專利名稱：一種利用量水儀的量水方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水利技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種利用量水儀進(jìn)行水利檢測(cè)的量水方法。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外針對(duì)灌區(qū)渠系測(cè)水量水的儀器設(shè)備種類繁多，但還存在著一定的缺陷，使用受環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，比如超聲波流量計(jì)、激光流速儀、孔板、文丘里管，雖然系統(tǒng)測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，但其價(jià)格昂貴，安裝、調(diào)試、維護(hù)以及對(duì)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的條件要求很高，不宜在灌區(qū)渠系測(cè)水量水中推廣使用；旋槳式流速儀單臺(tái)的價(jià)格便宜(多臺(tái)同步測(cè)試使用時(shí)成本仍然相當(dāng)高)，使用靈活，但可靠性差，需要定期標(biāo)定流量系數(shù)，測(cè)試用時(shí)較長(zhǎng)，不宜作為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的設(shè)備來用；利用灌區(qū)水工建筑物或特設(shè)量水設(shè)施進(jìn)行測(cè)流的儀器在近幾年來開發(fā)了不少新產(chǎn)品，但資料表明這些設(shè)備通用性差，必須點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定安裝使用，以水位測(cè)量為主，要求建造水位測(cè)井且需配合明渠標(biāo)準(zhǔn)端面，能結(jié)合量水結(jié)構(gòu)自動(dòng)計(jì)量流量的很少，而且測(cè)試功能相對(duì)單一有的只能測(cè)水位但卻不能現(xiàn)地測(cè)出流量、有的可以存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)但卻不同時(shí)具備能有線或無線的與上位計(jì)算機(jī)通訊并組成自動(dòng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明人在同日申請(qǐng)的實(shí)用新型《量水計(jì)》中公開了一種功能全面的量水儀，而怎樣利用該量水儀進(jìn)行水利測(cè)量，則是現(xiàn)有技術(shù)需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用量水儀進(jìn)行量水的方法，它能克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，滿足量水工作實(shí)施靈活、節(jié)約成本的要求。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是，該方法包括下列步驟，(1)確定量水設(shè)施；(2)采集測(cè)量結(jié)果；(3)按測(cè)量結(jié)果的各參數(shù)關(guān)系判斷實(shí)時(shí)水流形態(tài)；(4)根據(jù)量水設(shè)施和判斷結(jié)果調(diào)用相應(yīng)流量公式計(jì)算流量。
而且，采用平滑式數(shù)字濾波法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。
而且，量水設(shè)施包括堰、槽，以及矩形明渠放水口(分單孔和多孔)、矩形暗涵放水口、圓形涵管放水口等閘/涵灌區(qū)水工建筑物，閘/涵灌區(qū)水工建筑物的流量與實(shí)時(shí)水流形態(tài)有關(guān)，各相應(yīng)流量公式如下，1.1.堰、槽Q＝ahb(m3/s)上式中h——為測(cè)水點(diǎn)水位值(m)；a、b——不同尺寸、不同形狀渠道和不同量水設(shè)施所對(duì)應(yīng)的系數(shù)值。
1.2.閘/涵灌區(qū)水工建筑物1.2.1.矩形明渠放水口(分單孔和多孔)無閘自由流Q=mbH2gH]]>單孔m＝0.325，多孔m＝0.33無閘潛流單孔＝0.85，多孔＝0.86有閘自由流Q=μbhw2g(H-0.65hw)]]>單孔μ＝0.6，多孔μ＝0.64有閘潛流Q=μ′bhw2g(H-h1)]]>單孔μ′＝0.62，多孔μ′＝0.641.2.2.矩形暗涵放水口無閘自由流Q=mbH2gH]]>m＝0.325
無閘潛流 ＝0.85有閘自由流Q=μbhw2g(H-0.65hw)]]>μ＝0.60有閘潛流Q=μ′bhw(1+0.65hwH)2g(H-hH)]]>μ′＝0.62有壓潛流Q=m′10.06+(m′hwa)2+(1-m′hwa)2bhw2g(H-hH)]]>m′＝0.621.2.3.圓形涵管放水口無閘自由流Q=m(1.12Hr-0.25)r22gH]]>m＝0.55無閘潛流 ＝0.9有閘自由流Q=μ(1.8hwr-0.25)r22g(H-0.7hw)]]>μ＝0.63有閘潛流Q=μ′bhw(1+0.65hwH)(1.8hwr-0.25)r22g(H-hH)]]>μ′＝0.63有壓潛流Q=m′(1.8hwr-0.25)r22g(H-hH){0.06+[(0.36hwr-0.05)]2+[1-(0.36hwr-0.05)]2}1/2]]>m′＝0.63上式中Q——通過閘、涵流量(m3/s)；m、、μ、μ′、m′——流量系數(shù)；b——閘、涵孔寬(m)；r——圓形涵管內(nèi)半徑(m)；a——矩形暗涵孔高(m)；g——重力加速度(9.81m/s2)；H——上游或閘前水位(m)；hH——下游水位(m)，測(cè)量值；
h1——閘后水位(m)，測(cè)量值；hW——閘門開度(m)，測(cè)量值。
而且，所述實(shí)時(shí)水流形態(tài)的判斷依據(jù)如下，當(dāng)hW/H＞0.65 hH/H＜0.7時(shí)，水流形態(tài)屬無閘自由流；當(dāng)hW/H＞0.65 hH/H≥0.7時(shí)，水流形態(tài)屬無閘潛流；當(dāng)hW/H≤0.65 h1＜hW時(shí)，水流形態(tài)屬有閘自由流；當(dāng)hW/H≤0.65 h1＞hW時(shí)，水流形態(tài)屬有閘潛流。
采用本發(fā)明能夠根據(jù)不同量水設(shè)施實(shí)施自動(dòng)測(cè)量流量，并且無需依賴水位測(cè)井，操作人員攜帶一臺(tái)儀器即可實(shí)施多點(diǎn)測(cè)量，精度高，成本低。


圖1本發(fā)明方法流程圖；圖2本發(fā)明具體實(shí)施例工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1、2，本發(fā)明提供的量水方法包括下列步驟(1)確定量水設(shè)施；(2)采集測(cè)量結(jié)果，即將各種量水傳感器的測(cè)量結(jié)果輸入單片機(jī)；(3)按測(cè)量結(jié)果的各參數(shù)關(guān)系判斷實(shí)時(shí)水流形態(tài)；(4)根據(jù)量水設(shè)施和判斷結(jié)果調(diào)用相應(yīng)流量公式計(jì)算流量。常見量水設(shè)施包括堰、槽，以及矩形明渠放水口(分單孔和多孔)、矩形暗涵放水口、圓形涵管放水口等閘/涵灌區(qū)水工建筑物，不同類型量水設(shè)施的流量公式不同，因此需要事先確定具體的量水設(shè)施，如果是固定巡查幾個(gè)不同量水設(shè)施的測(cè)點(diǎn)，可以將量水設(shè)施按順序確定后保存，以便反復(fù)應(yīng)用。閘/涵灌區(qū)水工建筑物的過流量與實(shí)時(shí)水流形態(tài)有關(guān)，也就是說，同類型量水設(shè)施在不同水流形態(tài)下的流量計(jì)算公式也是不同的。所以本儀器具有通過對(duì)測(cè)量參數(shù)之間關(guān)系的分析即可自動(dòng)判斷實(shí)時(shí)水流形態(tài)以及調(diào)用相應(yīng)的公式計(jì)算流量并最后根據(jù)用戶要求處理數(shù)據(jù)(顯示、打印、上傳)的功能。
本發(fā)明中涉及量水設(shè)施處的過流量一般穩(wěn)定且變化相對(duì)較慢，但可能存在的水流浪涌會(huì)影響對(duì)測(cè)點(diǎn)水位測(cè)量的精度，為了獲得能夠準(zhǔn)確反映一個(gè)時(shí)段內(nèi)量水設(shè)施中的流量，本發(fā)明通過多次試驗(yàn)，主要采取了滑動(dòng)平均法的數(shù)字濾波，即對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)傳感器的信號(hào)連續(xù)采集256×2N次，經(jīng)算術(shù)平均處理后，將其平均值作為一個(gè)有效的測(cè)量值。由于A/D每次轉(zhuǎn)換時(shí)間為35μs，加上程序運(yùn)行的耗時(shí)，經(jīng)測(cè)試，獲得一個(gè)N＝0的有效測(cè)量值約需10ms。每一個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)系數(shù)N，N值取值范圍為0～10，可通過儀器鍵盤輸入系統(tǒng)存貯。N值的大小可以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來確定從N＝0開始設(shè)置，儀器實(shí)時(shí)顯示被測(cè)數(shù)據(jù)，如顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，逐漸增加N值直到顯示值相對(duì)穩(wěn)定為止。使用表明，數(shù)字處理能能夠抑制被測(cè)信號(hào)中非正常波動(dòng)對(duì)量水結(jié)果帶來的影響，比如電磁干擾以及因紊流、浪涌的液位等客觀現(xiàn)象引起的被測(cè)信號(hào)波動(dòng)的情況。
為了便于實(shí)施，本發(fā)明提供了相應(yīng)流量公式如下1.2.堰、槽Q＝ahb(m3/s)上式中h——為測(cè)水點(diǎn)水位值(m)；a、b——不同尺寸、不同形狀渠道和不同量水設(shè)施所對(duì)應(yīng)的系數(shù)值。
1.2.閘/涵灌區(qū)水工建筑物1.2.1.矩形明渠放水口(分單孔和多孔)無閘自由流Q=mbH2gH]]>單孔m＝0.325，多孔m＝0.33
無閘潛流 單孔＝0.85，多孔＝0.86有閘自由流Q=μbhw2g(H-0.65hw)]]>單孔μ＝0.6，多孔μ＝0.64有閘潛流Q=μ′bhw2g(H-h1)]]>單孔μ′＝0.62，多孔μ′＝0.641.2.2.矩形暗涵放水口無閘自由流Q=mbH2gH]]>m＝0.325無閘潛流 ＝0.85有閘自由流Q=μbhw2g(H-0.65hw)]]>μ＝0.60有閘潛流Q=μ′bhw(1+0.65hwH)2g(H-hH)]]>μ′＝0.62有壓潛流Q=m′10.06+(m′hwa)2+(1-m′hwa)2bhw2g(H-hH)]]>m′＝0.621.2.3.圓形涵管放水口無閘自由流Q=m(1.12Hr-0.25)r22gH]]>m＝0.55無閘潛流 ＝0.9有閘自由流Q=μ(1.8hwr-0.25)r22g(H-0.7hw)]]>μ＝0.63有閘潛流Q=μ′bhw(1+0.65hwH)(1.8hwr-0.25)r22g(H-hH)]]>μ′＝0.63有壓潛流Q=m′(1.8hwr-0.25)r22g(H-hH){0.06+[(0.36hwr-0.05)]2+[1-(0.36hwr-0.05)]2}1/2]]>m′＝0.63上式中Q——通過閘、涵流量(m3/s)；m、、μ、μ′、m′——流量系數(shù)，已固化在系統(tǒng)內(nèi)；b——閘、涵孔寬(m)，由鍵盤輸入；
r——圓形涵管內(nèi)半徑(m)，由鍵盤輸入；a——矩形暗涵孔高(m)，由鍵盤輸入；g——重力加速度(9.81m/s2)；H——上游或閘前水位(m)，測(cè)量值；hH——下游水位(m)，測(cè)量值；h1——閘后水位(m)，測(cè)量值；hW——閘門開度(m)，測(cè)量值。
為了方便實(shí)施，本發(fā)明提供具體實(shí)施時(shí)量水儀的工作流程，步驟00量水儀送電開始后，進(jìn)行步驟01對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后步驟02進(jìn)行自檢，判斷系統(tǒng)是否正常，若不正常(“N”)，進(jìn)入步驟03，在顯示器上顯示錯(cuò)誤狀態(tài)。若步驟02自檢正常為(“Y”)，進(jìn)入步驟04，在顯示器顯示正常待命狀態(tài)。在步驟05中進(jìn)行掃描鍵盤，若在步驟06中判斷有鍵按下(“Y”)，則進(jìn)入步驟07，根據(jù)步驟06中所按鍵的功能進(jìn)行相應(yīng)操作(包括系數(shù)設(shè)置、功能選擇、手動(dòng)測(cè)試、顯示、打印、存儲(chǔ)、調(diào)用、通訊、時(shí)鐘、切換、校零調(diào)諧等)，如按復(fù)位鍵則退出到步驟04進(jìn)入待命狀態(tài)，若不退出，則返回步驟06繼續(xù)人機(jī)對(duì)話的操作。若步驟04、05、06流程中無鍵按時(shí)間達(dá)20秒(步驟09中的“Y”)，則結(jié)束待命狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入量水工作狀態(tài)，進(jìn)行步驟10啟動(dòng)模/數(shù)(A/D)信號(hào)轉(zhuǎn)換，接著在步驟11進(jìn)行各通道信號(hào)采集，傳感器信號(hào)輸入量水儀。在步驟12中，單片機(jī)根據(jù)采樣信號(hào)自動(dòng)選用計(jì)算公式、調(diào)用系數(shù)，在步驟13中進(jìn)行計(jì)算。在步驟14中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理包括自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)、自動(dòng)打印輸出(“自動(dòng)”可以設(shè)置為“開”或“關(guān)”)、刷新顯示內(nèi)容。所有采集數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果在步驟15存貯到系統(tǒng)的非易失數(shù)據(jù)存貯器里，在流程步驟16判斷操作人員是否要求退出循環(huán)測(cè)試狀態(tài)，按復(fù)位鍵退出(步驟16的“Y”)到步驟04顯示正常待命狀態(tài)；如不進(jìn)行退出操作(步驟16的“N”)，流程則返回步驟10重復(fù)進(jìn)行測(cè)量工作。
采用本發(fā)明進(jìn)行量水儀操作無需在測(cè)水點(diǎn)處建造水位測(cè)井，就是說單機(jī)在移動(dòng)巡測(cè)使用時(shí)，對(duì)測(cè)水點(diǎn)只有位置和知道相對(duì)高程的要求，即各測(cè)水點(diǎn)必須選擇在流道上符合測(cè)試規(guī)范要求的位置，比如當(dāng)量水設(shè)施為長(zhǎng)喉槽時(shí)，測(cè)水點(diǎn)應(yīng)選擇在長(zhǎng)喉槽上游1.5～2.0m處，測(cè)點(diǎn)離流道底的高度可通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定后存入儀器。測(cè)試時(shí)，如采用壓力式水位傳感器，只需將傳感器探頭放入測(cè)水點(diǎn)處的流水中，按量水儀的[測(cè)試]鍵即可；如采用超聲波水位傳感器，只需將傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)測(cè)水點(diǎn)處流水水面后按量水儀[測(cè)試]鍵；如果有的位置不便使用傳感器進(jìn)行測(cè)量操作，則可以在該測(cè)水點(diǎn)處安裝固定水尺，把通過水尺讀出的水位值輸入量水儀同樣能十分方便地完成測(cè)量。由于本發(fā)明采取了十分有效的平滑式數(shù)字濾波及處理后能生成一個(gè)滿足中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“水工建筑物測(cè)流規(guī)范”(SL 20-92)精度要求的測(cè)量值，因此無需專門建造水位測(cè)井。當(dāng)然建造水位測(cè)井可以提高測(cè)量精度，但同時(shí)也增加了投資成本，增加了對(duì)測(cè)井進(jìn)行管理的責(zé)任和工作量。
權(quán)利要求
1.一種利用量水儀的量水方法，其特征在于該方法包括下列步驟，(1)確定量水設(shè)施；(2)采集測(cè)量結(jié)果；(3)按測(cè)量結(jié)果的各參數(shù)關(guān)系判斷實(shí)時(shí)水流形態(tài)；(4)根據(jù)量水設(shè)施和判斷結(jié)果調(diào)用相應(yīng)流量公式計(jì)算流量。
2.如權(quán)利要求1所述的量水方法，其特征在于采用平滑式數(shù)字濾波法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。
3.如權(quán)利要求1或2所述的量水方法，其特征在于量水設(shè)施包括堰、槽，以及矩形明渠放水口(分單孔和多孔)、矩形暗涵放水口、圓形涵管放水口等閘/涵灌區(qū)水工建筑物，閘/涵灌區(qū)水工建筑物的流量與實(shí)時(shí)水流形態(tài)有關(guān)，各相應(yīng)流量公式如下，1.1.堰、槽Q＝ahb(m3/s)上式中h——為測(cè)水點(diǎn)水位值(m)；a、b——不同尺寸、不同形狀渠道和不同量水設(shè)施所對(duì)應(yīng)的系數(shù)值。1.2.閘/涵灌區(qū)水工建筑物1.2.1.矩形明渠放水口(分單孔和多孔)無閘自由流Q=mbH2gH]]>單孔m＝0.325，多孔m＝0.33無閘潛流 單孔＝0.85，多孔＝0.86有閘自由流Q=μbhw2g(H-0.65hw)]]>單孔μ＝0.6，多孔μ＝0.64有閘潛流Q=μ′bhw2g(H-h1)]]>單孔μ′＝0.62，多孔μ′＝0.641.2.2.矩形暗涵放水口無閘自由流Q=mbH2gH,m=0.325]]>無閘潛流 有閘自由流Q=μbhw2g(H-0.65hw),μ=0.60]]>有閘潛流Q=μ′bhw(1+0.65hwH)2g(H-hH),μ′=0.62]]>有壓潛流Q=m′10.06+(m′hwa)2+(1-m′hwa)2bhw2g(H-hH),m′=0.62]]>1.2.3.圓形涵管放水口無閘自由流Q=m(1.12Hr-0.25)r22gH,m=0.55]]>無閘潛流 有閘自由流Q=μ(1.8hwr-0.25)r22g(H-0.7hw),μ=0.63]]>有閘潛流Q=μ′bhw(1+0.65hwH)(1.8hwr-0.25)r22g(H-hH),μ′=0.63]]>有壓潛流Q=m′(1.8hwr-0.25)r22g(H-hH){0.06+[(0.36hwr-0.05)]2+[1-(0.36hwr-0.05)]2}1/2,m′=0.63]]>上述各式中Q——通過閘、涵流量(m3/s)；m、、μ、μ′、m′——流量系數(shù)；b——閘、涵孔寬(m)；r——圓形涵管內(nèi)半徑(m)；a——矩形暗涵孔高(m)；g——重力加速度(9.81m/s2)；H——上游或閘前水位(m)；hH——下游水位(m)；h1——閘后水位(m)；hW——閘門開度(m)。
4.如權(quán)利要求3所述的量水方法，其特征在于所述實(shí)時(shí)水流形態(tài)的判斷依據(jù)如下，當(dāng)hW/H＞0.65 hH/H＜0.7時(shí)，水流形態(tài)屬無閘自由流；當(dāng)hW/H＞0.65 hH/H≥0.7時(shí)，水流形態(tài)屬無閘潛流；當(dāng)hW/H≤0.65 h1＜hW時(shí)，水流形態(tài)屬有閘自由流；當(dāng)hW/H≤0.65 h1＞hW時(shí)，水流形態(tài)屬有閘潛流。hH——下游水位(m)；h1——閘后水位(m)；hW——閘門開度(m)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用量水儀的量水方法，其特征在于該方法包括下列步驟，(1)確定量水設(shè)施；(2)采集測(cè)量結(jié)果；(3)按測(cè)量結(jié)果的各參數(shù)關(guān)系判斷實(shí)時(shí)水流形態(tài)；(4)根據(jù)量水設(shè)施和判斷結(jié)果調(diào)用相應(yīng)流量公式計(jì)算流量。采用本發(fā)明能夠根據(jù)不同量水設(shè)施實(shí)施自動(dòng)測(cè)量流量，并且無需依賴水位測(cè)井，操作人員攜帶一臺(tái)儀器即可實(shí)施多點(diǎn)測(cè)量，精度高，成本低，簡(jiǎn)化了量水操作，提高了工作效率。
文檔編號(hào)G01F1/704GK1667370SQ200510018478
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者童剛, 王長(zhǎng)德 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)