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北京澳作生態(tài)儀器有限公司
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1.應(yīng)用
接觸式超聲流量計在水土保持、灌溉、污水排放等大流量場合時易發(fā)生磨損、沖走等問題。本系統(tǒng)由非接觸一體式超聲同時測得水位和流速，通過的流體模型算法依水位、流速及截面積參數(shù)計算出流量等參數(shù)并本地或云端顯示存儲。
優(yōu)點：
1）一類站測量精度；渠道截面形狀不限；測量范圍寬；
2）從近河床到滿位均能測量；可測正逆向流；
3）非接觸一體式傳感器置于岸或橋上，軟件準(zhǔn)確測出安裝位置；維護方便。
備注：
測量場所上下游需要有適當(dāng)長的直水道。
2. 系統(tǒng)組成
由一體式超聲傳感器、流體建模計算軟件、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及供電系統(tǒng)、ENVIdata云平臺組成。
2.1 測量原理
水位由垂直向超聲發(fā)射接收時間計算出來。河流表面水流速度主要利用河流湍流和涌流產(chǎn)生的短波布拉格散射信息進行演算。當(dāng)發(fā)射的雷達信號打到水表面時，因厘米波長面波后向散射作用，將產(chǎn)生多普勒頻移。在河水不流時，在厘米面波傳播方向上會產(chǎn)生正向和負(fù)向多普勒頻移，對于河流湍流散射而言，正向和負(fù)向多普勒頻移基本相等；而對于流動的河流，面波將隨水流向下游傳播，從而產(chǎn)生多普勒頻移疊加；通過對接收到的面波后向散射信號進行波譜分析即可獲取表層水流速度。然后，根據(jù)實測流速剖面，將河流表層水流速度轉(zhuǎn)換成平均流速。
具體使用雷達流速儀測速時，儀器常需架設(shè)在纜道、岸上或橋上。測流時雷達表面流速儀發(fā)射的微波斜向射到待測水體的水面上。 由于有一定斜度，所以部分波能量被水體吸收，一部分折射或散射損失掉； 但有一小部分微波水面波浪的迎波面反射回來，產(chǎn)生的多普勒頻移信號被 儀器天線接收。儀器測出反射信號和發(fā)射信號的頻率差，就可以計算出水面流速。
雷達表面流速儀實際測到是波浪流速，故計算時的重要假設(shè) 為水體的表面是波浪的載體，兩者流速相同。θ1 為俯仰角 θ2 為方位角；e: 為放大破浪反射示意圖。依照 DOPPLER 原理，反射后頻移頻率與發(fā)射頻率關(guān)系如下：
式中：C2 = 電磁波在空氣中傳播速度(3 × 108 m/s)；θ = 發(fā)射波與水流方向的夾角，為俯角和方位角的合成。由上式可得：
2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
系統(tǒng)由數(shù)采、機箱、供電系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)等組成，DT系列數(shù)據(jù)采集器是一款低溫、低能耗、帶液晶顯示的數(shù)據(jù)采集器，具有支持U盤、18位分辨率、通訊性能可擴展及內(nèi)嵌顯示屏等特性。
DT82I支持SCADA系統(tǒng)的Modbus、 FTP和Web接口、具有可控12V電源為傳感器供電。工作溫度可達-45℃。
采集器采集和存儲的數(shù)據(jù)可通過通訊系統(tǒng)遠(yuǎn)傳或下載到U盤。
2.3 ENVIdata數(shù)據(jù)云平臺
通過GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到 (中國生態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng))物聯(lián)網(wǎng)站上，通過對監(jiān)測的生態(tài)環(huán)境因子的時序變化和相關(guān)性分析，確定監(jiān)測對象的變化模型。
ENVIdata 服務(wù)器軟件既可以作為獨立的應(yīng)用軟件運行在用戶固定IP地址的服務(wù)器上；也可以運行在澳作公司安全的服務(wù)器上，客戶通過客戶端軟件遠(yuǎn)程訪問各自的專屬數(shù)據(jù)、監(jiān)測運行設(shè)備狀態(tài)或遠(yuǎn)程修改運行程序。
3. 流體建模計算軟件
軟件通過輸入流經(jīng)渠道的刨面形狀細(xì)節(jié)、表面粗糙度、傳感器位置等參數(shù)由內(nèi)置算法得到各深度水流速度，進而算出截面流量，軟件生成的代碼只需下載到傳感器中執(zhí)行而不必始終連接PC.
4. 傳感器布設(shè)及采集
傳感器置于岸或橋水面以上，通過可視頻譜選擇安裝位置，系統(tǒng)通過太陽能供電并做防雷處理。測量間隔時間設(shè)定范圍：15 s 到 5 h 可調(diào)；一次測量流速數(shù)據(jù)輸出方式：1）移動平均2）去除大數(shù)平均3）最小值平均4）中值平均
5. 觀測指標(biāo)
流量、截面平均流速、表面實時流速、水位、信噪比、 截面面積等
6. 技術(shù)參數(shù)
6.1 非接觸式復(fù)合超聲傳感器指標(biāo)：
1、測量原理：超聲測高、測流速
2、適應(yīng)水流方向：順流、逆流可選
3、河流/渠道類型可選：
1) 極平緩一致水面；2）一般平緩河流/渠道
3）一般性河流/渠道；4）湍急性河流/渠道
5）極湍急性河流/渠道；6）飛濺性水流
4、適應(yīng)氣候條件：全天候工作，適合在暴雨和暴雪天氣工作，無雨衰
5、控制方式：硬件觸發(fā)、軟件協(xié)議并行控制，自由開始、停止測量動作
6、數(shù)據(jù)采集時間：0 到 240 s 可調(diào)
9、雷達波束角：6.5°x 5.5o @ -3dB point，發(fā)射功率 50 毫瓦。
10、雷達垂直方向角度調(diào)整范圍：30-60°（自動補償） ，常規(guī)測流方向角：58-61 度
11、垂直角度跟蹤分辨率和精度：分辨率 0.1°；精度 1°
12、雷達探頭距離水面距離：0.5 m 到 70 m（安裝高度 100 米）
13、流速測量范圍：0.15 m to 15 m/s；水位測量：標(biāo)配 15 米，可選 30 米或外接 70 米
14、分辨率和誤差：±0.02 m/s; ±1 %
15、可選數(shù)字接口：RS-485
21、自動輸出結(jié)果：流量、斷面平均流速、表面實時流速、水位、信噪比、 斷面面積等、可設(shè)置多種通訊協(xié)議。
22、流量精度：在斷面規(guī)整流速分布一致情況下達到一類站測量精度
23、信號質(zhì)量直接圖形顯示
24、自動生成不同水位級綜合 K 值表、斷面 K 值線、綜合流速、水位、流量過程線、斷面沖淤變化報警
25、斷面分水位級細(xì)化慥率精確調(diào)整，將斷面中不同河床質(zhì)根據(jù)實際分布寬度劃分開，分別根據(jù)其性質(zhì)確定糙率。然后，再以他們各自對應(yīng)的過水面 積為權(quán)重，加權(quán)平均求出平均糙率，根據(jù)垂線所在位置糙率，加上其左、 右兩邊高、低糙率之間通過水流梯度力產(chǎn)生的影響，最后用推理加實驗的 方法得出糙率公式。
27、電源：5.5 - 30 VDC
28、電源保護：具有電源接錯和過壓保護功能
29、電 流： 130 mA（測量時）
30、休眠時：小于 1mA
31、工作溫度：-35℃~ +60℃
32、存儲溫度：-40° C~ 60 °C
33、內(nèi)置防雷標(biāo)準(zhǔn)： 0.6 kW Ppp
34、野外防護等級：IP 68
35、抗雨干擾：在250毫米/小時雨強或更大條件下，流量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性一致性好
36、自帶學(xué)習(xí)功能，在無實測數(shù)據(jù)情況下外延水位流量關(guān)系，推算流量。
6.2 數(shù)據(jù)采集器技術(shù)指標(biāo)
掃描速率：25Hz
處理器：采用18位A/D轉(zhuǎn)換器,精度±0.025%
存儲：128Mb可無限擴展，內(nèi)存可存儲130,000個讀數(shù)，可使用PC卡或閃存可（可存儲65,000個讀數(shù)）
U盤存儲：兼容USB1.1或USB2.0驅(qū)動，每兆約90,000采集數(shù)字點
LCD液晶顯示,2線16字母的LCD液晶顯示和6個按鍵用于查看通道及數(shù)采狀態(tài)和功能執(zhí)行
通訊：RS232、USB、以太網(wǎng)等
采樣間隔：10ms至天，可自定義
工作溫度范圍-45~70℃
時鐘精準(zhǔn)度：約±1分鐘/年0-40℃；約±4分鐘/年-40-70℃
供電電壓：10~30VDC
工作濕度85%（無水汽凝結(jié)）
模擬輸入：2-6個單端通道（4個差分）
脈沖通道：8個
數(shù)字I/O口：4個
7. 參考文獻
1.“小開河引黃灌區(qū)超聲波測流應(yīng)用研究"，張永云，王景元，龐啟航，岳青
2.“計量及遠(yuǎn)程監(jiān)測在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用"，朱偉，李海鵬，關(guān)洪溪
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