专利名称：明渠超声流量测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于超声流量测量技术领域，具体涉及到一种明渠超声流量 系统。该流量测量系统可以应用于开渠、河流等的流量计量。
背景技术：
随着人口增长、经济发展和人民生活水平提高，水资源日益成为关系国 计民生的战略资源。对水资源的调查、评估以及有计划合理利用已经成为国 家的重要职能。因此，对水资源的计量，尤其是河流和渠道的水流量计量， 具有重要意义。目前明渠或河流流量测量的主要方法有液位法与流速面积法。 液位法主要依据水力学基本原理，当水流过标准的槽或堰(典型的如帕 歇尔槽、三角堰、矩形堰、等宽薄壁堰)时，流量与液位高度成一定的函数 关系，通过测量流过标准断面的液位，换算成流量。液位测量可以是手工目 测，也可以利用超声波测位进行自动测量。这类方法的流量测量精度通常为 ±3%左右。其优点是测量简单，精度较高；缺点是对于横断面较宽的渠道或 河道施工比较困难，工程量很大，长期使用，受泥沙沉积影响，精度会下降。 流速面积法同时测量渠道或河道的横断面上的平均流速和液位，根据液 位得到横截面积，从而计算流量。根据测量原理不同可分为手工铅鱼式和自 动测量式；根据工作方式不同可分为长期固定式和走航式；根据流速测量方 法不同又可分为单点(单通道)式与多点(多通道)式。目前比较常用的自 动测量方法主要是利用超声时差法或超声多普勒法测量单点(单通道)或多点(多通道)平均流速，同时利用压力传感器或者超声波测量液位。超声时差法采用单通道或多通道超声测量河道或渠道横断面上不同深度 层的平均流速，同时测量液位，4艮据速度和液位计算流量。液位测量精度可达±0.5%，流速精度可达±1%,测量河渠上口宽度可达数百米。其优点是可 以对很宽的河道或渠道进行测量，但由于通道数有限，流量测量精度通常不 高，液位很低时无法正常测量，而且成本高昂，安装施工难度大。超声多普勒法利用多普勒原理测量沿河道或渠道方向的流速，并用超声 波或者压力传感器测量液位。根据测速方式分为单点式、多点式和ADCP;根 据工作方式分为走航式和固定式。单点固定式超声多普勒流速仪利用多普勒原理测量河道或渠道内某点的 流速代替横断面的平均流速；单点走航式则通过走航测量完成整个河道或渠 道横断面多点流速测量，并计算整个断面的平均流速；多点式超声多普勒流 速仪在河道或渠道横断面上固定布放多个单点流速仪，测量多点的流速，以 此计算横断面的平均流速；固定式ADCP通过测量沿河道或渠道横断面方向(宽 度方向)的分层流速，计算平均流速；走航式ADCP则通过走航测量，获得沿 宽度方向不同位置处的深度分层流速，据此计算整个断面的平均流速。由此 可见，通常走航式ADCP测量点密度高于固定式ADCP，固定式ADCP测量点密度高于单点走航式，单点走航式测量点密度高于多点固定式，多点固定式测 量点密度高于单点固定式。因此，理论上走航式ADCP流量测量精度最高，固 定式ADCP精度次之，单点走航式又次之，多点固定式再次之，单点固定式测 量精度最低，但与此同时，设备复杂度、测量过程复杂度以及设备成本也依 次由高到低。走航式测量过程复杂，单次测量成本很高，只适用于临时测量； ADCP测流设备复杂度和成本均很高，用户难以承受。综上所述，在精度允许的条件下，单点固定式或多点固定式超声多普勒 流速测量设备既能满足长期连续监测的需要，又能节约成本，经济实用，是 目前河流或渠道流量测量的主流。
现有单点固定式超声流量测量系统主要采用水下一体式或探头水下式来 实现。水下一体式将所有的测量和存储设备均置于水下，只有电源和通讯接 口置于水上，定期人工取走数据并给电池充电，这种方式的缺点是用户无法 直观判断设备正常与否， 一旦设备故障或电源不足，就会丢失数据，另外， 显示不直观，用户修改设备参数也很不方便。探头水下式则仅将超声波换能 器和必要的前置放大电路置于水下，而信号处理部分置于水上，这种方式往 往只适用于便携使用。其缺点是当河道或渠道较宽时，信号传输距离较大， 因而衰减很大，信噪比很低，而且共地问题解决不好，容易损坏仪器。
本实用新型就是单点固定式测流方式的一种新的实施方案。
实用新型内容
本实用新型克服了水下一体式流量计故障报警不及时、实时显示不直观、 参数修改不方便的缺点，以及探头水下式流量计电缆距离短，不能适用于宽 度较大河流或渠道的缺点，流量测量系统采用水上水下分体式结构。水上部
分为主控设备，负责电源供电、数据存储和传输、显示、^t艮警等任务；水下 部分为测量设备，负责液位、平均流速的测量。二者通过485 口进行通信， 完成控制命令与数据传输。
本实用新型的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的 (1)本系统包括水上和水下两个部分；水上部分为主控设备，水下部分 为测量设备；(2) 主控部分包括电源模块、显示模块、存储模块以及通信模块；
(3) 测量部分包括电源模块、超声波发射模块、超声波接收模块、多普 勒信号检测模块、压力传感器液位测量电路模块、温度测量模块、 信号处理模块以及通信模块；
(4) 主控设备和测量设备之间通过485 口进行通信连接。主控设备通过 485 口向测量设备发出测量指令；测量设备则通过485 口将测量结 果返回给主控设备；
(5) 主控设备在测量时向水下模块供电，而其它时间则关掉电源，以降 低功耗；
(6) 测量设备在上电后接收主控设备指令，开始测量。利用超声多普勒 法测量平均流速，通过压力传感器测量液位，同时测量水温，利用 流速面积法计算瞬时流量和累积流量；测量结果返回给主控设备 后完成一次测量；
(7) 测量设备的超声波探头、压力传感器、温度传感器均采用分体式结 构，可以独立测试，易于标准化和更换；
(8) 主控设备将当前测量结果存储、显示，出现故障时报警，并通过无 线或有线通信设备发送到指挥中心；
(9) 指挥中心通过无线或有线设备随时调取历史资料、修改当前参数， 并对测量数据进行后处理。
本实用新型的技术效果有
(1) 由于采用分体式结构，相对于水下一体式结构，可以及时显示当前 工作状态，发现故障及时报警，并可以随时修改仪器工作参数；
(2) 主控部分在测量时才给水下模块供电，有利于减少功耗；(3 ) 485 口通信可以传输较大距离，相对于4笨头水下式结构，本系统可
以适用于较大宽度的河流或渠道的测量； (4 )水上设备可以通过有线或无线方式与指挥中心连接，方便指挥中心
随时调取历史资料、查询当前状态、修改工作参数，并有利于组网； (5)分体式超声波探头、压力传感器、温度传感器使得独立调试更加容
易，易于标准化生产。
以下结合附图，对本实用新型做出详细描述。 图l为本实用新型水下部分的功能模块示意图； 图2为本实用新型水上部分的功能模块示意图； 图3为本实用新型整体外形示意图。
具体实施方式
参考
图1、图2、图3,本实用新型实现一个水上水下分体式结构的明渠 超声流量测量系统。包括
参考图1,水下部分电源模块12给整个电路供电，信号处理器ll产生 发射控制信号，由信号发生器13生成发射信号波形，经过功率放大器14放 大后，由超声发收换能器T向水中辐射超声波；水中粒子或气泡产生的散射 回波信号由超声换能器R接收，经过信号放大器15放大到一定幅度，由检波 器16检出多普勒信号，输入到信号处理器11进行频谱分析，获得多普勒信 号的频谱，并据此计算平均流速；另外压力传感器17、温度传感器16分别产 生液位和温度信号，馈送到信号处理器ll,据此得到液位与温度。参考图2,图3，水上部分由电池28向电源才莫块22供电，产生电路所 需要的各种电源，主控器21完成整个系统的管理，通过按键控制25,接受按 键38的各种参数设置和手动操作指令，按照设定参数通过通信模块26向水 下部分发送命令，完成测量，接收测量结果，并将测量结果存储在存储模块 24中，同时通过显示模块23将结果显示在数码显示器39上；主控器21还可 以通过通信4莫块27外接计算机或者MODEM,与控制中心连接。
参考图3,显示了整个测量系统的外形结构。水下部分由外壳31,上盖 板32形成密封仓33，密封仓是放置电路板的所在，超声波探头安装在密封仓 的前端的斜槽35内，同时在密封仓前端还设有压力传感器仓34,密封仓的后 端设有开孔36用于穿设电缆37连接到水上部分；水上部分封装在仪表箱内， 仪表面板上设有4务建38和显示数码管39，用于参数设置和结果显示。
综上所述，本实用新型公开了一种明渠超声流量测量系统及其实现方法。 上面描述的应用场景和实施例，并非用于限定本实用新型，任何本领域技术 人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此 本实用新型的保护范围视权利要求范围所界定。
权利要求1. 一种明渠超声流量测量系统，包括水下部分和水上部分，水下部分为测量设备，水上部分为控制设备，二者通过电缆连接，其特征在于水下部分由超声多普勒流速测量模块、液位测量模块、温度测量模块以及通信模块组成，水上部分由供电模块、存储模块、显示模块以及通信模块组成，水上部分和水下部分利用485口进行通信，水下部分由水上部分通过电缆供电，在测量时供电，测量间隙断电。
2、 如权利要求1所述的明渠超声流量测量系统，其特征在于水下测量 模块密封于密封仓内，通过电缆与水上部分连接。
3、 如权利要求1所述的明渠超声流量测量系统，其特征在于水上部分 仪表面板上设有按键和显示数码管，用于输入参数、命令以及显示结果，仪 表外壳上留有通信接口 ，用于外扩无线或有线MODEM。
专利摘要本实用新型提供一种明渠超声流量系统，属于超声流量计领域。本系统包括水上和水下两个部分；水上部分为主控设备，水下部分为测量设备；二者通过485口通信连接。本系统利用超声多普勒原理测量流速，利用压力传感器测量液位，同时测量水温。本系统的结构设计支持随时修改仪器工作参数，及时显示当前工作状态，发现故障及时报警；有利于减少功耗；适用于较大宽度的河流或渠道的测量；分体式超声波探头、压力传感器、温度传感器使得独立调试更加容易，易于标准化生产。本系统可以应用于开渠、河流等的流量计量。
文档编号G01F1/66GK201133828SQ20062011935
公开日2008年10月15日 申请日期2006年8月30日 优先权日2006年8月30日
发明者张汉松, 樊建明 申请人:北京金水中科科技有限公司;中国灌溉排水发展中心