水文監(jiān)測儀器(流速流量).ppt

流速流量監(jiān)測儀器 流速測量儀器設(shè)備 流量測量儀器設(shè)備 流速儀器分類 測量點(diǎn)流速的流速儀 轉(zhuǎn)子式流速儀 聲學(xué)點(diǎn)流速儀 電波流速儀 電磁點(diǎn)流速儀 光學(xué)流速儀 激光流速儀 測量剖面流速的流速儀 聲學(xué)多普勒剖面流速儀 聲學(xué)時差法流速儀 掃描式電波流速儀 電磁流速儀 按流量測量方法的原理分類 流速面積法 河流流量測驗(yàn)規(guī)范 聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范 水文測船測驗(yàn)規(guī)范 水文纜道測驗(yàn)規(guī)范 動船法測流 水位 流量關(guān)系法 水工建筑物與堰槽測流規(guī)范 原水工建筑物測流規(guī)范 堰槽測流規(guī)范 比降 面積法測流規(guī)范 示蹤劑法 國內(nèi)基本不應(yīng)用 容積法 可用于潮汐影響河段 示蹤劑法也被稱為稀釋法 其原理是 將某種物質(zhì) 示蹤劑 連續(xù)均勻 或一次性將一定量的示蹤劑突然注入水流中 在水流下游測量水中該示蹤劑的含量 或測量該示蹤劑含量的變化過程 從而推算流量 應(yīng)用方法 一次投入法 連續(xù)投入法 應(yīng)用的示蹤劑 放射性示蹤劑 測量放射性射線 粒子化學(xué)示蹤劑 氯化鈉 碘 鋰 錳鹽熒光示蹤劑 示蹤劑法簡介 流速面積法測量流量 按測量流速的方法和儀器的不同 可以分為 1 測量點(diǎn)流速的流速面積法 使用各種點(diǎn)流速儀2 測量剖面流速的流速面積法 使用剖面流速儀 主要是聲學(xué)流速儀 3 測量表面流速的流速面積法 使用電波流速儀 浮標(biāo) 測量點(diǎn)流速的流速儀 轉(zhuǎn)子式流速儀 應(yīng)用最普遍 也是最準(zhǔn)確的流速儀 儀器使用旋槳 旋杯式轉(zhuǎn)子感應(yīng)流速 測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 計算水流速度 聲學(xué)點(diǎn)流速儀 應(yīng)用聲學(xué)多普勒原理測量儀器所在點(diǎn)的水流速度 電磁點(diǎn)流速儀 應(yīng)用電磁測速原理測量點(diǎn)流速電波流速儀 應(yīng)用電磁波的多普勒測速原理測量水面點(diǎn)流速光學(xué)流速儀 由望遠(yuǎn)鏡和旋轉(zhuǎn)鏡頭為主要組成的測量水面高流速的一種頻閃裝置 激光流速儀 應(yīng)用光學(xué)多普勒原理測量點(diǎn)流速 常用的轉(zhuǎn)子式流速儀 ls25 1型旋槳式流速儀ls25 3型旋槳式流速儀ls20型旋槳式流速儀ls1206型旋槳式流速儀ls68型旋杯式流速儀ls78型旋杯式低流速儀ls45型旋杯式淺水低流速儀 聲學(xué)點(diǎn)流速儀 利用多普勒原理測量點(diǎn)流速 儀器的傳感器發(fā)射超聲波 接收儀器前方或下方一固定點(diǎn)處的反射波 測出其多普勒頻移 計算流速 特點(diǎn) 這類儀器沒有可動部件 可以長期安裝在水中 自動測記點(diǎn)流速 可以測出流速的方向 可以測出垂直于斷面的流速分量 應(yīng)用多普勒原理測速示意圖 i1發(fā)射的頻率為f0的輻射波經(jīng)兩次多普勒頻移后被i2所接收 i2接收到的反射波的頻率為f 則多普勒頻移fd為式中 c 輻射波的傳播速度 1 2 分別為v和i1a i2a連接線的夾角儀器固定后 c 1 2 f0均為常數(shù) 于是可得由此可知 流速v與fd呈線性關(guān)系 這是反射式多普勒測速的基本公式 實(shí)際使用時 將水中的懸浮物或小氣泡作為反射體 測得其運(yùn)動速度 也就認(rèn)為測得了流速 多普勒點(diǎn)流速儀性能 國內(nèi)有過這類產(chǎn)品 其性能如下 a 測速范圍 0 01 5m s 只測平行于儀器軸線方向的流速 b 流速測量精度 均方差 1 5 c 最小適用水深 2cm d 電源 6v或12v e 工作溫度 0 45 國外產(chǎn)品技術(shù)性能 a 測速范圍 0 3 1 3 7m s b 測速準(zhǔn)確度 0 5 左右 c 測量點(diǎn)與發(fā)射換能器距離 5 10 15cm d 使用最小水深 2cm 用于只測單向流速 6cm和12cme 聲波頻率 5mhz f 工作環(huán)境 5 45 g 數(shù)據(jù)貯存 固態(tài)存貯六個月以上 10分鐘一次 h 數(shù)據(jù)通信 rs232 rs422 i 電源 8 18vdc 220vac 電磁式點(diǎn)流速儀 利用電磁感應(yīng)原理測量點(diǎn)流速 這類儀器在水中產(chǎn)生一個人工磁場 水流流過此磁場 相當(dāng)于電導(dǎo)體切割磁力線 將在水流兩側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 測量此電動勢后可以計算出水流的平均流速 特點(diǎn) 磁場只產(chǎn)生在儀器附近 測得的流速被認(rèn)為是儀器所在處的點(diǎn)流速 儀器沒有可動部件 不受水中雜質(zhì)影響 水的電導(dǎo)會影響測速準(zhǔn)確性 某國外電磁流速儀技術(shù)指標(biāo) 流速范圍 0 000 2 5m s 測流歷時 2 5 10 15 20 30 40 60s 精度 1 零飄 2 0mm s 輸出 rs232c 環(huán)境溫度 5 60 探頭材料 環(huán)氧樹脂 重量 0 5kg 流速流量測量設(shè)備 水文測船水文纜道水文巡測車水文測橋涉水測流 纜道測流系統(tǒng)性能 系統(tǒng)的主要功能 1 自動半自動測流 2 手動測流功能 3 人工錄入數(shù)據(jù)功能 4 測次流量報表計算功能 5 斷面流速分布圖生成 6 斷面測量動態(tài)跟蹤示圖功能 7 纜道泥沙采樣器控制信號發(fā)生功能 8 流量報表email傳輸功能 主要技術(shù)指標(biāo)1絞車控制 1 驅(qū)動電機(jī) 三相交流電機(jī)2 行車速度 0 2m s3 限位控制 河底信號停車控制 測點(diǎn)定位自動停車控制 2纜道測距光電增量編碼傳感器1 起點(diǎn)距測驗(yàn) 帶纜道弧度修正 計數(shù)顯示 分辨力 0 1m2 纜道測深 入水深 計數(shù)顯示 分辨力 0 01m3 水文流速測算適應(yīng)范圍 各種轉(zhuǎn)子式流速儀 適應(yīng)信號 交流音頻信號或直流信號 顯示參數(shù) 當(dāng)前流速儀k值 歷時t 信號數(shù)n 流速v 轉(zhuǎn)子式流速儀等水下水文儀器的信號傳輸方式 有線傳輸 無線 傳輸無線電波傳輸 水深測量儀器設(shè)備 測深測具 測深桿和測深錘 測繩 測深鉛魚 回聲測深儀 手持式超聲波超深儀船用超聲波測深儀纜道超聲波測深儀多波束超聲測深系統(tǒng) 測量剖面流速的流速儀及流量測量 測量剖面流速的儀器 一 聲學(xué)多普勒流速剖面儀 adcp adp rdcp flowquest等 1 走航式adcp2 固定式 水平式adcp 座底式adcp 水面式adcp 二 聲學(xué)時差法流速流量測量系統(tǒng)三 聲學(xué)多普勒流速流量計四 電磁流量計 adcp應(yīng)用方式示意圖 adcp走航 流量 測量 adcp在走航測量中測量如下數(shù)據(jù) 水的相對速度 相對于船的速度 由 水跟蹤 測出 船速 由 底跟蹤 測出 或由gps算出 水深 由河底回波強(qiáng)度測出 類似于回聲測深儀 船的航行軌跡 由船速和計時數(shù)據(jù)算出 或由gps算出 adcp主要技術(shù)指標(biāo) 應(yīng)用相控陣技術(shù)的河流adcp 制造商認(rèn)為 應(yīng)用相控陣技術(shù)的adcp可達(dá)到以下技術(shù)性能 平面相控陣換能器由2592個壓電陶瓷單元組成 頻率 600khz測速范圍 5m s 或 20m s 測速準(zhǔn)確度 0 3 2mm s 單元數(shù) 自動選擇 最多200剖面范圍 0 4 40m 河底跟蹤速度范圍 9 5m s 河底跟蹤速度準(zhǔn)確度 0 3 2mm s 水深測量范圍 70m 15 淡水 水深測量準(zhǔn)確度 1 溫度測量范圍 5 45 溫度測量準(zhǔn)確度 0 4 傾斜度測量范圍 15 傾斜度測量誤差 0 5 方位測量范圍 0 359 99 方位測量誤差 2 adcp走航測得的斷面流速分布圖 hadcp測流系統(tǒng)水平adcp 即h adcp 安裝在河流或渠道的岸邊 水平發(fā)射波束涵蓋部分或整個寬度的水體 根據(jù)測得的一個水層的流速分布數(shù)據(jù) 結(jié)合 回歸法 或 流速一面積法 能實(shí)時測量并記錄河流或渠道的剖面流量 配合各種通訊手段 將測得的流量數(shù)據(jù)發(fā)至指定地點(diǎn) 構(gòu)成實(shí)時流量測量系統(tǒng) 用hadcp進(jìn)行流速流量自動監(jiān)測 rtdm 實(shí)時流量遙測系統(tǒng) 系統(tǒng)組成 流速測量h adcp 水位測量 數(shù)據(jù)采集器 或用計算機(jī) 采樣控制流量計算數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳 電話gsm衛(wèi)星uhf 中心站 時差法測速原理 當(dāng)水體狀況一定時 超聲波的傳播速度是一定的 順?biāo)鱾鞑r 實(shí)際傳播速度為聲速加上水流速度 逆水傳播時 實(shí)際傳播速度為聲速減去水流速度 于是 在河流上 下游兩岸二固定點(diǎn)之間 聲波順?biāo)湍嫠畟鞑ニ钑r間有一差別 測出這時間差就能測得水流速度 時差法流速流量計算 式中 v 垂直于測流斷面的水層平均流速 l 兩換能器之間的距離 t12 兩換能器之間聲波順?biāo)畟鬏敃r間 t21 兩換能器之間聲波逆水傳輸時間 兩換能器之間聯(lián)線與斷面夾角 一般為45 時差法應(yīng)用示意圖 交叉聲道 可測流向 單聲道 不測流向 響應(yīng)式 不需過河電纜 雙層聲道 用于水深斷面 時差法反射測速原理 聲學(xué)時差法流量計適用范圍 流速 10米 秒 10米 秒 能自動判定流向 測速斷面 寬度可達(dá)1000米 深寬比不小于1 50 流速測量的不確定度 1 3 影響測流的主要因素 聲波頻率 含沙量 水草氣泡 測速層的相對水深 傳感器安裝角度及距離的準(zhǔn)確性等 時差法流速流量計基本性能介紹 一種國產(chǎn)產(chǎn)品的基本性能 工作頻率 50kh 100kh 聲道長度 0 5 400m 測速范圍 4m s 4m s 測速置信度 98 信號輸出 rs232 功耗 5 40w 電源 24vdc 或220vac 一種國外產(chǎn)品的技術(shù)性能a 頻率 28 200khz b 水中聲道長度 1 1000m 或更長 c 測速范圍 10m s d 測速準(zhǔn)確度 2 在聲道上 5 交叉聲道工作方式 e 測速時間間隔 2 5 60min 5min間隔 f 輸出 rs232和bcd碼 0或4 20ma 0 5或10v 數(shù)字顯示 g 電源 220vac 工作功耗35va 值守功耗5va 聲學(xué)時差法流量計的特性 可以用于各種大中小河流 能較準(zhǔn)確地自動測量流量 流態(tài)紊亂 有正逆流的感潮河段也可以應(yīng)用 測量原理合理 能測得全斷面一個或幾個水層的平均流速 測速準(zhǔn)確度高 在國外 時差法流量計很早就被較廣泛地采用 hadcp是二十世紀(jì)末出現(xiàn)的 用于中小河流的聲學(xué)流量計 使用時差法流量計要在河的兩岸安裝聲學(xué)換能器 要鋪設(shè)很長的電纜 可能包括垮河電纜 并要有防雷保護(hù) 可能有很多困難 不要在水草較多的河道安裝時差法流量計 聲程上的水草會阻擋聲束傳播 因光合作用水草冒出的氣泡也會阻擋聲束傳播 其它的水中聲學(xué)儀器也會受此影響 時差法流量計的測速性能優(yōu)于hadcp測速準(zhǔn)確性好 時差法測速時直接接收另一換能器發(fā)射的聲波 信號強(qiáng) 接收判別處理正確 直接測量聲脈沖傳輸時間 容易準(zhǔn)確測量 多普勒法接收的是水中氣泡 顆粒漂浮物的雜亂回波 信號很弱 不利于正確測量 同時假定兩對稱點(diǎn)和斷面上相應(yīng)點(diǎn)的流速是一致的 不易準(zhǔn)確測量 流速代表性好 時差法的聲道橫過了整個斷面 hadcp往往只能測量岸邊一部分?jǐn)嗝娴乃畬恿魉?應(yīng)用范圍大 時差法可以測得較低流速 并能在很淺的水中工作 測速水層可寬達(dá)千米以上 而hadcp對斷面的寬深比有明確要求 常常只能測得數(shù)十米內(nèi)的流速 hadcp能測得流速的剖面分布信息 而時差法只能測得整個聲層上的平均流速 聲學(xué)多普勒流速流量計 這類儀器也應(yīng)用多普勒原理測量流速 和座底式adcp類似 將聲學(xué)傳感器安裝在測流斷面底部 向上方發(fā)射聲波 測量斷面上的流速分布 同時測得水位 但它們能測量多于一條垂線的流速數(shù)據(jù) 用于渠道 管道和小河時能直接得到流量 特點(diǎn) 能直接測量流量 適用于渠道 小河 非滿管流的管道 儀器類型 能測量兩條垂線流速的adfm 能測量小型斷面平均流速的多普勒流速流量計 電磁法測量流量 應(yīng)用電磁流量計時需要在所測斷面上布設(shè)一個能在整個斷面上產(chǎn)生磁場的大線圈 整個水流切割磁力線后產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 測量此電動勢后得到水流速度 再由斷面面積計算流量 這種儀器國內(nèi)應(yīng)用很少 特點(diǎn) 能測量整個斷面的平均流速 自動化程度高 測流系統(tǒng)復(fù)雜 布設(shè)線圈很困難 只能用于渠道和少量小河 測量水面流速的流速儀和流量測量 只測量水面流速 再從表面流速推求垂線或斷面平均流速 然后 根據(jù)浮標(biāo)法測流規(guī)定 由過水?dāng)嗝婷娣e計算流量 特點(diǎn) 測速時 儀器和人都不接觸水流 適用于巡測 橋測 洪水 枯季河道流量測量 除浮標(biāo)法外 能用于自動測量 流量測量的準(zhǔn)確性不高 測量水面流速的方法 浮標(biāo)法電波流速儀掃描式雷達(dá)測速系統(tǒng) 電波流速儀簡介 電波流速儀架在橋上或岸上 向水面發(fā)射微波 利用水面反射微波的多普勒頻移測量水面流速 可以稱為微波多普勒測速儀 超聲波在空氣中傳播時衰減很快 只能在水中測量 而微波在空氣中傳播時衰減很小 因此電波流速儀可以在陸上通過微波在空氣中的傳輸測得水面流速 屬非接觸式測量 電波流速儀測得的是其發(fā)射接收天線對準(zhǔn)水面處的水面流速 也被認(rèn)為是一個 點(diǎn)流速 適用于較大流速 水面太平滑時 反射信號太弱 也會影響測速 掃描式雷達(dá)測速系統(tǒng) 將雷達(dá)掃描技術(shù)用于電波流速儀測速 就構(gòu)成了掃描式雷達(dá)測速系統(tǒng) 此系統(tǒng)可以固定安裝在岸上 掃描測量一片河面 海面上的流速分布 還可裝在直升飛機(jī)上在空中測量難以到達(dá)地區(qū)的水面流速 特點(diǎn) 能測得大量流速信息 能測得較準(zhǔn)確的流量 用于河流的產(chǎn)品還在試用中 測流堰槽 可用于測流目的的建筑物類型如下 1 薄壁堰 1 矩形堰 2 v形堰 2 寬頂堰 1 圓緣寬頂堰 2 矩形寬頂堰 3 v形寬頂堰 3 三角形剖面堰 4 流線型三角形剖面堰 5 平坦v形堰 6 測流槽 1 矩形槽 2 梯形槽 3 u形喉道槽 4 巴歇爾和孫奈利槽 7 末端深度法 1 矩形河槽 2 非矩形河槽 近似法 8 梯形剖面堰 應(yīng)用中影響堰槽測流不確定性的因素 1 水位測量因素可能要求水位測量分辨力為1 0mm或更高 水位測量不確定度應(yīng)小于20 最大流量所對應(yīng)水頭的1 水位測量誤差應(yīng)要求在 3 5mm以下 否則將產(chǎn)生相應(yīng)的附加誤差 2 堰槽形狀誤差因素堰槽形狀尺寸要求很高 薄壁堰堰口要求更嚴(yán)格 可能產(chǎn)生的形狀 尺寸誤差 使得水位 流量關(guān)系有所變化 造成附加誤差 3 應(yīng)用環(huán)境影響堰槽對斷面上 下游河道以及水位比降有具體要求 對安裝也有嚴(yán)格要求 現(xiàn)場應(yīng)用時 加上堰槽中泥沙沉積 水生植物和藻類生長等因素都將對流量測量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響 4 現(xiàn)場率定的影響堰槽流量測量都可能需要現(xiàn)場率定一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 實(shí)測流量時常用的流速儀面積法 其本身的流量測量不確定度最高也只能達(dá)到3 5 如果水位測量分辨力是1cm 更可能影響流量率定的不確定度 水工建筑物測流 水工閘門測流 測量閘上水位和閘門過水?dāng)嗝婷娣e 閘寬和閘門開啟高度 根據(jù)經(jīng)測定的水位流量關(guān)系 得到流量 也可能要測量閘下水位 涵洞測流