1.應(yīng)用
接觸式超聲流量計(jì)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(jì)算出流量等參數(shù)并本地或云端顯示存儲。
優(yōu)點(diǎn)：
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(hù)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(jì)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(jì)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(jìn)行演算。當(dāng)發(fā)射的雷達(dá)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(jìn)行波譜分析即可獲取表層水流速度。然后，根據(jù)實(shí)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(dá)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(dá)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(jì)算出水面流速。

雷達(dá)表面流速儀實(shí)際測到是波浪流速，故計(jì)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(jī)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(kuò)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。工作溫度低可達(dá)-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(dú)立的應(yīng)用軟件運(yùn)行在用戶固定IP地址的服務(wù)器上；也可以運(yùn)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(yùn)行設(shè)備狀態(tài)或遠(yuǎn)程修改運(yùn)行程序。

3. 流體建模計(jì)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(jìn)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）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(shí)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(dá)波束角：6.5°x 5.5o @ -3dB point，發(fā)射功率 50 毫瓦。
10、雷達(dá)垂直方向角度調(diào)整范圍：30-60°（自動補(bǔ)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(dá)探頭距離水面距離：0.5 m 到 70 m（大安裝高度 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(shí)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(dá)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(bào)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(shí)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，后用推理加實(shí)驗(yàn)的 方法得出糙率公式。
27、電源：5.5 - 30 VDC
28、電源保護(hù)：具有電源接錯和過壓保護(hù)功能
29、電 流：大 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(hù)等級：IP 68
35、抗雨干擾：在250毫米/小時雨強(qiáng)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(shí)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)
大掃描速率：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(kuò)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(diǎn)
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(xiàn)
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(jì)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