Transcript 流速流量监测（南京水利水文自动化研究所姚永熙）

二、流速流量监测仪器
——流速测量仪器设备
流速仪器分类
• 测量点流速的流速仪
－转子式流速仪
－声学点流速仪
－电波流速仪
－电磁点流速仪
－光学流速仪
• 测量剖面流速的流速仪
－声学多普勒剖面流速仪
－声学时差法流速仪
－扫描式电波流速仪
－电磁流速仪
按流量测量方法的原理分类
• 流速面积法（河流流量测验规范、声学多普勒流量
测验规范、水文测船测验规范、水文缆道测验规范、
动船法测流）
• 水位~流量关系法《水工建筑物与堰槽测流规范》
（原水工建筑物测流规范、堰槽测流规范、比降－
面积法测流规范）
• 示踪剂法（国内基本不应用）
• 容积法（可用于潮汐影响河段）
示踪剂法简介
示踪剂法也被称为稀释法。其原理是：
将某种物质（示踪剂）连续均匀、或一次性将一定
量的示踪剂突然注入水流中，在水流下游测量水中
该示踪剂的含量，或测量该示踪剂含量的变化过程。
从而推算流量。
应用方法：一次投入法、连续投入法。
应用的示踪剂：放射性示踪剂－测量放射性射线、粒子
化学示踪剂－氯化钠、碘、锂、锰盐
荧光示踪剂－
流速面积法测量流量
按测量流速的方法和仪器的不同，
可以分为：
1。测量点流速的流速面积法。
使用各种点流速仪
2。测量剖面流速的流速面积法。
使用剖面流速仪，主要是声学流速仪。
3。测量表面流速的流速面积法。
使用电波流速仪、浮标。
测量点流速的流速仪
• 转子式流速仪——应用最普遍，也是最准确的流速
仪。仪器使用旋桨、旋杯式转子感应流速，测量转
子的转速，计算水流速度。
• 声学点流速仪——应用声学多普勒原理测量仪器所
在点的水流速度。
• 电磁点流速仪——应用电磁测速原理测量点流速
• 电波流速仪——应用电磁波的多普勒测速原理测量
水面点流速
• 光学流速仪——由望远镜和旋转镜头为主要组成的
测量水面高流速的一种频闪装置。
• 激光流速仪——应用光学多普勒原理测量点流速
常用的转子式流速仪
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•
•
•
LS25－1型旋桨式流速仪
LS25－3型旋桨式流速仪
LS20型旋桨式流速仪
LS1206型旋桨式流速仪
LS68型旋杯式流速仪
LS78型旋杯式低流速仪
LS45型旋杯式浅水低流速仪
多普勒点流速 ••
仪性能
•
• 国内有过这类产品，其性 •
能如下：
• A ． 测 速 范 围 ： 0.01~5m/s ， •
只测平行于仪器轴线方向
•
的流速。
• B．流速测量精度：均方差 •
≤1.5%。
• C．最小适用水深：≥2cm。 •
• D．电源：6V或12V。
•
• E．工作温度：0~45º
•
国外典型产品技术性能：
A．测速范围：±0.3、±1、±3、
±7m/s。
B ． 测 速 准 确 度 ：
±0.05%±0.1cm/s。
C．测量点与发射换能器距离：5、
10、15cm。
D．使用最小水深：2cm（用于只
测单向流速）、6cm和12cm
E．声波频率：>5MHZ。
F．工作环境：-5~45℃，水下为
0~40℃。
G．数据贮存：固态存贮六个月
以上（10分钟一次）。
H．数据通信：RS232、RS422。
I．电源：8~18VDC，220VAC。
电磁式点流速仪
利用电磁原理测量点流速。这类仪器在水中产
生一个人工磁场，水流流过此磁场，相当于电导
体切割磁力线，将在水流两侧产生感应电动势。
测量此电动势后可以计算出水流的平均流速。
特点：
——磁场只产生在仪器附近，测得的流速被
认为是 仪器所在处的点流速。
——仪器没有可动部件，不受水中杂质影响。
——水的电导会影响测速准确性。
某国外电磁流速仪技术指标
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•
流速范围： 0.000～2.5m/s
• 测流历时： 2,5,10,15,20,30,40,60s
• 精 度： 1%
• 零 飘：± 2.0mm/s
• 输 出： RS 232 C
• • 环境温度：－ 5℃～+60℃
• • 探头材料：环氧树脂
• • 重
量： 0.5kg
流速流量测量设备
•
•
•
•
•
水文测船
水文缆道
水文巡测车
水文测桥
涉水测流
缆道测流系统 • 主要技术指标
1 绞车控制：
性能
• 1）驱动电机：三相交流电机
•
•
•
•
•
•
•
．系统的主要功能：
• 2）行车速度：0～2m/s
(1) 自动半自动测流；
• 3） 限位控制：河底信号停车控
制， 测点定位自动停车控制。
(2) 手动测流功能；
2 缆道测距 光电增量编码传感器
(3) 人工录入数据功能；
• 1） 起点距测验（带缆道弧度修正）
(4) 测次流量报表计算功能；
• 计数显示、分辨力：0.1m
(5)断面流速分布图生成
• 2） 缆道测深（入水深）
(6) 断面测量动态跟踪示图 • 计数显示、分辨力：0.01m
功能；
• 3。 水文流速测算
• (7)缆道泥沙采样器控制信 • 适应范围：各种转子式流速仪 ；
号发生功能；
• 适应信号：交流音频信号或直流
• (8) 流量报表Email传输功
信号；
能；
• 显示参数：当前流速仪K值、历时
T、信号数N、流速V；
转子式流速仪等水下水文仪器
的信号传输方式
• 有线传输
• “无线”传输
• 无线电波传输
水深测量仪器设备
• 测深测具－测深杆和测深锤（测绳）
• 测深铅鱼－
• 回声测深仪－手持式超声波超深仪
船用超声波测深仪
缆道超声波测深仪
多波束超声测深系统
ADCP主要技术指标
1200 kHz
600 kHz
300 kHz
0
0.25
1.0
0.25
0.5
1.0
0.8
1.8
3.5
20
75
180
±3.0~±20.0
±3.0~±20.0
±5.0~±20.0
0
0.25
--
最小单元长（米）
0.01
0.1
--
最小剖面深（米）
0.3
0.7
--
最大剖面深（米）
4.0
8.0
--
流速量程（米/秒）
±1.0
±1.0
--
标准
盲区 （米）
工作
最小单元长（米）
模式
(Mode 1) 最小剖面深（米）
最大剖面深（米）
流速量程（米/秒）
浅水
工作
模式
(Mode
11)
盲区 （米）
声学时差法流量计适用范围
• 流速——－10米/秒~ +10米/秒,能自动判定流
向。
• 测速断面——宽度可达1000米，深宽比不小
于1/50。
• 流速测量的不确定度——1～3％。
• 影响测流的主要因素——声波频率、含沙量
（水草气泡）、测速层的相对水深、传感器
安装角度及距离的准确性等。
时差法流速流量计基本性能介绍
•
•
•
•
•
•
•
•
• 一种国外产品的技术性能
一种国产产品的基本性 • A．频率：28~200KHZ；
能：
• B．水中声道长度：1~1000m
⑵ 工 作 频 率 ： 50KH（或更长）；
100KH；
• C．测速范围：±10m/s；
⑶声道长度：0.5-400m；• D．测速准确度：±2%（在
⑷ 测 速 范 围 ： -4m/s声道上）；±5%（交叉声道
+4m/s；
工作方式）
⑸测速置信度：≥98%；• E ． 测 速 时 间 间 隔 ： 2 、
5~60min（5min间隔）；
⑺信号输出：RS232；
• F．输出：RS232和BCD码，0
⑻功耗：5-40W；
或4~20mA，0~5或10V，数字
⑼电源：24VDC、或
显示；
220VAC。
• G．电源：220VAC，工作功
耗35VA，值守功耗5VA。
声学时差法流量计的特性
• 可以用于各种大中小河流，能较准确地自动测量流
量 。流态紊乱，有正逆流的感潮河段也可以应用。
• 测量原理合理，能测得全断面一个或几个水层的平均
流速，测速准确度高。在国外，时差法流量计很早就
被较广泛地采用。HADCP是二十世纪末出现的、用于
中小河流的声学流量计。
• 使用时差法流量计要在河的两岸安装声学换能器，要
铺设很长的电缆，可能包括垮河电缆，并要有防雷保
护，可能有很多困难。
• 不要在水草较多的河道安装时差法流量计，声程上的
水草会阻挡声束传播，因光合作用水草冒出的气泡也
会阻挡声束传播。其它的水中声学仪器也会受此影响。
•
时差法流量计的测速性能优于 HADCP
• 测速准确性好——时差法测速时直接接收另一换能器
发射的声波，信号强，接收判别处理正确。直接测量
声脉冲传输时间，容易准确测量。多普勒法接收的是
水中气泡、颗粒漂浮物的杂乱回波，信号很弱，不利
于正确测量。 同时假定两对称点和断面上相应点的
流速是一致的，不易准确测量。
• 流速代表性好——时差法的声道 横过了整个断面。
HADCP往往只能测量岸边一部分断面的水层流速 。
• 应用范围大——时差法可以测得较低流速，并能在很
浅的水中工作 ，测速水层可宽达千米以上。而HADCP
对断面的宽深比有明确要求。常常只能测得数十米内
的流速。
• HADCP能测得流速的剖面分布信息，而时差法只能测
得整个声层上的平均流速。
声学多普勒流速流量计
这类仪器也应用多普勒原理测量流速，和座底式
ADCP类似。将声学传感器安装在测流断面底部，向上
方发射声波，测量断面上的流速分布，同时测得水位。
但它们能测量多于一条垂线的流速数据，用于渠
道、管道和小河时能直接得到流量。
特点：能直接测量流量。
适用于渠道、小河、非满管流的管道。
仪器类型：能测量两条垂线流速的ADFM。
能测量小型断面平均流速的多普勒流
速流量计。
电磁法测量流量
应用电磁流量计要在所测断面上布设一个能在整个
断面上产生磁场的大线圈，整个水流切割磁力线后
产生感应电动势，测量此电动势后得到水流速度，
再由断面面积计算流量。这种仪器国内应用极少。
特点： 能测量整个断面的平均流速。
自动化程度高。
测流系统复杂，布设线圈很困难。
只能用于渠道和少量小河。
测量水面流速的流速仪和流量
测量
•
只测量水面流速，再从表面流速推求垂线或断面平均
流速。然后，根据浮标法测流规定，由过水断面面积计
算流量。
特点：——测速时，仪器和人都不接触水流。适
用于巡 测、桥测、洪水、枯季河道流量测量。
——除浮标法外，能用于自动测量。
—— 流量测量的准确性不高。
测量水面流速的方法：浮标法
电波流速仪
扫描式雷达测速系统
电波流速仪简介
电波流速仪架在桥上或岸上，向水面发射微
波。利用水面反射微波的多普勒频移测量水面流
速，可以称为微波多普勒测速仪。超声波在空气
中传播时衰减很快，只能在水中测量。而微波在
空气中传播时衰减很小，因此电波流速仪可以在
陆上通过微波在空气中的传输测得水面流速，属
非接触式测量。
电波流速仪测得的是其发射接收天线对准水
面处的水面流速，也被认为是一个‘点流速’。
适用于较大流速。水面太平滑时，反射信号太
弱，也会影响测速。
扫描式雷达测速系统
• 将雷达扫描技术用于电波流速仪测速，就构
成了扫描式雷达测速系统。此系统可以固定
安装在岸上，扫描测量一片河面、海面上的
流速分布。还可装在直升飞机上在空中测量
难以到达地区的水面流速。
• 特点：能测得大量流速信息。
能测得较准确的流量。
用于河流的产品还在试用中。
“流速仪流量计”
•
这种方法也属于流速面积法测量流量。使用此方
法时，在渠道上人工建设一量水涵洞，变明渠水流
为涵洞管流，该涵洞过水断面面积是恒定的。在渠
道输水量变化范围内，涵洞始终是满管出流。这样，
只要测得涵洞内的平均流速就可测算流量。而涵洞
平均流速可以由涵洞相应位置的某点流速来推算。
因此，在量水涵洞内安装一台能长期工作且能自动
记录的流速仪，就构成了一台自记流量计。
• 特点：——简单实用，准确性好。
——可用于平原渠道，应用范围广。
——自动测记水量的方法简单可靠。
水位~流量关系法测量流量
• 利用河渠中的闸门、涵洞等水工建筑物，或专门构
建堰槽等量水建筑，找出这些量水建筑的上（下）
游水位和流量的关系，通过测量水位就可以得到流
量。一些河流、管道本身就具有稳定的水位流量关
系，可以通过测量水位（或比降）得到流量。
• 特点：只需测量水位，方法简单。
流量测量较准确，且能自动测量。
需要构建量水建筑，有一定工作量。
需要一定的水位落差，很多地方不能应用。
很多堰槽易淤积，影响使用。
谢谢
姚永熙 2012