澳大利亞Starflow 6526多普勒流速流量?jī)x安裝方案

本方案適用與河道規(guī)則的明渠河道流速流量在線監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)探頭安裝、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送、中心控制室數(shù)據(jù)接收處理幾部分組成。

一、        監(jiān)測(cè)探頭

現(xiàn)場(chǎng)探頭安裝采用澳大利亞生產(chǎn)的Starflow多普勒流速流量?jī)x作為監(jiān)測(cè)探頭。該測(cè)量?jī)x由⑴流量?jī)x和數(shù)據(jù)記錄器；⑵數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸線（連接流量計(jì)于計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)發(fā)射臺(tái)的信號(hào)線）；⑶工作電源（12v蓄電池或12v直流電源）；⑷配套的計(jì)算機(jī)采集、處理軟件和用戶指南等組成。具體詳見(jiàn)圖示（圖1）。

圖 1.1  多普勒流量測(cè)量裝置組成圖

                      圖  1.2  多普勒流量測(cè)量裝置組成圖

本儀器是一種普遍適用于小型河流、渠系、涵管的水量測(cè)量設(shè)備。適用斷面流速21mm/s～4500mm/s,斷面水深0～5.0m；適用工作溫度-17℃～60℃；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量100K；測(cè)量間隔（可編程）5s～1天；測(cè)量時(shí)間（可編程）7個(gè)半小時(shí)～5399天；數(shù)據(jù)傳輸途徑有線計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)取、無(wú)線發(fā)射—接收、手機(jī)短信發(fā)射接收等。

多普勒超聲波水量計(jì)的工作原理

Unidata多普勒超聲波水量計(jì)是通過(guò)測(cè)量流速值、水深值、溫度值，依據(jù)給定的斷面面積自動(dòng)計(jì)算出流量值，并在時(shí)間軸上進(jìn)行總流量的累計(jì)。

通過(guò)測(cè)量某一點(diǎn)的橫截面積和在此橫截面的平均流速來(lái)計(jì)算流量，并zui終計(jì)算累計(jì)用水量。

          W=Q·t

式中：W為用水量，Q為實(shí)測(cè)流量，t為時(shí)間。而流量的測(cè)量通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)定的水流流速和過(guò)水?dāng)嗝娣e進(jìn)行計(jì)算獲得。

Q（流量）=S（橫截面）·V（平均流速）

橫截面面積通過(guò)安裝在儀器底部的壓力傳感器測(cè)量水位，然后根據(jù)渠道的形狀和尺寸計(jì)算得到。

平均流速則根據(jù)多普勒原理測(cè)量，在渠道底部安裝設(shè)備發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，利用測(cè)量聲波被水中移動(dòng)的懸浮物質(zhì)反射回波信號(hào)與發(fā)射頻率之間的頻差，計(jì)算流速。如圖3-1所示。其測(cè)量原理如下：

多普勒效應(yīng)是一個(gè)較常見(jiàn)的現(xiàn)象，通過(guò)聲源發(fā)出一定頻率的聲波，聲源可以靜止，或者以一個(gè)速度在運(yùn)動(dòng)著，聲波被周?chē)橘|(zhì)中移動(dòng)的懸浮物質(zhì)反射后，由接收器（可以靜止或者以一個(gè)速度在運(yùn)動(dòng)）接受到的聲波的頻率可能有所變化，這個(gè)頻率與發(fā)射頻率之間的差值就是通常所說(shuō)的多普勒頻移。其表達(dá)式如下所示：

 （1/秒）

其中：

c：聲波在周?chē)橘|(zhì)中的傳播速度

：接收器移動(dòng)的速度

：聲源移動(dòng)的速度

f₀：聲源發(fā)射頻率

f₁：接收到的頻率

圖2.2 流速測(cè)量示意圖

聲波經(jīng)發(fā)射后，測(cè)量聲波被水中移動(dòng)的懸浮物質(zhì)反射回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)頻率之間的頻差，即多普勒頻移，就可以計(jì)算流速。

在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，首先換能器產(chǎn)生一束超聲波，其頻率為定值，即通常所說(shuō)的發(fā)射頻率，這束波被一個(gè)懸浮質(zhì)以不同于發(fā)射頻率的頻率接受到（或者反射），將這個(gè)差值歸于多普勒頻移，然后又一次反射回多普勒儀器，再一次產(chǎn)生一個(gè)多普勒頻移。兩個(gè)多普勒頻移存在于這個(gè)交換過(guò)程中，前一個(gè)歸于信號(hào)通過(guò)多普勒儀傳到懸浮質(zhì)，第二個(gè)歸于信號(hào)從懸浮質(zhì)反射回多普勒儀。

在這兩個(gè)過(guò)程里，應(yīng)用前述多普勒原理，同時(shí)考慮發(fā)射角ø的影響可以推導(dǎo)以下結(jié)論：

假定 ＝ ＝ ， /c≈0

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其中：

為水流流速

為多普勒頻移

c為聲波在水中的速度

ø為波束與平面的交角

目前所用多普勒儀的接收器能“聽(tīng)”到從任何一個(gè)反射體反射回來(lái)的那束聲波；一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)檢測(cè)到的頻率改變，就是多普勒頻移。系統(tǒng)累計(jì)和分析這些頻移，并且計(jì)算出接受范圍內(nèi)的中間值，從而可以通過(guò)測(cè)量多普勒頻移來(lái)計(jì)算水流流速值：

其中聲波在水中的傳播速度與水溫、組成成分相關(guān)，其具體關(guān)系如表2.1所示，選用聲速時(shí)需要通過(guò)溫度T查表或內(nèi)插求得；。

本儀器發(fā)生頻率 與型號(hào)有關(guān)，當(dāng)前 為一定值：1.563MHz；

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