y; g) h/ k O' @2 K (4)低功耗设计:
" D; l- Z" E6 b5 ^- P 嵌入式软硬件整体低功耗设计、先进的电源管理策略及科学的工作模式切换; # j( S) r" C, }9 o% E9 `
(5)应用场景广:
/ Q, E7 h& P8 K7 v 浊度大于20mg/L的满管和非满管流量测量均可,通过选用宏电相关配件可扩展支持淤积监测功能;
. @) p1 @' i8 G2 k& D0 {% B6 T+ o (6)防护等级高:
" o! {( @0 r5 Y5 x6 e$ o( Y7 N IP68防水防尘等级,可满足各种不同应用场合;
% i$ b& ?9 e3 w) W/ p8 h! o (7)电路异常保护:
5 ~7 u+ P+ v0 K5 t/ ~" Z 有过电压保护、浪涌电压保护及电源极性反接保护,避免操作失误引起的电气损坏。 ' B$ K- R; Y# _/ c
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