陕西恒瑞测控系统有限公司
1.概述
1.1.背景
阵列式宽河道流量监测设备河流水位流量监测系统流量监测是水文监测、水资源分配和环境监测治理的重要要素，其功能是为精确测量特定河流断面、各取水口流量的实时数据，为科学调度和决策提供基础数据。
1.2.目的与意义
本系统的建设，对相关行业的意义主要体现在以下方面：
(1)雷达流量监测系统：建设本系统的思想内核是借助雷达测流技术，结合人性化的设计理念，构造一套稳定性高、维护方便的测流系统。
（2）雷达流量计内嵌了流量模型，借助于内置的模型，用户可以输入河流的断面信息以及相应的边界条件，流量计直接输出流量数据；
（3）维护方便：该系统采用非接触的方式测量流量，不受泥沙、水草、河流内容物的影响，可以远程实现设备的升级和维护，大大节约了维持成本。
（4）操作方便的可视化的配置软件：内嵌的模型可以采用可视化的方式进行配置，智能方便。
雷达流量监测系统是采用先进的监测测技术、传输技术实现远程监控，旨在实现对各监测工作站的数据收集整理，通过图表等将水文数据可视化，以便于管理员做出对应决策。
2.系统的构成
2.1.总体架构
雷达流量监测系统阵列式宽河道流量监测设备河流水位流量监测系统将建设成由采集服务器通过数据采集软件采集由一台流量计和多台流速仪构成的水位/流速/流量监测系统进行分析处理，实现实时监控水流量的变化，各级监控中心（省、市、县）通过GIS平台综合监控所有流量监测站点的水位、流速和流量情况，以达到流量监控预警的目的。
3.详细设计
本次详细设计分为监测站点设计、中心管理平台和监控中心三部分。
3.1.阵列式宽河道流量监测设备河流水位流量监测系统监测站点设计重点
宽河道流量监测设计需要重点考虑的因素是：
1)河流横断面流速分布不均匀；
2)河流横断截面不规则，尤其表现为横断面河床高程差异性大；
3)流量监测系统传感器安装施工难度、造价与测流监测系统测量精度的平衡；
3.2.监测站点设计
针对以上设计重点，监测站点设计采用非接触式雷达流量监测系统，避免了接触式测量施工难度大、设备运行期间维护量大、维护费用高的问题。为克服河流横断面流速不均匀、横断截面不规则带来的流量监测数据偏差大的问题，流量监测系统采用一拖多的方式，即由一台雷达流量计和多台流速仪构成。
根据河流断面特点，综合考虑河流河床高程分布以及全断面流态分布，将整个流量监测断面划分为若干的测流分区，每个测流分区部署一台流速仪。雷达流量计可部署于任何一个测流分区。
雷达流速仪主要由雷达流速传感器构成，每一台流速仪所测得的流速值对应其所在测流分区的流速。每一台流速仪通过RS485总线与雷达流量计连接和通信。
雷达流量计由雷达水位传感器和雷达流速传感器构成。根据雷达流量计所测得的水位，结合每个测流分区的河床断面高程，即可得到整个流量监测断面各个测流分区的水位值。雷达流量计测得的流速值对应其所在测流分区的流速值。
雷达流量计通过RS485总线读取各个流速仪测得的流速值，并根据内置模型，将各个测流分区的表面流速转换成相应测流分区断面的平均流速。结合各个断面的几何参数及水位，雷达流量计计算出整个断面的瞬时流量，并自动统计累计流量。
雷达流量计是整个监测站点的调试和通信接口。将雷达流量计与配套的PC端调试软件连接，可对这个监测站点进行参数设置，包括各个测流分区的划分以及各台设备工作参数的设定。
3.2.1.系统功能
阵列式宽河道流量监测设备河流水位流量监测系统根据河流不同采取的监测方式不同，监测站建设地点在监测位点附近，具备就近取电条件，供电方式可以选择市电或者太阳能供电；
3.2.1.1. 雷达波流速水位流量法
针对非标准断面，可采用雷达流量计法。断面流量为一定时间内的流量=平均流速*水流截面积*岸边系数，通过雷达流速探头可以获取平均流速；通过雷达水位探头可以获取水深。根据断面形式、底（纵）坡和糙率对流速场分布进非接触式测流主要设备为雷达流量计，其包含两个探头，一个测表面流速，另一个测水位，如下图所示。
根据雷达流量计内置的水力模型，通过预先设定的断面参数，将测得表面流速转化为断面平均流速。同时，按照实测水位，雷达流量计结合断面几何参数，自动算出断面面积，根据流速面积法公式，求得流量。
3.2.1.1.1.系统组成及功能
阵列式宽河道流量监测设备河流水位流量监测系统以无人值守、有人看管的管理模式建设。多台流速仪通过RS485总线与雷达流量计连接，雷达流量计通过RS485接口与数据采集终端（RTU, Remote Terminal Unit）连接，RTU与远端的监测平台进行无线通信，实现水情信息的自动采集和远程传输。雷达流量计整个监测站点与PC端调试软件的接口，将雷达流量计与配套的PC端调试软件连接，可对这个监测站点进行参数设置，包括各个测流分区的划分以及各台设备工作参数的设定。实际配置中还应根据监测点实际条件配置供电设备、避雷设备以及必要的安装设施。
自动监测流量站设备组成结构参见下图。
根据河流断面特点，综合考虑河流河床高程分布以及全断面流态分布，将整个流量监测断面划分为若干的测流分区，每个测流分区部署一台流速仪。雷达流量计可部署于任何一个测流分区。
雷达流速仪是采用先进的24G K波段平面雷达技术，通过非接触的方式测量水体的流速。每一台流速仪所测得的流速值对应其所在测流分区的流速。每一台流速仪通过RS485总线与雷达流量计连接和通信。
雷达流量计是一款基于微波技术的全自动流量计，它采用先进的24G K波段平面雷达技术，通过非接触的方式测量水体的流速和水位，根据内置的软件算法，计算并输出实时断面流量及累计流量；该产品具有功耗低、体积小巧、可靠性高、维护方便的特点；测量过程不受温度、泥沙、河流污 染物、水面漂浮物等因素的影响。雷达流量计的组成包括：雷达流速传感器、雷达水位（液位）传感器、流量积算模块、安装支架组成。根据雷达流量计所测得的水位，结合每个测流分区的河床断面高程，即可得到整个流量监测断面各个测流分区的水位值。雷达流量计测得的流速值对应其所在测流分区的流速值。。
雷达流量计依据所测断面的流速及断面面积计算流量，是在不改变河流边界的条件下准确测量流量的一种较好的非接触式测量方法。雷达流量计通过RS485总线读取各个流速仪测得的流速值，并根据内置模型，将各个测流分区的表面流速转换成相应测流分区断面的平均流速。结合各个断面的几何参数及水位，雷达流量计计算出整个断面的瞬时流量，并自动统计累计流量
雷达流量计可以通过RS485的方式传输测量结果，也可以通过集成的无线Lora技术实现3公里以内的数据传输，或者通过集成的RTU通过4G等无线技术实现与远端监测平台的通信。
3.2.1.1.2.安装要求
阵列式宽河道流量监测设备河流水位流量监测系统安装方式采用野外一体化机架和不锈钢机箱方式，在机架直立杆腰部合适高度安装机箱、通讯天线等模块，机箱要求能可靠锁住，通讯模块天线等能合理、牢固地安装在机架上，监测站的正南方向不应有高大建筑物或树木遮挡。各安装点能在水平和垂直方向具备一定的调节能力，避免安装设备的相互干扰或遮挡。
将 RTU、通讯模块、流速仪（雷达流量计）、数据转换模块等规范集成在一体化不锈钢机箱内，并且要求安装牢固，箱内各线缆采用线槽布置，线缆头采用接线端子压接。
（1）机箱采用不锈钢材料制作，一体化机架可采用镀锌管或不锈钢材质。
（2）一体化机架和机箱外观应美观、大方，比例适当，表面光洁，焊接部分不能有夹渣、气孔等缺陷，机箱上应该有标明为防汛设备或同类信息的警示标识。
（3）一体化机架、机箱、天线、雨量筒等部件金属外壳需要形成等电位体，最终通过机架接到保护地网上。
（4）机架、机箱和其他部件采用不锈钢材质连接件、紧固件进行连接和紧固，各种外露的线缆采用不锈钢包塑波纹管保护。
（5）现场安装可借助于桥梁，支架等现有的建筑基础，但必须保证流速仪雷达波发射方向与水流方向平行，流速仪发射波与水面呈小于 60°的夹角。
雷达流量计安装图片
雷达流速仪安装图片
3.2.1.1.3.主要设备参数
雷达流量计：
⚫ 雷达工作电压：7-32VDC
⚫ 工作电流：12VDC输入，工作模式：
⚫ 测距雷达频率：24GHz
⚫ 测量范围：0.8-40 米
⚫ 测量精度：≤±5mm
⚫ 测速雷达功率：100mW
⚫ 雷达频率：24GHz
⚫ 最大测程：40m
⚫ 测速范围：0.03~20m/s
⚫ 测速精度：0.01m/s
⚫ 天线角度：12°
⚫ 测量方向：自动识别水流方向，内置垂直角度校正
⚫ 防护等级：IP68
雷达流速仪：
⚫ 雷达工作电压：7-32VDC
⚫ 工作电流：12VDC输入，工作模式：
⚫ 测距雷达频率：24GHz
⚫ 测速雷达功率：100mW
⚫ 雷达频率：24GHz
⚫ 最大测程：40m
⚫ 测速范围：0.03~20m/s
⚫ 测速精度：0.01m/s
⚫ 天线角度：12°
⚫ 测量方向：自动识别水流方向，内置垂直角度校正
⚫ 防护等级：IP68
3.2.1.1.4.配置方案
阵列式宽河道流量监测设备河流水位流量监测系统河道非接触式流量监测，是在满足测流精度要求的情况下，根据引水河道断面情况，按照河道宽度，选择不同的监测方案：10m以下河道采用单点（杆式）安装测流方式，10-20m河道采用双点（杆式）安装测流方式、20m以上河道采用阵列（缆道）安装测流方式，并根据不同安装方式配置适当的测流设备。
非接触测流方案设备配置表
序号仪 器 设 备 名 称单位数量备 注
一单点（杆式）安装测流方式设备配置表
（注：仅在河流一侧岸边架设一台流量计）
1雷达流量计台1
2RTU遥测终端个1
360W太阳能电池板套1
465AH免维护蓄电池块1
5信号避雷器个1
6电源避雷器个1
7立杆及安装基础（含缆道）套1
8一体化仪器柜个1
9防雷接地处1
10流量率定与比测点1
二双点式（杆式）安装测流方式设备配置表
（注：在河流两侧岸边各架设一台流量计，每台流量计代表整个河流一半的流量，两个流量计的流量代数和为整个河流的流量）
1雷达流量计台1
2雷达流量计台1
3RTU遥测终端个1
480W太阳能电池板套2
580AH免维护蓄电池块2
6信号避雷器个2
7电源避雷器个2
8立杆及安装基础（含缆道）套2
9一体化仪器柜个2
10防雷接地处2
11流量率定与比测点1
三双点式（杆式）安装测流方式设备配置表
（注：在整个河流断面架设一台流量计和多台流速仪，流量计输出整个河流断面的流量）
1雷达流量计（主机）台1
2雷达流速仪（从机）台n最多架设9台流速仪
3RTU遥测终端个1
4200W太阳能电池板套2
5150AH免维护蓄电池块2
6信号避雷器套1
7电源避雷器套1
8立杆及安装基础（含缆道）套1
9一体化仪器柜个1
10防雷接地处1
11流量率定与比测点1
3.2.1.1.5.单点杆式安装方式
杆式流速仪支架由主钢管柱、水平钢管、钢筋混凝土基础三部分组成。主钢管柱高5～6米，选用直径300～200mm、壁厚8mm的热镀锌八棱变径钢管，太阳能电池板安装在柱顶；水平钢管悬臂长度为2～6米，选用直径250～150mm、壁厚6mm的热镀锌八棱变径钢管。钢筋混凝土基础根据地质情况可采用C30独立基础或桩基础，当建设地点位于河道内、较陡斜坡上或地基土较差时采用桩基础
单点杆式安装方式，采用在河流的一侧岸边架设一台流量计的方式进行流量监测。以雷达流量计安装位置距河面8米为例，雷达流量计流速测量扇面垂直于水流方向的直径约为4.25米。由此可见雷达覆盖面有限，很难用流量计所覆盖流域的流速代表整个断面的流速。
采用此方案，现场施工量最小，但测得的河流断面的流量偏差很大。因此不建议采用此方案。
3.2.1.1.6.双点杆式安装方式
双点杆式安装方式与单点安装方式基本相同，采用在河流的两侧岸边各架设一台流量计的方式进行流量监测。每台流量计代表整个河流一半的流量，两个流量计的流量代数和为整个河流的流量。
与单点杆式安装方式相同，由于雷达覆盖面有限，很难用流量计所覆盖流域的流速代表整个断面的流速。
采用此方案，现场施工量较小，但测得的河流断面的流量偏差仍然很大。因此不建议采用此方案。
3.2.1.1.7.阵列（缆道）安装方式
当河道宽度大于20米时采用阵列（缆道）安装方式。阵列（缆道）安装方式由缆道钢管柱、拉索、钢柱基础、地锚基础四部分组成。缆道钢管柱高6米，选用直径300～200mm、壁厚12mm的热镀锌八棱变径钢管，柱顶固定流速仪拉线和拉锚索；拉线规格为1×7∅11.40镀锌钢绞线，长度应根据现场实际情况确定。钢柱基础、地锚基础均采用C30独立基础，以天然地基作为基础持力层，地基承载力特征值不小于120kPa
采用阵列安装方式，即一台流量计拖多个流速仪的方案，可以克服河流横断面流速不均匀、横断截面不规则带来的流量监测数据偏差大的问题。阵列安装方式根据河流断面特点，综合考虑河流河床高程分布以及全断面流态分布，将整个流量监测断面划分为若干的测流分区，每个测流分区部署一台流速仪，雷达流量计可部署于任何一个测流分区。这种安装方式很大程度上降低了因自然河流断面不规则、流速分布不均匀对流量测量造成的偏差。在施工方面，既有桥梁或架设缆道有成熟的工程经验可以借鉴。因此建议采用阵列安装方式对宽河道进行流量监测。
3.3.PC端调试界面
雷达流量计是整个监测站点的调试和通信接口。将雷达流量计与配套的PC端调试软件连接，可对这个监测站点进行参数设置，包括各个测流分区的划分以及各台设备工作参数的设定。
3.4.中心监测管理平台
中心监测管理平台负责实现对各个测流点的流量数据监控、数据同步上传、历史数据查询、统计分析、权限管理等功能。
略
辛工：18513203886
