水文监测仪器(流速流量)教学课件.ppt

1、二、流速流量监测仪器二、流速流量监测仪器 流速测量仪器设备 流量测量仪器设备1流速仪器分类流速仪器分类测量点流速的流速仪转子式流速仪声学点流速仪电波流速仪电磁点流速仪光学流速仪（激光流速仪）测量剖面流速的流速仪声学多普勒剖面流速仪声学时差法流速仪扫描式电波流速仪电磁流速仪2按流量测量方法的原理分类流速面积法（河流流量测验规范、声学多普勒流量测验规范、水文测船测验规范、水文缆道测验规范、动船法测流）水位流量关系法水工建筑物与堰槽测流规范（原水工建筑物测流规范、堰槽测流规范、比降面积法测流规范）示踪剂法（国内基本不应用）容积法（可用于潮汐影响河段）3 示踪剂法也被称为稀释法。其原理是：将某种物质（

2、示踪剂）连续均匀、或一次性将一定量的示踪剂突然注入水流中，在水流下游测量水中该示踪剂的含量，或测量该示踪剂含量的变化过程。从而推算流量。应用方法：一次投入法、连续投入法。应用的示踪剂：放射性示踪剂测量放射性射线、粒子 化学示踪剂氯化钠、碘、锂、锰盐 荧光示踪剂示踪剂法简介示踪剂法简介4流速面积法测量流量流速面积法测量流量 按测量流速的方法和仪器的不同，可以分为：1。测量点流速的流速面积法。使用各种点流速仪 2。测量剖面流速的流速面积法。使用剖面流速仪，主要是声学流速仪。3。测量表面流速的流速面积法。使用电波流速仪、浮标。5测量点流速的流速仪测量点流速的流速仪转子式流速仪应用最普遍，也是最准确的

3、流速仪。仪器使用旋桨、旋杯式转子感应流速，测量转子的转速，计算水流速度。声学点流速仪应用声学多普勒原理测量仪器所在点的水流速度。电磁点流速仪应用电磁测速原理测量点流速电波流速仪应用电磁波的多普勒测速原理测量水面点流速光学流速仪由望远镜和旋转镜头为主要组成的测量水面高流速的一种频闪装置。激光流速仪应用光学多普勒原理测量点流速6常用的转子式流速仪LS251型旋桨式流速仪LS253型旋桨式流速仪LS20型旋桨式流速仪LS1206型旋桨式流速仪LS68型旋杯式流速仪LS78型旋杯式低流速仪LS45型旋杯式浅水低流速仪7国内常用转子式流速仪国内常用转子式流速仪8美国应用的主要流速仪 Price type

4、 AA current meter Dumas current meter Type AA ICE Meter 9声学点流速仪 利用多普勒原理测量点流速。仪器的传感器发射超声波，接收仪器前方或下方一固定点处的反射波，测出其多普勒频移，计算流速。特点：这类仪器没有可动部件，可以长期安装在水 中，自动测记点流速。可以测出流速的方向。可以测出垂直于断面的流速分量。10应用多普勒原理应用多普勒原理测速示意图测速示意图 I1发射的频率为f0的辐射波经两次多普勒频移后被I2所接收。I2接收到的反射波的频率为f，则多普勒频移fD为式中：C辐射波的传播速度12分别为V和I1A、I2A连接线的夹角仪器固定后，C

5、、12、f0均为常数，于是可得由此可知，流速V与fD呈线性关系。这是反射式多普勒测速的基本公式。实际使用时，将水中的悬浮物或小气泡作为反射体，测得其运动速度，也就认为测得了流速。2100coscosCVffffDDDKfffCV210coscos/11多普勒点流速仪（多普勒点流速仪（ADV)12多普勒点流速多普勒点流速仪性能仪性能 国内有过这类产品，其性能如下：A测速范围：0.015m/s，只测平行于仪器轴线方向的流速。B流速测量精度：均方差1.5%。C最小适用水深：2cm。D电源：6V或12V。E工作温度：045国外产品技术性能：A测速范围：0.3、1、3、7m/s。B测速准确度：0.5%左

6、右。C测量点与发射换能器距离：5、10、15cm。D使用最小水深：2cm（用于只测单向流速）、6cm和12cm E声波频率：5MHZ。F工作环境：-545。G数据贮存：固态存贮六个月以上（10分钟一次）。H数据通信：RS232、RS422。I电源：818VDC，220VAC。13电磁式点流速仪电磁式点流速仪 利用电磁感应原理测量点流速。这类仪器在水中产生一个人工磁场，水流流过此磁场，相当于电导体切割磁力线，将在水流两侧产生感应电动势。测量此电动势后可以计算出水流的平均流速。特点：磁场只产生在仪器附近，测得的流速被 认为是 仪器所在处的点流速。仪器没有可动部件，不受水中杂质影响。水的电导会影响测

7、速准确性。14电磁式点流速仪原理图电磁式点流速仪原理图15电磁点流速仪电磁点流速仪16电磁点流速仪测速区域：约直径120mm17某国外电磁流速仪技术指标某国外电磁流速仪技术指标流速范围：0.0002.5m/s 测流历时：2,5,10,15,20,30,40,60s 精 度：1%零 飘：2.0mm/s 输 出：RS 232 C 环境温度：5+60 探头材料：环氧树脂 重量：0.5kg 18流速流量测量设备流速流量测量设备 水文测船水文测船 水文缆道水文缆道 水文巡测车水文巡测车 水文测桥水文测桥 涉水测流涉水测流1920缆道测流系统缆道测流系统性能性能系统的主要功能：(1)自动半自动测流；(2)

8、手动测流功能；(3)人工录入数据功能；(4)测次流量报表计算功能；(5)断面流速分布图生成(6)断面测量动态跟踪示图功能；(7)缆道泥沙采样器控制信号发生功能；(8)流量报表Email传输功能；主要技术指标 1 绞车控制：1）驱动电机：三相交流电机2）行车速度：02m/s 3）限位控制：河底信号停车控制，测点定位自动停车控制。2 缆道测距 光电增量编码传感器1）起点距测验（带缆道弧度修正）计数显示、分辨力：0.1m2）缆道测深（入水深）计数显示、分辨力：0.01m3。水文流速测算适应范围：各种转子式流速仪；适应信号：交流音频信号或直流信号；显示参数：当前流速仪K值、历时T、信号数N、流速V；2

9、1几种国产巡测（桥测）车22这是一个测验设施较全的测站，有吊箱缆道、水位井、和一组水尺一个美国水文站23 新型手持涉水测量装置由专用测深杆，小型流速仪和数据采集器组成，测深、测宽、测速数据直接记录在手持的数据采集器上，仪器可自动计算出全断面流量。测量数据可传输给计算机。国外涉水测流24国外较完善的缆道25美国测流吊箱26国外手摇铅鱼测流缆道国外手摇铅鱼测流缆道 国外手摇缆道27美国桥测绞车手推桥测绞车：手摇或电动桥测板：手持和手摇28 常用的这种巡测车用越野汽车改造而成。尾部装有升降灵活的电动驱动升降设备，以悬吊各种型号的铅鱼进行测深测速。桥测车可在桥上测验，也可拖带巡测船下站测验美国巡测车2

10、9巡测船从坡道码头下水，然后开到测验断面，测验后，回到码头，拉上岸，运回。国外巡测船30 国外水文测船31美国先进巡测技术32转子式流速仪等水下水文仪器的信号传输方式 有线传输“无线”传输无线电波传输33水深测量仪器设备测深测具测深杆和测深锤（测绳）测深铅鱼 回声测深仪手持式超声波超深仪 船用超声波测深仪 缆道超声波测深仪 多波束超声测深系统 34手持式超声波超深仪手持式超声波超深仪 在水面以下向河底发射超声波，接收河底的反射波。按照发射接收间的时间间隔和超声波在水中的传播速度计算出水深。一般技术性能：静水测深范围：0.499.99m 测深误差：0.5%2cm 盲区：40 cm 适应流速：5m

11、S 水温修正范围：130 测深方式：单次、自动重复 电源：DC 6、12V 工作温度：045 使用频率：单频，小于200k35 纸记录式 数字式旁侧扫描声纳旁侧扫描声纳用“拖鱼”船用超声测深仪36 测 量 范 围:0.8米40米超 声 波 频 率:100 kHz精 度:1%0.1m适用 最大 流速:5 m/s最大含沙量:30 kg/m3输 入 灵 敏 度:30 mv 或输入信号线与极板间等效电阻大于5信号 传输 方式:一线一地无专用导线传输一种缆道超声测深仪一种缆道超声测深仪3738测量剖面流速的流速仪及流量测量测量剖面流速的流速仪及流量测量测量剖面流速的仪器：一。声学多普勒流速剖面仪（ADC

12、P、ADP、RDCP、FlowQuest 等)1。走航式ADCP 2。固定式。水平式ADCP、座底式ADCP、水面式ADCP。二。声学时差法流速流量测量系统 三。声学多普勒流速流量计 四。电磁流量计39ADCP应用方式示意图40固定ADCP测速原理图1、2超声换能器；3流速；MN河岸或河底41ADCP 走航（流量）测量ADCP在走航测量中测量如下数据：水的相对速度（相对于船的速度，由“水跟踪”测出）船速(由“底跟踪”测出,或由GPS算出)水深（由河底回波强度测出，类似于回声测深仪）船的航行轨迹（由船速和计时数据算出，或由GPS算出）42ADCP主要技术指标1200 kHz600 kHz300

13、kHz标准工作模式(Mode 1)盲区（米）00.251.0最小单元长（米）0.250.51.0最小剖面深（米）0.81.83.5最大剖面深（米）2075180流速量程（米/秒）3.020.0 3.020.0 5.020.0 浅水工作模式(Mode 11)盲区（米）00.25-最小单元长（米）0.010.1-最小剖面深（米）0.30.7-最大剖面深（米）4.08.0-流速量程（米/秒）1.01.0-43应用相控阵技术的河流应用相控阵技术的河流ADCP制造商认为，应用相控阵技术的ADCP可达到以下技术性能：平面相控阵换能器由2592个压电陶瓷单元组成。频率：600kHz测速范围：5m/s，或20

14、m/s；测速准确度：0.3%2mm/s；单元数：自动选择，最多200剖面范围：0.440m；河底跟踪速度范围：9.5m/s；河底跟踪速度准确度：0.3%2mm/s；水深测量范围：70m(15、淡水)；水深测量准确度：1%；温度测量范围：545；温度测量准确度：0.4；倾斜度测量范围：15；倾斜度测量误差：0.5；方位测量范围：0359.99；方位测量误差：2。44ADCP 走航测得的断面流速分布图45ADCP船侧安装美国地调局美国地调局 USGS46ADCP安装在无动力小双体船上美国地调局美国地调局 USGS47 三体船三体船 ADCP OceanScience Gruop RiverBoat

15、ADCP内置内置数传电台数传电台和电池和电池舵槽舵槽48利用缆道进行ADCP流量测量49ADCP无线电遥控作业无线电遥控作业美国地调局美国地调局 USGS50HADCP测流系统 水平ADCP（即H-ADCP）安装在河流或渠道的岸边，水平发射波束涵盖部分或整个宽度的水体，根据测得的一个水层的流速分布数据，结合“回归法”或“流速一面积法”能实时测量并记录河流或渠道的剖面流量，配合各种通讯手段，将测得的流量数据发至指定地点，构成实时流量测量系统51用用HADCP进行流速流进行流速流量自动监测量自动监测52HADCP传感器美国地调局美国地调局 USGS53RTDM（实时流量遥测系统）系统组成：流速测量

16、H-ADCP水位测量数据采集器（或用计算机）：采样控制流量计算数据存储数据远传：电话GSM卫星UHF 中心站54时差法测速原理时差法测速原理 当水体状况一定时，超声波的传播速度是一定的。顺水流传播时，实际传播速度为声速加上水流速度；逆水传播时，实际传播速度为声速减去水流速度。于是，在河流上、下游两岸二固定点之间，声波顺水和逆水传播所需时间有一差别，测出这时间差就能测得水流速度。55时差法流速流量计算211211cos2ttLV式中：V-垂直于测流断面的水层平均流速；L-两换能器之间的距离；t12-两换能器之间声波顺水传输时间；t21-两换能器之间声波逆水传输时间；-两换能器之间联线与断面夹角，

17、一般为45。V12t21t56时差法测流系统时差法测流系统岸上仪器 超声传感器57一种时差法流量计58一种国产时差法流量计59时差法测流系统美国地调局美国地调局 USGS60时差法应用示意图时差法应用示意图交叉声道（可测流向）单声道（不测流向）响应式（不需过河电缆）双层声道（用于水深断面）61时差法反射测速原理62声学时差法流量计适用范围流速10米/秒+10米/秒,能自动判定流向。测速断面宽度可达1000米，深宽比不小于1/50。流速测量的不确定度13。影响测流的主要因素声波频率、含沙量（水草气泡）、测速层的相对水深、传感器安装角度及距离的准确性等。63时差法流速流量计基本性能介绍时差法流速流

18、量计基本性能介绍一种国产产品的基本性能：工作频率：50KH-100KH；声道长度：0.5-400m；测速范围：-4m/s-+4m/s；测速置信度：98%；信号输出：RS232；功耗：5-40W；电源：24VDC、或220VAC。一种国外产品的技术性能A频率：28200KHZ；B水中声道长度：11000m（或更长）；C测速范围：10m/s；D测速准确度：2%（在声道上）；5%（交叉声道工作方式）E 测 速 时 间 间 隔：2、560min（5min间隔）；F输出：RS232和BCD码，0或420mA，05或10V，数字显示；G电源：220VAC，工作功耗35VA，值守功耗5VA。64声学时差法流

19、量计的特性 可以用于各种大中小河流，能较准确地自动测量流量。流态紊乱，有正逆流的感潮河段也可以应用。测量原理合理，能测得全断面一个或几个水层的平均流速，测速准确度高。在国外，时差法流量计很早就被较广泛地采用。HADCP是二十世纪末出现的、用于中小河流的声学流量计。使用时差法流量计要在河的两岸安装声学换能器，要铺设很长的电缆，可能包括垮河电缆，并要有防雷保护，可能有很多困难。不要在水草较多的河道安装时差法流量计，声程上的水草会阻挡声束传播，因光合作用水草冒出的气泡也会阻挡声束传播。其它的水中声学仪器也会受此影响。65 时差法流量计的测速性能优于时差法流量计的测速性能优于 HADCPHADCP 测

20、速准确性好时差法测速时直接接收另一换能器发射的声波，信号强，接收判别处理正确。直接测量声脉冲传输时间，容易准确测量。多普勒法接收的是水中气泡、颗粒漂浮物的杂乱回波，信号很弱，不利于正确测量。同时假定两对称点和断面上相应点的流速是一致的，不易准确测量。流速代表性好时差法的声道横过了整个断面。HADCP往往只能测量岸边一部分断面的水层流速。应用范围大时差法可以测得较低流速，并能在很浅的水中工作，测速水层可宽达千米以上。而HADCP对断面的宽深比有明确要求。常常只能测得数十米内的流速。HADCP能测得流速的剖面分布信息，而时差法只能测得整个声层上的平均流速。66声学多普勒流速流量计 这类仪器也应用多

21、普勒原理测量流速，和座底式ADCP类似。将声学传感器安装在测流断面底部，向上方发射声波，测量断面上的流速分布，同时测得水位。但它们能测量多于一条垂线的流速数据，用于渠道、管道和小河时能直接得到流量。特点：能直接测量流量。适用于渠道、小河、非满管流的管道。仪器类型：能测量两条垂线流速的ADFM。能测量小型断面平均流速的多普勒流 速流量计。67能测量两条垂线流速的ADFM（用于渠道）68能测量两条垂线流速的ADFM（用于非满管管道）69ADFM传感器 岸上仪器70能测量小型断面平均流速的多普勒流 速流量计原理图71电磁法测量流量 应用电磁流量计时需要在所测断面上布设一个能在整个断面上产生磁场的大线

22、圈，整个水流切割磁力线后产生感应电动势，测量此电动势后得到水流速度，再由断面面积计算流量。这种仪器国内应用很少。特点：能测量整个断面的平均流速。自动化程度高。测流系统复杂，布设线圈很困难。只能用于渠道和少量小河。72电磁流量计原理图 73电磁流量计布设 74测量水面流速的流速仪和流量测量测量水面流速的流速仪和流量测量 只测量水面流速，再从表面流速推求垂线或断面平均流速。然后，根据浮标法测流规定，由过水断面面积计算流量。特点：测速时，仪器和人都不接触水流。适 用于巡 测、桥测、洪水、枯季河道流量测量。除浮标法外，能用于自动测量。流量测量的准确性不高。测量水面流速的方法：浮标法 电波流速仪 扫描式

23、雷达测速系统 75电波流速仪简介电波流速仪简介 电波流速仪架在桥上或岸上，向水面发射微波。利用水面反射微波的多普勒频移测量水面流速，可以称为微波多普勒测速仪。超声波在空气中传播时衰减很快，只能在水中测量。而微波在空气中传播时衰减很小，因此电波流速仪可以在陆上通过微波在空气中的传输测得水面流速，属非接触式测量。电波流速仪测得的是其发射接收天线对准水面处的水面流速，也被认为是一个点流速。适用于较大流速。水面太平滑时，反射信号太弱，也会影响测速。76电波流速仪测速原理示意图77仪器性能指标仪器性能指标:(Specification)1测量范围：流速 0.515m/s。Measurement Rang

24、e：（V）0.515m/s.2测量角度：(必要时可达60)俯角（1）2060 方位角(2)030Measurement Angle：angle of pitch（1）2060 angle of position(2)030 (special application:60)3测量时段：（T）10，999秒任意选择 (必要时可小于10秒 10s)Measurement period set：（T）10，999s （T）10，999s randomly selected，10秒 10s国家技术监督局2000年3月19日颁发本产品的生产许可证。编号为：XK34-132-0028制造厂家：水利部南京水利

25、水文自动化研究所78 技术指标技术指标Specification 1单人使用，总重1.3公斤，手持测量或置于三脚架上。2内置可充电电池，连续工作8小时 3内置俯仰角传感器,俯仰角自动改正，手动选择水平角。4抗正常跌落，防雨淋。51）测速范围113米/秒,测速精度0.03米/秒 2）测速范围0.39.3米/秒,测速精度5%6环境温度-30+70。7电波发射锥度角12度。8电波发射标称功率10毫瓦。9电波频率24GHz。79固定自动测流的电波流速仪80扫描式雷达测速系统 将雷达扫描技术用于电波流速仪测速，就构成了扫描式雷达测速系统。此系统可以固定安装在岸上，扫描测量一片河面、海面上的流速分布。还可

26、装在直升飞机上在空中测量难以到达地区的水面流速。特点：能测得大量流速信息。能测得较准确的流量。用于河流的产品还在试用中。81河流雷达测速系统82测流堰槽可用于测流目的的建筑物类型如下：（1）薄壁堰：1）矩形堰；2）V形堰。（2）宽顶堰：1）圆缘宽顶堰；2）矩形宽顶堰；3)V形宽顶堰。（3）三角形剖面堰；（4）流线型三角形剖面堰；（5）平坦V形堰；（6）测流槽：1）矩形槽；2）梯形槽；3）U形喉道槽；4）巴歇尔和孙奈利槽。（7）末端深度法：1）矩形河槽；2）非矩形河槽（近似法）。（8）梯形剖面堰；83应用中影响堰槽测流不确定性的因素应用中影响堰槽测流不确定性的因素1、水位测量因素 可能要求水位测

27、量分辨力为1.0mm或更高，水位测量不确定度应小于20%最大流量所对应水头的1%，水位测量误差应要求在35mm以下。否则将产生相应的附加误差。2、堰槽形状误差因素 堰槽形状尺寸要求很高，薄壁堰堰口要求更严格，可能产生的形状、尺寸误差，使得水位流量关系有所变化，造成附加误差。3、应用环境影响 堰槽对断面上、下游河道以及水位比降有具体要求；对安装也有严格要求；现场应用时，加上 堰槽中泥沙沉积、水生植物和藻类生长等因素都将对流量测量准确性产生影响。4、现场率定的影响 堰槽流量测量都可能需要现场率定一些经验系数，实测流量时常用的流速仪面积法，其本身的流量测量不确定度最高也只能达到3%5%，如果水位测量

28、分辨力是1cm，更可能影响流量率定的不确定度。84水工建筑物测流水工闸门测流 测量闸上水位和闸门过水断面面积（闸宽和闸门开启高度），根据经测定的水位流量关系，得到流量。也可能要测量闸下水位。涵洞测流 在满涵洞过水的情况下，测量上下游水位，根据已有的水位流量关系得到流量。水电站和电力泵站的流量推算 可以按SL20的方法规定，由其工作参数推算流量。85“流速仪流量计”这种方法也属于流速面积法测量流量。使用此方法时，在渠道上人工建设一量水涵洞，变明渠水流为涵洞管流，该涵洞过水断面面积是恒定的。在渠道输水量变化范围内，涵洞始终是满管出流。这样，只要测得涵洞内的平均流速就可测算流量。而涵洞平均流速可以由

29、涵洞相应位置的某点流速来推算。因此，在量水涵洞内安装一台能长期工作且能自动记录的流速仪，就构成了一台自记流量计。特点：简单实用，准确性好。可用于平原渠道，应用范围广。自动测记水量的方法简单可靠。86管道流量测量技术管道流量测量技术 满管流量测量技术满管流量测量技术满管流时，管道整个截面通过水流。流量流量 Q=Fv 式中：F为过水断面面积（管道截面积）；v为平均流速。适用于水资源水量计量的满管管道流量计类型有电磁管道流量计、声学时差法管道流量计、声学多普勒管道流量计、流速流量计、冷水水表和电子远传水表、涡街流量计等产品。前四类产品应用流速面积法原理测量管道流量。冷水水表分为容积式水表、速度式水表和螺翼式水表。涡街流量计也测得水流流速，但直接测量的是涡流数量。文德利流量计测量压差，再转换为流量。孔板流量计测量孔板前水头，得到流量。非满管流量测量技术非满管流量测量技术 非满管流和明渠相同，但过水断面有规律。也应用流速面积法测量流量，测得水位（水深），推求过水断面面积F；测得水流流速剖面分布，推求水流平均流速；用Q=Fv计算流量。87谢谢谢谢姚永熙姚永熙 201488