阵列式雷达流速仪河道流量监测

' z9 n/ H" ~% v2 A8 a

一、 方案概述

, I4 P; t t/ v

1.1 方案背景

! \( l$ ^. h E1 j$ I) I, S. e

- R" B, Q* z: Z6 G" h

( D g- _4 Y3 n, A: X

流量资料具有极为重要的作用，涉及防洪安全、水文水利计算、水资源评价等各个方面，因此河流流量测量是水文工作的重要内容。每年需要耗费大量的人力物力去完成测验任务。为了减轻流量测验工作量，长期以来，水文工作者都在寻找减少流量测验次数的方法。

$ R1 q Z% i$ a, V. e1 M# [

常用的方法有：采用缆道测流或者走航测验等技术测流；研发给予水力学、水文学模型的水位推算流量的方法以实现水位推算流量方法；利用旋桨式流速仪对断面多个点进行测流。

; J$ t) u" l0 ~

2 B5 [9 n4 N, r) _& n/ t# X7 V6 Z* ]

传统的测流方法多以单次测流或者人工测流为主。测流的历时时间长，测流的精度不高，且需要耗费水文工作人员大量的时间。

1 d+ G1 ^' r+ F( \" r: `% T8 L. J

现提出一种阵列式雷达流速仪，可以使用在宽河道的流量监测，其安装简便，可以替代人工测流。

+ \" I- t$ v! s0 H4 b. Z- L

6 Q0 \3 ]& `) H U8 V

9 h6 r4 |" A$ [. P6 {

1.2 方案总体概述

( W+ h7 n4 a h% q# O1 F

1.2.1 系统组成

) J4 K3 V# u1 o9 U, d6 X* e

7 N0 U [9 P. v6 L$ U6 R0 w

9 z1 u- t' I0 o

由于水流在不同位置的流速变化较大，故在不同的位置均布多台流速仪，放置一台雷达水位计，供电采用市政供电或者太阳能供电，利用遥测终端机对数据进行汇总。

! }% i* I& B$ D) Q! B

雷达流速仪：用于非接触测量水表面的流速。

0 t9 p0 M1 ]% D/ W

雷达水位计：用于测量桥下河道的水位。

遥测终端机：读取多台雷达流速仪和 1 台水位的数据并且将这些数据进行汇总按照速度面积法计算过整个过流断面的面积。

8 L: p( }6 R6 R% I' ^2 g1 V' _

1.3阵列式雷达流量优点

流速多垂线测量，相对于单流速监测站点的精度更高雷达非接触式测量，免维护，适合野外天然宽河流无人值守，全自动采集和计算流量，适用于汛期的高水位、高流速测量支持水位流量对比分析图，图形和数据化展示测量运行和休眠模式相结合，低功耗宽电压设计防水、防结露、防雷设计，适用于各种野外环境

$ f L, a0 @$ @6 L6 P+ P; O

; W0 S' T5 W- [

配套专用上位机软件，断面数据处理和设备配置参数

* B0 _7 H, L! |. M6 Q% M9 ]

1.4 雷达流速仪的测量原理

( [8 n4 G+ u* |7 d8 u5 i

6 W" E' b/ o* h# x- o

雷达流速仪流速测量基于多普勒效应，探头斜向下发出一束雷达波，雷达波在照射到水体表面反射，由于多普勒效应，发出去和雷达波和接收到的雷达波会产生多普勒频移Δf， 多普勒频移Δf 正比于流速。通过测量多普勒频移Δf 即可测量出流体的流速。

2 o# Z$ w# c, l0 x1 |

1.5速度面积法原理

6 k6 a) O3 W) ~

& q! \* T2 w9 c3 E+ v

% A# [3 m+ z6 B

利用雷达流速仪测量流速 V，利用雷达水位计测量水位 H，预先在控制器设置的断面

' o6 ?( m- u' d3 E0 {

5 Z/ O2 o& C; @3 k% M7 C& J& g

参数，控制器可以利用水位自动换算出过流面积 S，流体的流量公式为：

' S! E" h- |* i0 J' h x& g

4 \4 J% Z, g" H P( ~, q! R

* h" ^8 |5 W( Z

Q= V×S

' k% A5 ]2 I' o' I4 _8 }$ V. T

其中 V- - - -流速， S- - - -过流面积，Q- - -瞬时流量。

3 @& w$ Q1 W5 ~% R8 \8 S

. F/ X% G7 [% T) m7 |* z

x( I3 f: a- z# a" W

由于采用了速度面积法测流，其可以适用于任何形态的断面。

$ ^9 @. B% Q/ @ Y

: U, Q( ?9 y" o9 b

1.6 雷达流速仪的安装示意图

* C; M0 R' \/ H W3 `2 m

雷达流速仪用于河流和渠道的非接触式表面流速测量。流速仪安装在河流、渠道等水体上方（安装高度大于 0. 5m），沿水面夹角约 45 - 6 0 度方向向水面发射雷达信号，反射回来的信号会被传感器接收，并通过分析计算转换为表面平均流速。

7 J7 v; R, y5 C1 ^! `. S- `

/ {* d5 @, q4 l" [* H$ p0 |. n

二、 主要设备参数

5 V5 y' a4 A; U3 S: ~# Y

2.1 雷达流速仪：

" `5 j C% P" v5 Q& n7 w7 m) ~

9 m# h6 U- J) V+ r6 m' Z

2 d* Q: D7 n3 ?5 e- B* u+ O& f

供电范围 直流 12V/24V（极限 DC 9-28V）建议 DC12V

' x7 N. K& J! ^! g( w, ], [

工作电流 平均电流<18mA @ DC12V 25℃ ①

! D( N. z7 Y$ a( u$ e

" t- a5 P# L I4 O

! R0 H! b; \; h; r$ S" ~

工作温度 -30℃~70℃

$ H& z7 ]& F# Q* K- Q0 ?9 x; L7 G

( R2 `) y$ S: `$ }

存储温度 -40℃ ~85℃

9 c- m) H7 z$ v2 b4 d

: J! N t! X2 V" i1 K: H' P7 _

流速范围 0-65m/s (可设置范围 0-18m/s;0-36m/s;0-65m/s),默认 0-18m/s ②

- w6 @/ N: v9 B/ T* X/ H. S

流速精度 1%(1m 以内精度±1cm/s)

& _. g. ?0 G9 i2 ]9 V" {- e

9 I% Z, V8 a7 B

流速分辨率 1mm/s

) n. M# ^6 M/ o9 Q6 ?" b: M

& E1 o2 P+ {9 l. Y

防水等级 IP68

4 x9 B! D# S8 }% B0 d) ~9 N8 K

电源保护 防反接保护,静电放电保护

* w" i$ \; p' ~9 X& U

- h! d% t/ M+ Z% l# ?, h% R

极限工作温度 -35℃~80℃

0 P. n. R2 j: x. S4 {

# d# M+ G; Z- }/ `1 ~ O3 j; E

: C6 C8 F/ O5 l, r, } b' w

通讯接口 RS485 接口(波特率 9600,8,N,1) ,有效传输距离 1000m(>300m 需要

4 ^: {, j* @# p/ f

9 L3 V5 D, @1 a8 O# D

# n& d1 B3 Z% x- Q" Y% L

外接 150Ω匹配电阻) ③

& e# a0 }4 ]( J6 S9 p0 @

通讯协议 标准 Modbus-RTU 协议,功能码 03H

- b7 A# c- X' B6 }: v

7 F+ a. s$ p- ^& @# d% S

测流雷达频率 24GHz

测流天线波束角 水平方向 12°，垂直方向 25°

2 ~" C* n+ r `: }* U+ W4 ?

尺寸 100x100x38mm

6 y- j( e. e$ H

" A9 I: o, B4 _7 e) s# N

重量 0.55Kg(不含线缆与支架)

2.2 雷达水位计

E! @7 u5 R4 H1 m1 i$ ]& y/ A

8 A/ R+ O, u z, |

" E" H" i8 x7 E0 b/ ~

测量范围：0-40m ①

测量精度：±3mm

雷达波频率：24-24.25GHz

) C% u$ O4 O0 v- r

" i; G) ~$ K' ?% W, f

天线角度：(水平和垂直 ,3dB)±6°

9 G4 ~9 k* n- s' @( f" q) Y

测距原理：调频连续波（FMCW）技术

$ ]" s, k, i B3 R

$ Q$ `8 v K: ?- t% g

供电范围：直流 12V/24V（极限 DC 6-28V）建议 DC12V

+ e5 j- b$ w0 l: V( U8 J

0 @- `1 g% s, T- E, y

; k! m2 f" t9 X/ i8 i/ ?3 |

工作温度：-25℃~70℃

# N7 x' f6 L" k$ B1 k

5 i) D9 a1 q) W) I4 m5 r

$ V8 ]# A2 Q) c6 h$ k, N+ a

存储温度：-35℃ ~75℃

" F' S6 r5 h% w/ R& `. M' D) H

0 g+ S5 ?0 g- R" s' \9 s

! m0 V) K0 `8 p* ~4 ?: X$ s

外壳材质：铝合金

& v7 r& r: ^% h+ Z4 H; ^% @" D

4 R: _( ]0 T# Y9 d) q3 n9 l

4 c: G3 P9 y+ I% O

防水等级：IP68

工作功耗：<0.5W @DC12V

" f0 ^+ `& { J! f# |4 C

8 c4 K- g" e- q' G" n

电源保护：防反接保护,静电放电保护

9 Y" n: \. E: D* `0 U

极限工作温度：-30℃~70℃

9 i/ W# p5 w( N1 c; Z) u" f! G- W' v

通讯接口：RS485 接口(波特率 9600,8,N,1) ,有效传输距离 1000m(>300m 需要外接 150

7 U6 B+ @4 {4 R

3 U9 E2 R: H6 `0 x

Ω匹配电阻) ③

! y- K5 N" o! j9 V/ c, B% _( `

通讯协议：标准 Modbus-RTU 协议,功能码

" V6 P$ b4 e6 S; W

接口与线缆：防水航空插头，自带 5m 线缆

3 U1 t/ O. F2 |" N! s7 B1 `" X

2.3 遥测终端机

* Z4 A0 p4 q$ i0 }

q3 \4 e/ N& g) Z7 O

支持水位、流速换算流量

' ^% B3 Z! b2 x# C+ [

, R' V( l- H6 ~& k

配套上位机软件可设置渠道、管道类型参数等

9 o K: D/ T/ y, n+ ~& j7 [

3 w! ?2 z! ?& X7 T/ R) R; f

支持 GPRS/GSM 流量数据远程传输功能

; }2 o0 R# Q- B4 C o. z

( a* v! M Z7 W; Q$ l4 D. G7 i" ?

支持同时向多个站点发送报文

; [3 [' c" J& f5 v1 w+ \5 x

9 ~/ i/ Z4 P) p6 T' B j( d( q9 ^

支持多种工作模式（包括自报模式、查询、应答式、兼容式等）

内置大容量存储空间、支持 USB 本地数据导出功能

0 E0 o. ?% g8 e7 l: Z1 ~% f2 T- |

支持远程升级、配置、维护

& s( Z0 W4 u. z" u. p( _

工作温度：-10-60℃

$ a0 s' V" @- b+ C/ L8 d. n

配套上位机软件

2 N& @/ B1 b1 }. i- P

三、流量换算依据

( V# a$ n& o, P0 d8 F' B; `. ?

3 P: I v2 \8 b

+ C) b+ J6 s4 c* P0 ~' z4 `

依据 GB50179-2015 河流流量测验规范采用多垂线流量计算。

9 i( e4 _/ z9 s# B+ M

将断面划分多个断面，然后计算各垂线的平均流速。通过各垂线的平均流速进而计算出各分割面的流量进而求和得到其累计流量。

' [% a! j6 q" P% t5 J6 ^) ?0 R

: z( }: r3 }9 c/ m4 N+ t5 L r( l9 S

部分流量和断面流量的理论依据：

1 ?9 R1 _9 n8 K

; R! @9 R& W9 E

. J- V0 s0 t7 D4 @6 J7 X

( T7 ^) L1 J" J# r' ? n3 z# q

) a( w# ^( {5 D ^

4 l5 U8 ?! }' ]1 L" W, m

由于雷达流速仪是采用非接触式多普勒效应测流速，因而其测量的表面流速和部分平均流速之间是存在误差的。因而需要采用其他的经过校核过的流速仪进行校核得到校正系数。

% R7 r" i$ x" r# k1 m7 W: G/ i

四、监测站示意图案例

& B, C$ m5 R( R/ `- K% U

5 a {) g) |( j# d: ~" I

示意图

" J0 _, o6 V( n8 h# {. U- B

" f! j8 }7 q' N V: @

2 j+ a/ R" O# X; _! g3 Y: ]: k$ s0 u

2 ]/ Q: U$ g# Z; v# y( W

! R$ s7 M- R2 Q b5 m

K- X. i; W( m: I# U% J

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