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摘要: 随着水利信息化技术的不断进步和国家对水利信息化的日益重视,雷达在线自动测流系统已在我国罐渠自动监测、水文监测、防汛抗旱等领域得到了广泛的应用,非接触式雷达测流是以雷达传感器为核心,采用连续测量方式,用非接触式测定开放河流和渠道的流量。它将两种非接触式雷达技术结合在一个系统里。一方面水位是由雷达信号的传播时间测量的;另一方面表面流速同时由多普勒频率偏移原理测量。这个测量项目在内部结合起来,并输出一个使用测量站点独有水力模型校正后的流量,该系统不仅造价成本低,安装方便,同时维护成本很低,在水利自动化监测中具有独特的技术优势。
关键词:雷达在线测流 建设 应用 自动.
前言
传统的流量测量方法,一般是通过水位流量过程曲线推算得出。因此,确定水位流量关系曲线受到很大的不确定性影响。只有同时附加了流速信息,才允许在这些困难情况下准确计算出准确流量,在线测流系统所包含流速测量传感器就解决这个问题。
雷达流速监测传感器采用多普勒效应原理来测量流体表面流速。在声音传播过程中,当发声体与声音接收体之间有相对运动时,接收体回声的频率将发生变化,这种频率的变化被称之为频移,该效应即多普勒效应。
雷达水位传感器通过发射电磁波和接收电磁波,通过测量发射和接收时间差Δt,计算出被测液面与雷达传感器之间的距离H2=(c*Δt)/2,输出的水位值h=H1-H2。H1为渠底至水位计的高度。
系统主要由阵列式多垂线雷达波测流监测站、通信网络和管理中心等组成。
系统通信组网采用WSN、GPRS/GSM、Internet等混合组网方式,垂线雷达测速点采用有线通信方式。
系统整体结构如下图所示。
雷达波流量监测站组成示意图
主要由1台雷达流量计(主机)、RTU、DTU、和太阳能供电系统等组成。
1、基本功能
1)数据采集与传输功能
自动采集与定时自报:设备(RTU)按照预先设置好的时间隔,通过GPRS链路信道向中心站发送当前实时监测的数据,同时包括遥测站站码、蓄电池电压等参数。
加报:设备在规定的时段内当水位或流量的变化量超过预先设定值,同时设定的定时报时间间隔未到时,设备将自动向中心站发送数据。
查询应答:流量监测设备可实时响应中心站的查询指令,并通过远程指令读取实时监测数据,监测数据读取成功后通过数据发送通道返回中心站。
时间窗口:设备可通过编程,实现指定时间范围内自动上线的功能,从而实现远程控制。
主备信道功能:设备在发送监测数据时,当主通讯信道发送失败时,设备将自动切换到备用信道进行发送。当流量监测数据变化没有达到预先设定好的上报条件时,遥测站将不予发送,等定时报时间间隔到达时一并上报。
2)防雷功能
遥测站点一般都安装到野外,容易遭受雷电,系统在设计时充分考虑到雷电影响,并进行了有针对性的改进,使得本系统可以实现无人看管,同时具有防盗和防破坏功能。
2、报警监控功能
1)水位越限报警
2)供电不足报警
3)设备事故报警
4)遥测站校正时钟、开关机。
系统采用自报式和查询应答兼容的混合工作模式,当系统被设置为查询应答工作模式时,系统将在自报的同时可实现远程查询应答;
定时自报模式:根据用户需要,预先在遥测设备上设置好自报时间间隔,系统将在所设定的时间间隔到达后设备监测数据将自动报送。
加报模式:当被监测的流量发生变化时,同时该变化幅度大于预设值(如水位涨落l厘米,同时与上次发送流量数据的时间间隔大于规定的值 (一般为 5 分钟)即设备将自动向中心发送一次监测数据;
定时自报模式:设备在每隔预先设定好的时间间隔到达后,不管流量或水位有无变化,立即向中心站报送一次数据。
应答式/查询:通过中心站机房的数据采集软件向远程设备发送查询命令,遥测站将自动响应,当远侧遥测站点接收到查询命令后,能实时采集流量或水位数据并发送回中心站。
1、雷达流量计(主机)1 台
2、RTU遥测终端 1台
3、DTU通讯终端 1台
4、太阳能电池板1块(40W)
5、免维护蓄电池1块(65Ah)
6、信号避雷器1 块
7、电源避雷器1 块
8、安装支架1套
9、三防机箱1套
10、大断面测量1 处
11、流量率定1点
12、辅材1套
为了保证测量的准确性,并减少桥墩分流对于流态的影响,安装点建议选择在下游一侧的桥梁侧壁上,单台测流设备立杆安装或支架安装,探头照射方向为迎水安装。
雷达流量传感器安装完成后,必须保证测流速传感器发射的雷达波能全部照射到水面上,否则将不能保证测量精度。下图为雷达传感器发射的雷达波照射到水面上的示意图。
雷达波照射到水面示意
假定雷达流速仪安装高度为h,雷达流速仪测流速探头发射的雷达波照射到水面形成椭圆长轴为b(单位:米),则
安装时需根据现场环境,调整安装高度,使雷达流速仪发射的雷达波全部照射到水面。
目前在天然河道这种不规则断面建设的其他测流系统,主要有 HADCP 和轨道式雷达波测流这两种。而诸如底座式 ADCP(安装在河底,缺点:悬浮物覆盖、安装维护难度极高等),时差法(安装在河道两侧,缺点:需要有护坡平面、需断流安装、需河底布设线缆、需定期维护等)等测流系统,因为在野外坏境适用性较差,不在本文论述范围内。雷达测流固定式测流系统相对于其他测流方式有着全方位的优势。
参考文献:
《水文自动测报系统技术规范》SL61-2015
《河流流量测验规范》GB50179-2015
《水位观测标准》GBT50138-2010
《水资源监测数据传输规约》SZY206-2012
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