01河流、湖泊等地表水
預測和管理河流的流量對防洪、供水、農業和能源生產等領域都非常重要。因此我們需要持續測量河流的流量來獲取準確的數值。
傳統的河流測流方法有:
1.流量計法
利用流量計直接測量河流的流量。而測量河流流量的流量計種類很多:壓差式、電磁式、流槽式、堰式等。一般根據實際流量的測量范圍和測試精度進行選擇。
其中,堰式測流量是一種常用的河流流量測量方法,通過在河道中設置堰來測量流量。堰是一種人工構造的水壩,通常由混凝土或石頭等材料構成,它橫跨在河道上,形成一個水位的升高和水流速度的減小。堰式測流量的原理是基于流經堰前后的水位差和堰的幾何形狀參數,計算出流量。
堰的形狀可以是三角形、梯形或矩形等。
測量水位:在堰前和堰后設置水位測量儀器,如液位計、壓力傳感器等,測量水位的高度差。?
堰式測流量的優勢包括:簡單易用、經濟實惠、實時監測、適用范圍廣、數據可靠性高等。
2. 流速儀法測流量
流速儀是一種常見的測量河流流量的方法,它通過直接測量水流速來計算流量。
流速儀法適用于各種水環境,包括河流、水渠等。測量時需要根據渠道深度和寬度確定點位垂直測點數和水平測點數。該方法簡單,但易受水質影響,難實現連續測定。
在智慧水務中,雷達測速非常常見
雷達測流速是一種使用雷達技術來測量水體流速的方法。它利用雷達波束與水體中的運動物體(如浮標、漂浮物等)相互作用,通過測量物體的回波信號來計算流速。
雷達測流速的基本原理是多普勒效應。當雷達波束與運動物體相遇時,物體的運動會引起回波信號的頻率變化。根據多普勒頻移原理,通過測量回波信號的頻率變化,可以推斷物體的運動速度,從而計算出水體的流速。
非接觸式非接觸式雷達測流方法具有:
① 遠距離,適用于測量寬闊的河流、湖泊、海洋等水域;
② 非侵入性,無需在測量過程中干擾水體或運動物體;
③ 不受環境限制,不受天氣和光照條件的影響;
④ 實時監測:可以實現連續測量。
接觸式多普勒超聲波流量計
接觸式多普勒超聲波流量計可以準確的計算出河流斷面的平均流速,非常適用于一些渠道,管道以及比較小的河道進行測量,流速的精度1%。
多普勒超聲波流量計的工作原理如下:
發射超聲波:流量計通過傳感器向液體中發射高頻超聲波信號。
散射和頻率變化:超聲波在液體中遇到懸浮顆粒、氣泡或液體粒子等時,會發生散射。根據多普勒效應,當超聲波與液體中的運動物體相遇時,超聲波的頻率會發生變化。流速較高的物體將導致超聲波頻率升高,而流速較低的物體將導致超聲波頻率降低。
接收和分析信號:傳感器接收到回波信號后,通過分析頻率變化來計算液體中的流速。頻率變化越大,流速越高。
多普勒超聲波流量計的優點包括:
非接觸式測量:多普勒超聲波流量計無需直接接觸液體,避免了對管道內部的干擾和阻力。
寬范圍測量:多普勒超聲波流量計適用于各種液體介質,包括污水、腐蝕性液體和含有懸浮物的液體等。
高精度測量:多普勒超聲波流量計可以提供較高的測量精度,適用于要求精確流量測量的應用場景。
實時監測:多普勒超聲波流量計可以實時監測流量變化,并提供連續的流量數據。
無移動部件:多普勒超聲波流量計無動態或機械部件。
但是,對于低速流動液體或純液體,多普勒超聲波流量計可能不適用。
流場成像技術
新的流場成像技術在流量測定方面極具應用前景:利用視頻圖像處理技術,通過水表所有固體的位移(樹枝,氣泡,樹葉……)以及河流的湍動來確定河流表面的速度場。
該項技術主要用于大型河流的研究,故稱大尺度PIV(LSPIV)
其功能包括:
(1)記錄水流圖像的時間序列;
(2)對圖像進行幾何校正以避免形變干擾;
(3)使用與模式相關的統計分析方法計算水流示蹤物的位移;
(4)在已知斷面幾何形狀的情況下,根據垂直流速分布模型,通過LSPIV流速場估計總流量。
3. 走航式ADCP測流法
走航式ADCP測流法是一種使用ADCP設備從船只或航行器上進行流速測量的方法。ADCP利用多普勒效應原理測量水體中的流速,并可以提供河道或水體截面上的流速剖面數據。
走航式ADCP測流法具有精度高、測驗時間短、分辨率高、資料完善、信息量大等特點,能滿足河寬較大、 儀器的測量距離受泥沙等多因素影響大的水文測量需要。
走航式ADCP測流法的基本原理如下:
安裝ADCP設備:將ADCP設備安裝在船只或航行器上,通常是在船只底部或航行器的底部。
發射和接收聲波信號:ADCP設備發射聲波信號(通常是超聲波),并接收回波信號。這些聲波在水體中與懸浮顆粒、氣泡或液體粒子等相互作用,形成回波信號。
多普勒頻移測量:通過分析回波信號中的多普勒頻移,ADCP設備可以計算出水體中的流速。多普勒頻移是由于水體中運動物體引起的聲波頻率變化,根據多普勒效應的原理,頻移的大小與物體的速度成正比。
走航測量:船只或航行器在水體中進行走航,ADCP設備連續地測量流速數據。通常,需要保持一定的航行速度和航行線路,以獲得河道或水體截面上的流速剖面數據。
數據處理和分析:通過對ADCP設備獲取的數據進行處理和分析,可以得到流速剖面圖、平均流速、流量等相關參數。
ADCPA的優點包括:高分辨率、高效快速、大范圍測量、實時監測等。
02管道測流
1. 供水管道
流量是管網運行的一項重要參數,也是水司最為關心的指標之一,管網中用戶用水或管道泄漏都會造成管道流量的增加,流量的大小與供水管網的運行狀態穩定性、用戶使用情況以及供水企業經營狀況密切相關。
因此通過監測管道的流量,將為管網的監測報警和預測預警提供依據,并為水司的日常精細化管理提供基礎數據。
流量計用來監測管網某一節點處的瞬時流量和累計流量。流量計種類包括:
① 超聲波流量計
通過超聲波測量技術,測量管道中超聲波的傳播時間或頻率變化來計算流量。
直接時差法:通過測量超聲波在流體中的傳播時間差來計算流速。
時差法:通過測量超聲波在流體中傳播的來回時間差來計算流速。
相位差法:通過測量超聲波在流體中傳播的相位差來計算流速。
頻差法:通過測量超聲波在流體中傳播的頻率差來計算流速。
② 電磁流量計
電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律。其傳感器部分由線圈、電極和絕緣內襯組成,在測量時傳感器中的勵磁線圈通電產生磁場,當導電流體通過磁場時,由于切割磁力線的作用力,產生微小的感應電動勢,由電極將這些微小的感應電動勢采集,并輸送至儀表的轉換器部分進行計算、放大和測量。
③壓差傳感器
通過在管道中設置壓差傳感器,測量管道兩點之間的壓差來計算流量。常用的壓差傳感器包括差壓傳感器、孔板等。
④渦街流量計法
利用渦街流量計測量管道中的渦街頻率來計算流量。渦街流量計通過檢測流體通過渦街傳感器產生的壓力脈動來測量流速。
⑤ 熱式流量計法
通過測量流體通過管道時的溫度變化來計算流量。熱式流量計可以使用熱敏電阻、熱敏電阻等溫度傳感器進行測量。
03排水管網
排水管網的流量測量是為了了解管網中水流的量和速度,以便進行管網的設計、運營和管理。幾種常見的排水管網測流量的方法:
水量平衡法:通過對排水管網中進入和離開的水量進行計量,結合排水泵站的運行數據和水位監測,計算管網的流量。這種方法適用于整個排水管網的流量測量。
水位流速關系法:通過在排水管道中設置水位計和流速計,測量水位和流速的關系,并通過公式計算流量??梢允褂脺u街流量計、超聲波流速計等設備進行測量。
模型試驗法:利用現場建立的物理模型,通過觀察水流的變化和測量來估算排水管網的流量。
數值模擬法:使用計算流體力學(CFD)等數值模擬方法對排水管網進行模擬,通過計算得到不同管段中的流速和流量分布。這種方法適用于大規模、復雜的排水管網,能夠提供詳細的流量信息。
流速流量測量傳感器測量法
國內排水管網的特點為:兩高,管網高水位、污水廠高負荷;兩低,進水濃度低、減排效率低。
選擇測流量傳感器的方法,如下:
??測量瞬時流速、瞬時流量、液位、水溫和累計流量;
? 根據測量點的要求,選擇合適的測量精度;
? 規避沉積物對流量測量的影響;
? 規避排水管網內微生物膜對傳感器表面的附著?,減少微生物膜對測量數據的影響;
? 方便安裝和維護;
? 使用壽命長,盡可能免維護。
在智慧水務的場景中,流量測量是至關重要的一項任務
常用的流量測量方法應根據具體的應用需求和場景特點,選擇合適的流量測量方法,并結合其他智能化技術,如物聯網、大數據分析等,實現對水資源的智能化管理和優化運營。
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