一體化遙測水位計(jì)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

文/成都萬江港利科技股份有限公司

我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)灌溉用水占社會(huì)總用水量一半以上。當(dāng)前許多灌區(qū)現(xiàn)代化水平偏低，缺乏科學(xué)的監(jiān)管手段，落后的水量測量方法造成灌區(qū)水資源極大浪費(fèi)。精準(zhǔn)量水是提高灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水利用率的基礎(chǔ)所在，結(jié)合先進(jìn)的測量技術(shù)，解決灌區(qū)量水難題，對(duì)于提升灌區(qū)水資源利用率，促進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。在此背景下，一體化遙測水位計(jì)因其采集較穩(wěn)定、功能集合、操作便捷等優(yōu)勢成為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)量水的有效技術(shù)之一。

技術(shù)簡介

一體化遙測水位計(jì)集傳統(tǒng)水位流量監(jiān)測站點(diǎn)的水位采集、流量計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、供電、通信傳輸功能于一體，其結(jié)構(gòu)外觀如圖1所示。采用雷達(dá)波或超聲波非接觸式測量，不受溫度、濕度、雜質(zhì)起泡等外界環(huán)境因素影響，可連續(xù)精準(zhǔn)測量渠道水位、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，實(shí)現(xiàn)水位流量采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)染C合功能，具備測量精度高、無需外部供電、安裝便捷、免維護(hù)標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于灌區(qū)信息化，農(nóng)業(yè)灌溉干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠、毛渠等輸水渠道的水位流量等監(jiān)測場景。

圖1 遙測水位計(jì)外觀圖

設(shè)計(jì)原理

1.工作原理

一體式設(shè)計(jì)，采用超聲波式或雷達(dá)式原理采集水位，將采集、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、供電系統(tǒng)、通信費(fèi)、流量計(jì)算及機(jī)箱外殼集于一體，實(shí)現(xiàn)水位采集傳輸和流量計(jì)算功能。以下針對(duì)超聲波式和雷達(dá)式分別介紹：

超聲波式

①原理：超聲波水位計(jì)是一種非接觸式傳感器，在測量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并通過聲波發(fā)射和接收之間的時(shí)間來計(jì)算傳感器到被測物體的距離。

②優(yōu)點(diǎn)：無機(jī)械可動(dòng)部分，可靠性高；安裝簡單方便；適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用面廣；屬于非接觸測量，不會(huì)產(chǎn)生淤堵；采用進(jìn)口前端傳感器時(shí)設(shè)備高度穩(wěn)定。

③缺點(diǎn)：有一定盲區(qū)。

雷達(dá)式

①原理：雷達(dá)水位計(jì)也是一種非接觸式傳感器，通過探測自身發(fā)出的微波（波長很短的電磁波）被液（物）面反射后的信息換算液（物）面位置。

②優(yōu)點(diǎn)：溫度、濕度、霧等外界自然因素對(duì)其影響比較小，且測量精度較高，安裝簡單；可以測量壓力容器內(nèi)液位，可以忽略高溫、高壓、結(jié)垢和冷凝物的影響；與介質(zhì)無直接接觸；耐腐蝕性強(qiáng)；可在真空環(huán)境中使用。

③缺點(diǎn)：有一定盲區(qū)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)斷面測橋安裝圖示

圖3 標(biāo)準(zhǔn)斷面?zhèn)缺谥Ъ馨惭b圖示

2.安裝方式

安裝點(diǎn)位選取依據(jù)，可選擇測橋安裝，如圖2所示；也可選擇側(cè)壁支架安裝，如圖3所示。測流渠段的選擇與測流準(zhǔn)確性有直接的關(guān)系，為得到較好的測流結(jié)果，測流渠段應(yīng)盡量滿足以下條件：

①測驗(yàn)渠段內(nèi)無巨大塊石阻水，無巨大漩渦、亂流等現(xiàn)象。

②測驗(yàn)渠段宜順直、穩(wěn)定、水流集中。

③測驗(yàn)渠段需硬化處理，測流斷面宜規(guī)整。

④測驗(yàn)渠段應(yīng)保持順暢，防止漂浮物堆積。

圖4 藍(lán)牙配置

3.藍(lán)牙配置

①使用前確保手機(jī)藍(lán)牙功能已開啟，藍(lán)牙配置如圖4所示，手機(jī)定位已打開。同時(shí)使用所配備的強(qiáng)磁開關(guān)觸發(fā)設(shè)備指示燈處以激活產(chǎn)品，當(dāng)設(shè)備藍(lán)牙激活后紅色指示燈會(huì)定時(shí)閃爍，點(diǎn)擊右上角的切換開關(guān)將啟動(dòng)藍(lán)牙搜索功能，選擇藍(lán)牙名稱為“RADAR”開頭標(biāo)記的一段字符串即可配對(duì)成功。

圖5 一體化遙測水位計(jì)組網(wǎng)

②連接成功后，點(diǎn)擊“讀取數(shù)據(jù)”。

③輸入安裝高度相關(guān)參數(shù)填寫，核對(duì)設(shè)備運(yùn)行工作時(shí)間完畢后，點(diǎn)擊保存設(shè)置，驗(yàn)證是否設(shè)置成功可再次點(diǎn)擊讀取數(shù)據(jù)查看參數(shù)是否成功配置。

④采集頻率，上報(bào)周期根據(jù)要求進(jìn)行填寫（可設(shè)置0～24小時(shí)）。

⑤選擇其他界面或3分鐘不操作后設(shè)備會(huì)關(guān)閉藍(lán)牙連接通道，退出配置模式。

4.組網(wǎng)

4G網(wǎng)絡(luò)近年在大中型城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)均已普及。采用星型組網(wǎng)方式選用3G/4G的通信將一體化遙測水位計(jì)與服務(wù)器進(jìn)行組網(wǎng)，使用運(yùn)營商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)后期維護(hù)成本低，使用周期長。

通過使用運(yùn)營商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)3G/4G，支持本地及遠(yuǎn)程控制。服務(wù)器可以設(shè)置在云端，也可以設(shè)置在管理處本地，通過手機(jī)或者PC機(jī)登陸遠(yuǎn)端服務(wù)器可遠(yuǎn)程配置一體化遙測水位工作時(shí)間、采集頻率、上報(bào)周期，配置水位流量關(guān)系參數(shù)值。一體化遙測水位計(jì)的組網(wǎng)如圖5所示。

應(yīng)用實(shí)踐及效果

一體化遙測水位計(jì)在山東省位山周店二干渠閘前、位山周店二干渠閘后試點(diǎn)安裝成功并運(yùn)行。符合《水文儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》和《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》，利用二干渠有閘自由流單孔流量查用表，進(jìn)行閘門開度40cm處水位流量關(guān)系設(shè)置，采用多項(xiàng)擬合法輸入相關(guān)數(shù)值。通過水位采集計(jì)量瞬時(shí)流量對(duì)比，采集水位與計(jì)算流量誤差平穩(wěn)，平均誤差1%。

試運(yùn)行實(shí)踐表明，一體化遙測水位計(jì)在明渠的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，可較大程度解決灌區(qū)量水過程中存在的測流精度低、水頭損失大等問題，解決了具有復(fù)雜非線性水位流量關(guān)系的明渠測流問題。支撐水位流量測量方法的實(shí)施，構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌區(qū)水位流量監(jiān)控硬件平臺(tái)，針對(duì)灌區(qū)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分散、傳輸距離遠(yuǎn)、供電困難的特點(diǎn)，解決了灌區(qū)線型分布無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與傳輸問題，最終實(shí)現(xiàn)了該平臺(tái)在實(shí)際灌區(qū)水位流量監(jiān)控中的應(yīng)用。