一种渠道流量监测系统的制作方法

1.本发明涉及民用水利领域，尤其涉及一种渠道流量监测系统。


背景技术：

2.随着城市的扩张、农业及工业的不断发展，对水的需求量也越来越大，因此需要及时掌握水库、水渠的水文状况，以满足生活及生产用水的需求。明渠的流量是必不可少的测量数据。
3.现有技术中，测量明渠的流量通常是用水流速度、明渠横截面积等数据来计算得出明渠的流量，然而在实际应用中，特别是在水中泥沙含量较多的渠道中，经常会遇到渠道底部有淤泥堆积，从而影响了过水断面的形状及大小。在传统的流量计算过程中无法获取淤泥的多少和断面的变化，所以会不同程度影响流量测量的精度。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种渠道流量监测系统，其能够降低渠道水流量的测量误差。
5.根据本发明的一方面，提供了一种渠道流量监测系统，包括：控制主机，与所述控制主机连接的距离测量装置、流速测量装置、采集装置；所述距离测量装置用于测量表征渠道水位信息的特征物理量，并将所述特征物理量传输至所述控制主机；所述采集装置用于采集所述渠道被监测断面的断面面积，并将所述断面面积传输至所述控制主机；所述流速测量装置用于测量预设测点处的水体流速，并将所述水体流速传输至所述控制主机，其中，所述预设测点在所述被监测断面内；所述控制主机用于根据所述特征物理量以及所述水体流速，对所述水体流速进行补偿校准，并根据补偿校准后的水体流速、所述断面面积，得到所述被监测断面的水流量。
6.另外，所述控制主机包括电机控制器和运算器；所述电机控制器用于向所述距离测量装置、流速测量装置以及采集装置供电；所述运算器用于对所述水体流速进行补偿校准，并根据补偿校准后的水体流速、所述断面面积，得到所述被监测断面的水流量。通过将控制主机划分为多个模块，每个模块分工合作，提高了控制主机的工作效率。
7.另外，所述特征物理量包括水面到渠道底部的第一距离、水面到淤泥面的第二距离；所述根据所述特征物理量以及所述水体流速，对所述水体流速进行补偿校准，具体为：根据以下公式对所述水体流速进行补偿校准：其中，u为所述水体流速，h为所述第一距离，y为所述第二距离，vi为所述补偿校准后的水体流速，a2、b2、c2均为预设的已知参数；根据所述被监测断面的平均流速、所述断面面积，得到所述水流量。通过此种方式，进一步确保了水流量测量的准确性。
8.另外，所述控制主机还包括远程模块；所述远程模块用于将所述特征物理量、所述水体流速、所述断面面积以及所述水流量发送至云端服务器。
9.另外，所述渠道流量监测系统还包括太阳能供电装置；所述太阳能供电装置与所
述控制主机电连接，用于向所述控制主机供电。通过此种方式，使得渠道流量监测系统更加节能。
10.另外，所述流速测量装置安装于水面以下，且所述流速测量装置距离所述渠道的底部的高度可调节。通过此种方式，提高了渠道流量监测系统的实用性。
11.另外，所述渠道包括相对设置的两岸边，所述渠道流量监测系统还包括传送装置，所述传送装置横跨所述两岸边；所述传动装置与所述流速测量装置传动连接，所述传动装置用于传动所述流速测量装置，以使所述流速测量装置到岸边的距离可调节。
12.另外，所述距离测量装置包括水位计和超声波泥位计。
13.另外，所述流速测量装置为双探头超声波测速计。
14.本发明的实施例与相关技术相比，至少存在以下优点：
15.通过设置距离测量装置以测量用于表征渠道水位信息的特征物理量，能够消除渠底淤泥对测量精度的影响，设置采集装置以采集被检测断面的断面面积，能够为后续测量被监测断面的水流量提供精确的数据；此外，通过流速测量装置测量预设测点处的水体流速，再根据特征物理量对水体流速进行补偿校准，使得补偿校准后的水体流速能够精确表征断面的平均流速，从而能够降低渠道水流量的测量误差，获得更精准的水流量数据。
16.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是根据本发明实施例一提供的渠道流量监测系统的结构示意图；
19.图2是根据本发明实施例一提供的渠道等效线平均流速横向分布律图；
20.图3是根据本发明实施例二提供的渠道规格参数图；
21.图4是根据本发明实施例三提供的渠道流量监测系统的结构示意图。
具体实施方式
22.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
23.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于
清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
24.实施例一
25.本发明实施例一提供了一种渠道流量监测系统100，具体结构如图1所示，包括：
26.控制主机1，与控制主机1连接的距离测量装置2、流速测量装置3、采集装置4；距离测量装置2用于测量表征渠道水位信息的特征物理量，并将特征物理量传输至控制主机1；采集装置4用于采集渠道被监测断面的断面面积，并将断面面积传输至控制主机1；流速测量装置3用于测量预设测点处的水体流速，并将水体流速传输至控制主机1，预设测点在被监测断面内；控制主机1用于根据特征物理量以及水体流速，对水体流速进行补偿校准，并根据补偿校准后的水体流速、断面面积，得到被监测断面的水流量。
27.本发明的实施例与相关技术相比，至少存在以下优点：通过设置距离测量装置2以测量用于表征渠道水位信息的特征物理量，能够消除渠底淤泥对测量精度的影响，设置采集装置4以采集被检测断面的断面面积，能够为后续测量被监测断面的水流量提供精确的数据；此外，通过流速测量装置3测量预设测点处的水体流速，再根据特征物理量对水体流速进行补偿校准，使得补偿校准后的水体流速能够精确表征断面的平均流速，从而能够降低渠道水流量的测量误差，获得更精准的水流量数据。
28.具体的说，本实施例的特征物理量包括水面到渠道底部的第一距离、水面到淤泥面的第二距离；可以根据以下公式对水体流速进行补偿校准：
[0029][0030]
其中，u为所述水体流速，h为所述第一距离，y为所述第二距离，vi为所述补偿校准后的水体流速，a2、b2、c2均为预设的已知参数。
[0031]
具体的说，本实施例可以采用一点法、二点法、三点法或五点法进行预设测点处的水体流速测量。更具体的，预设测点通过以下方式确定：
[0032]
1、一点法：v
m1
＝v
0.6
，v
0.6
表示水深为0.6h(h为前述提到的水面到渠道底部的第一距离)处的流速，即将流速测量装置3安装在0.6h水深的地方，测量得到的v
m1
＝u。
[0033]
2、二点法：v
0.2
表示水深为0.2h处的流速，v
0.8
表示水深为0.8h处的流速，即设置两个流速测量装置3，一个安装在0.2h水深的地方，另一个安装在0.8h水深的地方，v
m2
＝u。
[0034]
3、三点法：v
0.2
表示水深为0.2h处的流速，v
0.6
表示水深为0.6h处的流速，v
0.8
表示水深为0.8h处的流速，即设置三个流速测量装置3，一个安装在0.2h水深的地方，一个安装在0.6h水深的地方，一个安装在0.8h水深的地方，v
m3
＝u。
[0035]
4、五点法：v
0.0
表示被测渠道液面处的流速，v
0.2
表示水深为0.2h处的流速，v
0.6
表示水深为0.6h处的流速，v
0.8
表示水深为0.8h处的流速，v
1.0
表示被测渠道底部的流速，即设置五个流速测量装置3，分别安装在液面、0.2h水深的地方，0.6h水深的地方，0.8h水深的地方以及渠道底部，v
m5
＝u。
[0036]
可以理解的是，本实施例并不对测点的具体位置以及流速测量装置3的数量做具体限定，可以根据实际需求设置。
[0037]
值得一提的是，本实施例通过对河流截面明渠流速分布的大量仿真实验，得出以下结论：受渠道两边壁的影响，垂线平均流速沿横向的分布，在两边壁附近变化幅度较大，离边壁一定距离后，变化幅度较小，最终基本保持不变，中垂线处平均流速最大。因此，本实施例的vi即为中垂线的平均流速。通过此种方式，进一步确保了水流量测量的准确性。
[0038]
更优的，本实施例通过分析发现垂向的平均流速分布双幂律与水流强度之间存在一定的联系。为便应用，定义参数fr为表层佛劳德数，其形式与佛劳德数相同：
[0039]
经过比对分析后发现，a2、b2、c2与fr满足一定关系：
[0040]
当fr《0.06时，a2＝1.15、b2＝0.1、c2＝0.02；
[0041]
当0.06《fr《0.1时，
[0042]
当0.1≤fr≤0.4时，
[0043]
当0.4《fr《1时，
[0044]
因此，通过预先确定fr的值，即可计算得到a2、b2、c2的具体数据。
[0045]
在计算得到补偿校准后的水体流速后，可以根据以下公式获取所述被监测断面的平均流速：
[0046]
其中，vi为所述补偿校准后的水体流速，b为所述渠道的宽度，z为所述预设测点到所述渠道的岸边距离，p、q、k均为预设的已知参数。
[0047]
请参见图2，为渠道等效线平均流速横向分布律图，结合等效线平均流速实测值，通过乘幂拟合多项式，即可得到p、q、k这三个系数的具体数值。
[0048]
请进一步参见图1，控制主机1包括电机控制器11和运算器12，电机控制器11用于向距离测量装置2、流速测量装置3以及采集装置4供电；运算器12用于对水体流速进行补偿校准，并根据补偿校准后的水体流速、断面面积，得到被监测断面的水流量。可以理解的是，通过将控制主机1划分为多个模块，每个模块分工合作，提高了控制主机1的工作效率。
[0049]
需要说明的是，本实施例中的距离测量装置2包括水位计和超声波泥位计。水位计优选为为压力水位计，安装于水面以下且距离渠道底部一定高度处。压力水位计测量精度受外界环境影响小。超声波泥位计安装于水面以下，并且其安装位置距离渠道底部的高度可调，用于测量淤泥厚度；由于超声波泥位机距离渠道底部的高度是已知的，根据超声波泥
位机测得的距离淤泥面的高度，便可通过差值计算得出淤泥的厚度。超声波泥位计的高度可调，便于在不同水深或泥深的情况下使用，其距离渠道底部的高度可以根据其距离渠顶的高度计算得来，或者设置标尺，通过标尺得知其距离渠道底部的高度。
[0050]
具体的说，本实施例中的流速测量装置3安装于水面以下，且所述流速测量装置距离所述渠道的底部的高度可调节。通过此种结构的设置，能够测量不同高度的测点流速，提高了渠道流量监测系统100的实用性。
[0051]
进一步的，流速测量装置3为双探头超声波测速计。由于超声波在水中传播的过程遇到细小尘埃颗粒或者微小的浮游生物体就会发生散射，其中一部分散射声波被接收探头捕获，通常认为水中的细小颗粒和生物体的速度就代表了水体流速，通过设置一个探头发射超声波，另一个探头接收超声波，根据发射探头的发射频率和接收探头接收到的频率差即可计算出流速。
[0052]
值得一提的是，控制主机1还包括远程模块13，远程模块13用于将测量得到的特征物理量、水体流速、断面面积以及水流量发送至云端服务器。由于渠道流量监测系统100可能受到安装环境及设备自身误差的影响，导致测量的数据不准确，通过将测量得到的数据发送至云端服务器，结合应用场景大量采集数据变化趋势与大数据分析，云端服务器运用边缘算法对测量数据对异常数据进行清洗和过滤，使得渠道流量监测系统100的测量数据更加精准和稳定。
[0053]
优选的，渠道流量监测系统100还包括太阳能供电装置5，太阳能供电装置5与控制主机1电连接，用于向控制主机1供电。具体的说，渠道流量监测系统100还包括配电箱(图未示出)，太阳能供电装置5与配电箱电连接，配电箱在向控制主机1供电。
[0054]
更优的，本实施例中的渠道流量监测系统100还包括监控装置，监控装置(如摄像头)能够实时监控渠道，提高了渠道流量监测系统100的实用性。
[0055]
实施例二
[0056]
本发明实施例二提供了一种渠道流量监测系统100，本实施例是对前述实施例的进一步解释，具体说明了：采集装置4如何采集渠道被监测断面的断面面积。
[0057]
当被监测断面为规则断面时(如矩形、梯形等)，直接测量被监测断面的长宽，从而计算被监测断面的断面面积。
[0058]
当被监测断面为非规则断面时，建立岸边距离、断面水深—面积数学模型s(x)，获取断面形状各顶点的坐标，根据水位与渠道设定断面参数，计算出水位与非规则断面交汇处坐标，就可以求出任意过水非规则断面面积。为了便于理解，下面结合图3，对本实施例如何计算非规则断面面积进行具体的举例说明：
[0059]
请参见图3，渠道建造时渠道规格参数已知(在图3中已标出)，3点到4点的斜坡比1：m，5点到6点的斜坡比1：n，7点到8点斜坡比为1：k，结合给定的渠道规格参数，即可确定1点至8点的坐标：1点(0，h1 h2)；2点(b1-b1-b2-m*h2-h4*n-b2-k*h3，h2)；3点(b1-b2-m*h2-h4*n-b2-k*h3，h2)；4点(b1-b2-h4*n-b2-k*h3，0)；5点(b1-h4*n-b2-k*h3，0)；6点(b-b
2-k*h3，h4)；7点(b-k*h3，h4)；8点(b，h3 h4)。
[0060]
已知断面坐标后，结合测量水位关系，即可求出水面与渠道断面交汇点坐标，请再次参见图3，3点和4点斜率、水位可求出，便可求出交汇处的坐标(x，y)。水位上涨变化，水面与渠道断面交汇点坐标变化，在实现过程中可根据水位来与渠道坐标来判断与水位交汇点
坐标个数。求出过水断面的点的坐标其面积为：
[0061]
实施例三
[0062]
本发明实施例三提供了一种渠道流量监测系统200，本实施例是对前述实施例的进一步改进，主要改进之处在于：渠道流量监测系统200还包括传送装置6，传送装置横跨所述两岸边；传动装置6与流速测量装置3传动连接，传动装置6用于传动流速测量装置3，以使流速测量装置3到岸边的距离可调节。
[0063]
具体的说，传动装置6包括传送带，传送带与流速测量装置3固定，传送带在传动过程中，流速测量装置3到岸边的距离在不断变化，从而能够测量渠道任意位置的水体流速，提高了渠道流量监测系统200的可靠性。
[0064]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。