CS-3型流速流量仪研发与应用

牛 奔 ，王素芬 ，郝改云

（1.济宁市水利局科技研究推广站，山东 济宁 272019；2.济宁水文水资源勘测局，山东 济宁 272019；3.济宁市水利工程施工公司，山东 济宁 272010）

灌区水资源优化调度,污水排放总量控制方案等，需要进行大量的水流测量，其中90%的测量任务是中小型渠道和沟道，目前普遍使用的是便携式转子类流速仪。现有转子类流速仪的设计技术指标，主要是为了满足和适应江河大尺度水测量要求的，而用于灌区和城市污水排放的中小型沟渠水量测量，普遍存在着以下种种不足：1）没有“断面流量自动计算”的功能，不适应基层农民用水协会使用；2）仪器没有测点、测量时间、流速、流量的自动存储，无法实现无纸化测量记录；3）由于传感器体积较大，大多数仪器的最小测深为10～30cm，无法在浅水流渠道测量；4）铅鱼普遍过重，均在5公斤至几百公斤，施测不方便；5）无夜视功能，不适宜在夜间和阴暗天气测量；6）在测杆上安装流速仪测量时，需要穿着皮裤站在水中测量；7）没有与仪器相配套的灌区测水量水及污水排放管理的软件，水量统计分析麻烦。

为解决上述问题，济宁市水利局科技研究推广站进行了“CS－3型多功能流速流量仪、灌区水管理及城市污水排放管理软件”系统的研发工作。该系统运用流体力学、微电子工程学、电子信息技术、计算机编程技术、机械工程学等理论研制而成，具有自主知识产权。系统由曲面涡轮流速传感器、快速测量操作杆、微型铅鱼、智能仪表、测水量水管理软件等构成，主要用于灌区测水量水、污水排放量巡回监测及水源调查等领域，目前已进行了广泛的推广应用。

1 CS-3型多功能流速流量仪设计

该系统主要由传感器、二次仪表、测杆、仪器包、测水量水管理软件等构成。深水渠道还需配合本成果设计的微型铅鱼进行水流测量。

1.1 流速传感器

流速传感器测流原理：流体推动涡轮不断旋转，其转速取决于流体的流速，转动信号经非接触检测探头将其转化为电信号，并计算出流速值。

三维曲面流线型流速传感器具有自主知识产权，由曲面流线型涡轮、宝石轴承、支架、磁敏传感器、快速连接头、传感器保护罩等组成。

1.2 快速连接操作杆

测量操作杆主要在测量水流较浅的沟渠时使用，由两节不锈钢伸缩杆组成，每节1.25m，伸展总长度2.5m。测杆端部为磁性材料，并安装微型滑轮，既可以与传感器快速直连，又可以挂接微型铅鱼，结构简单、安装快捷。在水浅的渠道上测量时，测杆插入传感器连接头的磁性插孔之中，即可靠地连为一体。

1.3 微型铅鱼

微型铅鱼主要在比较深的渠道测量时使用。铅鱼采用儒科夫斯基线型和沉压式混合设计，随着流速的增加，上下部压力差加大，产生对铅鱼的下拉力，纵横尾翼能够保证入水即对准水流方向且夹角小于5°。

1.4 仪器显示功能

通过硬件、软件设计的结合，硬件上充分利用了MSP430超低功耗的特点，分立器件采用CMOS电路、液晶显示屏；仪器软件的设计采用现代操作系统的设计思想，并对传统单片机编程进行改进，嵌入运算数学模型软件，将平均流速计算方程式、各断面形状的断面流量计算方程式等嵌入仪器计算子程序之中，实现仪器各种断面流量运算的自动化。

同时为了适应弱光线条件下以及夜间测量，特设计了背投射光显示功能。仪器对圆管、矩形、梯形、∪型、V型等渠道，可进行流速和断面流量的自动计算，免除了繁杂的人工计算。用于灌区测量时，输入5位测点代码，分别代表各用水户的干、支、斗、农、毛渠道测点，可将测点位置、测量时间、测水员姓名、流速、流量等自动存储。

2 灌区水管理及城市污水排放管理软件

软件主要下载仪器测量存储的数据，并进行相关统计分析。软件主要包括用户系统设置、现场测量数据信息传输或下载、测量仪器功能设置及参数设置、开放式用户数据库、开放式管理软件操作员及管理员授权数据库、各用户水量统计分析计算、各用户用水量电子表格导出等，可对用户开放式设置，设置成任何一个用户的专用管理软件以满足灌区水利信息化监测以及城市污水排放的各种需求。

流速流量仪直接与计算机连接，通过管理软件可将各用水户或排水户的名称代码、测点位置、测量时间、测点流速、断面流量等自动下载到计算机。数据下载完毕之后，输入供排水时间，自动计算各个用排水单位的总用水量及总排水量。对各用排水户、各时段的总水量进行统计分析，存入数据库，输出电子表格和分析曲线等，进行统计分析灌区及城市污水排放的总水量以及时空分布等，并自动更新数据库，生成电子报表，进行统计分析。

为保证数据安全，软件设置了二级密码保护，密码与操作人自动绑定，便于数据责任追踪。灌区用水户（排污户）数据库对管理操作人员完全开放，只要填好各测量监控断面的代码和用户名称，形成“用（排）水单位名称和与之对应的代码一览表”，按照一览表的内容逐项输入，软件自动建立数据库。

3 应用情况

3.1 排污口调查

2008年和2009年，济宁市水资源办公室采用CS-3型多功能流速流量仪开展排污口调查工作，调查各个排污口每年排入河道的污水总量。排污口调查测量点共有113个，涉及济宁市65条河流，排污口断面形状主要有矩形、梯形和圆管。

污水排放口断面一般较小，适合采用测杆操作法测量，利用磁性吸合原理制作的伸缩测杆，能够在5s之内完成测杆与传感器的快速连接。测量时，输入渠道的断面形状及水深，操作人员站在岸边，将传感器插入污水中的测点位置，30s后分别显示平均流速、断面流量等数据。输入5位测点位置代码，即完成测点的数据存储。由于传感器尺寸较小，能够测量水深4cm的浅水流，以便及时掌握排污水量不同时段的变化信息。

利用灌区水管理及城市污水排放管理软件，通过GPRS将存储的数据下载到计算机，进行数据统计分析，圆满完成了每年一度的排污口调查工作。

3.2 灌区测水量水

陈垓引黄灌区有效灌溉面积281km2，多年平均引水 1.31亿 m3，干、支渠 211条，斗渠 740条，农渠 2387条。测水量水队伍由两部分组成，一是陈垓灌区管理处测水队，二是7个灌区用水者协会。为了搞好灌区的节水灌溉，2008年陈垓灌区引入了CS-3型多功能流速流量仪和管理软件。

陈垓灌区管理处测水队负责乡镇级供水渠道的测水量水，根据渠道不同水深，分别采用测杆操作测量或微型铅鱼操作测量，多点法测流。灌区用水者协会负责乡镇内部各村的供水渠道的测水量水，主要采用测杆操作测量，一点法测流。灌区利用CS-3型多功能流速流量仪，实施“干渠定水位、支渠定流量、亩次定水量”的灌溉方式。利用配置的灌区水管理软件，进行灌区水量分布统计分析，根据灌水量的实际变化情况，灌区信息中心及时进行灌溉水量优化配置调度。

该套测流设备操作简单，测量快速，自动运算存储、统计分析。依据灌区的应用对比分析，利用该套测流设备及其管理软件，与传统的转子类流速仪相比提高功效3倍。在测量人员数量相同的条件下，达到了增加测站点数量、缩小测量时间间隔、提高灌区水信息完整度和实时度的效果。