一体化遥测水位计的设计与应用

文/成都万江港利科技股份有限公司

我国是传统农业大国，农业灌溉用水占社会总用水量一半以上。当前许多灌区现代化水平偏低，缺乏科学的监管手段，落后的水量测量方法造成灌区水资源极大浪费。精准量水是提高灌区农业用水利用率的基础所在，结合先进的测量技术，解决灌区量水难题，对于提升灌区水资源利用率，促进灌区现代化建设具有重要意义。在此背景下，一体化遥测水位计因其采集较稳定、功能集合、操作便捷等优势成为实现精准量水的有效技术之一。

技术简介

一体化遥测水位计集传统水位流量监测站点的水位采集、流量计算、数据存储、供电、通信传输功能于一体，其结构外观如图1所示。采用雷达波或超声波非接触式测量，不受温度、湿度、杂质起泡等外界环境因素影响，可连续精准测量渠道水位、瞬时流量和累计流量，实现水位流量采集、存储、传输等综合功能，具备测量精度高、无需外部供电、安装便捷、免维护标定等优点，主要应用于灌区信息化，农业灌溉干渠、支渠、斗渠、农渠、毛渠等输水渠道的水位流量等监测场景。

图1 遥测水位计外观图

设计原理

1.工作原理

一体式设计，采用超声波式或雷达式原理采集水位，将采集、通信、数据存储、供电系统、通信费、流量计算及机箱外壳集于一体，实现水位采集传输和流量计算功能。以下针对超声波式和雷达式分别介绍：

超声波式

①原理：超声波水位计是一种非接触式传感器，在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号，并通过声波发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。

②优点：无机械可动部分，可靠性高；安装简单方便；适应性强，应用面广；属于非接触测量，不会产生淤堵；采用进口前端传感器时设备高度稳定。

③缺点：有一定盲区。

雷达式

①原理：雷达水位计也是一种非接触式传感器，通过探测自身发出的微波（波长很短的电磁波）被液（物）面反射后的信息换算液（物）面位置。

②优点：温度、湿度、雾等外界自然因素对其影响比较小，且测量精度较高，安装简单；可以测量压力容器内液位，可以忽略高温、高压、结垢和冷凝物的影响；与介质无直接接触；耐腐蚀性强；可在真空环境中使用。

③缺点：有一定盲区。

图2 标准断面测桥安装图示

图3 标准断面侧壁支架安装图示

2.安装方式

安装点位选取依据，可选择测桥安装，如图2所示；也可选择侧壁支架安装，如图3所示。测流渠段的选择与测流准确性有直接的关系，为得到较好的测流结果，测流渠段应尽量满足以下条件：

①测验渠段内无巨大块石阻水，无巨大漩涡、乱流等现象。

②测验渠段宜顺直、稳定、水流集中。

③测验渠段需硬化处理，测流断面宜规整。

④测验渠段应保持顺畅，防止漂浮物堆积。

图4 蓝牙配置

3.蓝牙配置

①使用前确保手机蓝牙功能已开启，蓝牙配置如图4所示，手机定位已打开。同时使用所配备的强磁开关触发设备指示灯处以激活产品，当设备蓝牙激活后红色指示灯会定时闪烁，点击右上角的切换开关将启动蓝牙搜索功能，选择蓝牙名称为“RADAR”开头标记的一段字符串即可配对成功。

图5 一体化遥测水位计组网

②连接成功后，点击“读取数据”。

③输入安装高度相关参数填写，核对设备运行工作时间完毕后，点击保存设置，验证是否设置成功可再次点击读取数据查看参数是否成功配置。

④采集频率，上报周期根据要求进行填写（可设置0～24小时）。

⑤选择其他界面或3分钟不操作后设备会关闭蓝牙连接通道，退出配置模式。

4.组网

4G网络近年在大中型城市和乡镇均已普及。采用星型组网方式选用3G/4G的通信将一体化遥测水位计与服务器进行组网，使用运营商的移动网络，同时后期维护成本低，使用周期长。

通过使用运营商的移动网络3G/4G，支持本地及远程控制。服务器可以设置在云端，也可以设置在管理处本地，通过手机或者PC机登陆远端服务器可远程配置一体化遥测水位工作时间、采集频率、上报周期，配置水位流量关系参数值。一体化遥测水位计的组网如图5所示。

应用实践及效果

一体化遥测水位计在山东省位山周店二干渠闸前、位山周店二干渠闸后试点安装成功并运行。符合《水文仪器基本参数及通用技术条件》和《灌溉渠道系统量水规范》，利用二干渠有闸自由流单孔流量查用表，进行闸门开度40cm处水位流量关系设置，采用多项拟合法输入相关数值。通过水位采集计量瞬时流量对比，采集水位与计算流量误差平稳，平均误差1%。

试运行实践表明，一体化遥测水位计在明渠的设计与应用，可较大程度解决灌区量水过程中存在的测流精度低、水头损失大等问题，解决了具有复杂非线性水位流量关系的明渠测流问题。支撑水位流量测量方法的实施，构建了基于无线传感器网络的灌区水位流量监控硬件平台，针对灌区监测节点分散、传输距离远、供电困难的特点，解决了灌区线型分布无线传感器网络的数据采集与传输问题，最终实现了该平台在实际灌区水位流量监控中的应用。