明渠恒定非均匀流流量监测积算方法及装置 (一)技术领域
本项发明是一种根据实时监测的三个过水断面的水位积算明渠恒定非均匀流流量的方法。专门用于明渠输水恒定非均匀流(均匀流同样可用)时的流量实时监测。
(二)发明背景
在农田灌溉供水中，广泛采用了明渠输水。虽然传统的明渠输水量水方法较多，但一般用在小型渠道发生明渠恒定均匀流时，非实时监测效果较好。生产运行中，明渠大多发生恒定非均匀流，此时计量困难精度也很差，有时传统的量水方法根本无法使用，更谈不上实时监测了。随着水资源的紧缺和用水收费的提高，人们对明渠输水的计量方法提出了高精度和实时性的要求。若采用进口明渠超声波流量计进行计量，可基本满足要求，但价格十分昂贵，这种方法及设备在当前和今后较长时间内，是农田灌溉领域中难以采用和推广的。除此之外，人们目前对明渠量水尚未找到切实可行的方法。
(三)发明内容
本项发明的目的是根据明渠恒定非均匀流的特点和水力学原理，借助现代传感技术和通信技术手段，为上述农田灌溉明渠输水或河道排水管理，提供一种价格低精度高的流量实时监测积算方法和系统装置。
本发明方法是在需要监测流量的渠段上，选取渠道顺直、断面尺寸一致、渠床糙率系数均匀的一段渠道作为监测渠段(10)，在该监测渠段上隔相同距离定出三个过水断面。再用水位传感器(1)分别实时在线监测出这三个过水断面的水位(深)H1、H2、H3，该水位变量通过屏蔽双绞线(5)输送到嵌有积算软件的流量积算仪(2)上，流量可自动积算。利用仪表面板上的操作键可人工置入或修改渠道参数，仪表可显示瞬时流量和累积流量值。仪表有通信输出，可将积算出的流量数据通过RS-485总线(6)、远端处理单元(3)、定向天线(4)发送到管理机构地工控机内。
(四)发明效果
本发明方法：(1)有着严谨正确的水力学理论依据，概念清晰，技术路线正确；(2)所配设备易于购置和安装维护；(3)系统装置简单、价格低廉、便于推广；(4)系统无活动部件不会被水中漂浮物缠绕失灵，用于灌区量水自动化程度高，生产效率高，可提高管理水平和降低管理成本；(5)计量精度高实时性强，可推动灌区节水灌溉，实现水资源可持续利用；(6)该方法及系统装置的推广使用，可产生较大的社会效益和经济效益。因此是灌区明渠现代化量水的一个有效新方法。
(五)附图说明
图1为明渠恒定非均匀流流量实时监测积算方法及装置结构平面示意图。
图2为明渠恒定非均匀流流量实时监测积算方法及装置结构立面示意图。
图中：1.水位传感器，2.流量积算仪，3.远端处理单元，4.定向天线，5.屏蔽双绞线，6.RS485总线，7.220V电源，8.大地，9.馈线，10.监测渠段。
(六)本发明最佳实施例
本发明的方法是，先利用三台水位传感器分别实时在线监测出三个过水断面的水位(深)H1、H2、H3，然后用嵌入流量积算仪的积算程序作如下积算：(1)求出三个过水断面间的两个水力坡度J1和J2；(2)根据三个过水断面的已知断面尺寸(底宽b和边坡m)和实时测出的三个水深h1、h2、h3，求出三个过水断面值A1、A2、A3和湿周χ1、χ2、χ3；(3)根据三个过水断面的A、χ和已知的渠床糙率系数n求出三个过水断面的谢才系数C1、C2、C3；(4)取第一与第二过水断面、第二与第三过水断面间的水力要素平均值为C1、R1和C2、 R2；(5)假定在较短的时间Δt内，水流可近似认为是均匀流，从而根据明渠均匀流公式(Q=AC‾R‾J)]]>算出第一与第二过水断面间的流量Q1、第二与第三过水断面间的流量Q2；(6)取Q1与Q2的算术平均值作为该监测渠段上的瞬时流量Q，取该流量与时间Δt的乘积Q·Δt作为该监测渠段上的累积流量W。
本方法的系统装置是，利用三个水位传感器(1)将监测到的水位数据信号通过屏蔽双绞线(5)送往嵌有流量积算软件的流量积算仪(2)，仪表面板上的操作键可人工置入或修改渠道水力参数(b、m、n、k)，仪表显示屏可显示已积算出的瞬时流量值Q和累加流量值W。仪表带有通信输出，可借助远端处理单元(3)、定向天线(4)将积算出的流量数据从监测渠段(10)发送到渠道管理机构的工控机内。
该装置的线路连接是，水位传感器(1)通过屏蔽双绞线(5)与流量积算仪(2)连接；流量积算仪表(2)通过RS-485总线(6)与远端处理单元(3)连接；远端处理单元(3)通过天馈线(9)与定向天线(4)连接；流量积算仪(2)和远端处理单元(3)分别接到220V电源(7)上；水位传感器(1)装置在监测渠段(10)的岸边水内；水位传感器(1)、远端处理单元(3)都要按规范可靠地与大地(8)接好。