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分析一氧化碳流量（liàng）計設計及其在渠道節水中的應用
點擊次數：2143 發布時間（jiān）：2021-01-08 07:16:42
【摘 要】隨著水（shuǐ）資源的（de）日益緊張，對灌區用（yòng）水進行有效地（dì）控製和精確地量測變得尤（yóu）為重要，但由於缺（quē）少量測水設施，我國（guó）大（dà）多數灌區（qū）仍采用按灌溉麵積收費的形式，這不僅助長了水量浪費，而且也易導致管理單位和用水戶之間的矛盾（dùn），給水費計收帶來困難。由於分水洞在灌區灌溉和渠道節水中又占（zhàn）了（le）較大（dà）比重，分布廣，管理難度（dù）很大，因（yīn）此，分水洞（dòng）的計（jì）量精度和自動化管理在渠道節（jiē）水中（zhōng）的作用至關（guān）重要。
東風渠灌區渠（qú）道分水洞總計 1053 個，分水洞都（dōu）無計量（liàng）用水（shuǐ）設施。為（wéi）了加快東風渠灌區計量用水、節水的步伐，我處在東風渠東幹渠上試點建成了一氧化碳流量計，該一氧化（huà）碳（tàn）流量計是由（yóu）四川省（shěng）都（dōu）江堰東風（fēng）渠管（guǎn）理處、四川省水利科學研究院以及四（sì）川信（xìn）德建設有限公司（sī）水工設備製造廠聯合研製。分水洞設計流量 Q ＜ 1m3 /s，管（guǎn）徑在 300mm～ 600mm 之間，分水洞集（jí）精（jīng）確的流量計量、高精（jīng）度一氧（yǎng）化碳流量計控製、全太陽能驅動和無線通（tōng）訊功（gōng）能於一體，讀數直觀，一（yī）體化板閘按照所設定的（de）閘位或者按灌（guàn）溉需求，通（tōng）過改變一氧化碳流量計開度來自動控製流（liú）量。一體化測控智能一氧化碳流量（liàng）計具有操控方便，可遠程實時在線操作（zuò）和監控（kòng），接口標準化，可實現自動化、智能化等特點，正是現代水（shuǐ）利發展的必然方向。
1 一（yī）氧化碳流量計的結構設計
1. 1 分水（shuǐ）洞的結構
分水洞采（cǎi）用了一種封閉式啟閉（bì）閘集成（chéng）閘（zhá）井預製件（jiàn），包括頂節、標準節和底座。與傳統現（xiàn）場澆築的方式相比，集成閘井采用防水設（shè）計，並且安（ān）裝更加方便快捷，很大程度上提高了（le）安裝效率，節約成本。采用事先預製好（hǎo）的啟閉閘支座、啟閉機機座（zuò），保證了設備的安裝精度（dù），提高了設備運行的穩定性，減少了設備的後期維護。分水洞結構除了預製混凝土外，還可考慮采用玻璃鋼或工程（chéng）塑料整體製作，用標準（zhǔn）節調節高度。分水洞結（jié）構設計見圖 1。
1. 2 全封閉式啟閉閘
包括進水（shuǐ）管、直管、出水管、一（yī）氧化碳流量計組和啟閉機組，進水管、直管、出水管從左到右依次（cì）連接，一氧化碳流量計組安裝（zhuāng）在直管和出（chū）水管之間且位於出水管的入口處，一氧化碳流量計組通過聯結杆與啟閉機組的輸出端連接。為防止泥沙淤積影響啟閉，一（yī）氧化碳流量計采（cǎi）用閘板式啟閉結構。密封式啟閉閘為整體封閉管道（dào）式，全部采用不鏽鋼材料（liào），水流通過管道（dào）流（liú）出讓整個閘井內幹燥（zào）無水。伸縮套管與波紋管的設計讓檢修與清理淤泥（ní）更加方便。一氧化碳流量計裝有荷載限製器，其布置受力明確、結構緊湊、動作可靠。當吊具上的荷載達到額定值（zhí）的 110%時，或電機電流超過額定電流 150%時，係統自動切斷操作電源以保護設備安（ān）全。
2 計量儀（yí）器的（de）輕量化設計
在東風渠東幹渠試點的流量儀選用的是一體式 MGG－KL 型電磁流量儀，分別有滿管和非（fēi）滿管（guǎn）兩（liǎng）種類型。由於東幹渠渠道深度大多在 2m 以 上，且分水洞進口（kǒu）管徑大（dà）都在 30cm ～ 50cm 之間，基本（běn）能滿足流（liú）量儀上下遊直管段 5D 和 3D，這種情況就（jiù）選（xuǎn）用的是安裝在全封閉（bì）式啟閉閘閘前的滿管流電磁流量儀。有些渠段還滿足不了直管段（duàn）要求，就選（xuǎn）用了安裝在全封閉式（shì）啟閉閘閘後（hòu）的非滿管流流量儀。
2. 1 測量原理
電磁流量（liàng）計是根據電磁感應的（de）原理來測量導電介（jiè）質的。在管道直徑確定並維持磁場強（qiáng）度不變的（de）情況下，感應電勢的大小與體積流量（liàng）具有一定的線（xiàn）性關係，把此感應電勢引出、放大，就能由儀表顯示介質流量。
2. 2 特點（diǎn）
(1) 優點。測量管與工藝管（guǎn）的口徑可（kě）以相（xiàng）同，管內無（wú）測量元件，無（wú）壓力損失，並可以測量含有顆粒、懸浮物的介質; 輸出信號（hào）不受介質的物理性質影響，輸出（chū）信號與流量大小具有很好的線性關係; 測量範圍（wéi）寬，流（liú）量比達1 ∶ 100。
(2) 缺點。管道承壓及襯（chèn）裏性質（zhì）影響其使用範圍，一般（bān）壓力不超過 4MPa，溫度不超過 150℃ ;流速應大於 50cm /s。
3 全自動計量（liàng）管理（lǐ）設計
3. 1 雲端智慧測控一氧化碳流量計
一氧化（huà）碳（tàn）流量計是集精確的水（shuǐ）位采集、流量計量、高精度（dù）一氧化碳流量計控製、全太陽（yáng）能驅（qū）動( 選配) 和無線通訊功能於（yú）一體的自動化灌溉（gài）設備。雲端（duān）智慧測控一氧化（huà）碳流（liú）量計按照（zhào）所設定（dìng）的閘位或（huò）者按運管單位需求，具備手（shǒu）動控製模（mó）式（shì）、自動開度控製模式、自動恒（héng）定（dìng）流量（liàng）控製模式、自動恒定閘前水位控（kòng）製模式以及自動恒定閘後水位控製模式。配備有本地 LCD 顯示屏，能夠讓用戶控製和（hé）查看配水口的瞬時流量和（hé）當前輸水流量以及灌（guàn）溉（gài）總流（liú）量。
3. 2 高精度（dù）的一氧化碳流量計控製
一氧化碳流量計（jì）裝有一套開度指（zhǐ）示及位置控製裝置，在（zài）電動機不工作的情況下（xià），能跟蹤一氧（yǎng）化碳流量計（jì）的位置（zhì）。開（kāi）度指示在（zài）現（xiàn）地電控櫃( 或手操器) 以數字直接顯示一氧化碳流量計（jì）開度，讀數精（jīng）度為 0．01mm。開度控製設備（bèi）除具備對上、下*限位置控製進行保（bǎo）護外，還有位（wèi）置開度預置的功能。
3. 2. 1 微功耗設計
為滿足水利野（yě）外光伏（fú）供電部署需求，係統采用（yòng）微功耗設計，*低待機功耗≤4. 8W，可有效支（zhī）撐野外部署，不同季（jì）節、不同日照地區都能穩定運行。
3. 2. 2 自清潔自維護功能
針對現有水利分水洞存在鏽蝕及淤積現象，係統設置有自清潔自維護功能（néng），根（gēn）據現場（chǎng）情況自動判斷，定期小幅度啟閉（bì）一氧化碳流量計，或反複按一定策略運行一（yī）氧化碳流量計（jì），有效地防止鏽蝕及淤積現（xiàn）象（xiàng）。
3. 2. 3 遠程管理
通（tōng）過雲端平台實時遠程管（guǎn）理野外設（shè）備，能夠加強維護（hù）、降低（dī）成本並強化渠係控（kòng）製。一套全麵的遠程監控（kòng）工具及先（xiān）進的報警係統可改變原有的運作模式，管理人員無需到達現（xiàn）場即可根據軟件提供（gòng）的詳細實（shí）時信息（xī），對出（chū）現的問題做出快速（sù）回應。用戶可以通過互聯網管（guǎn）理野外裝置，隻（zhī）需要配備網絡瀏覽（lǎn）器和移動通訊網絡接口即可。相對傳統的 SCADA 係統來說，這一方案成本低且配置快。操作人（rén）員可（kě）通過台式（shì）電腦、手機、平板、短 信、電子郵件或微信（xìn）公眾號實（shí）現警報通知、確認（rèn）及緊急警報升級。
4 運行保障
多年來水利設施惡劣的（de）工（gōng）況一直是製約水利信息化建設的絆腳石。許多先進的工業級（jí）設備在水利上並不能可靠地應用，究（jiū）其原因，主要歸結為（wéi）三個因素: ①潮濕的環境; ②雷擊災害; ③*端的溫（wēn）度指標。“雲端智慧閘控係統”根據多年的水利（lì）行業應用經驗，對上述因素進行反複的器件篩選和工藝改（gǎi）進，使得係統能夠（gòu）很好地適應水利行業的苛刻要求。
4. 1 防潮（cháo）技術
濕氣是對 PCB 電路板*普遍（biàn）、*具破壞（huài）性（xìng）的主（zhǔ）要因素。“雲端智慧閘控係統”采用浸潤工藝在印刷電（diàn）路板及零組件（jiàn）塗覆丙烯酸基質保護（hù）層，有（yǒu）效（xiào）地隔離並可保護電路免遭（zāo）潮濕和其它汙物的侵蝕，從而提高線路板的可靠性，增（zēng）加其安全係數，並（bìng）保證（zhèng）其使用壽命。
4. 2 防雷技術
水利設施的防雷是一項係統工程，包含外部防雷和內部防雷兩個方麵。外部（bù）防雷（léi）是對直擊雷的防護，由接閃器( 接閃杆、接閃帶、接閃線、接閃網) 、引下線（xiàn）、接地體等組成（chéng），作（zuò）用是接閃（shǎn）、泄放雷電流，通過該措施可將絕大部分雷電能量直接導入大地（dì）。內部防雷主要由屏蔽、等電位、過電壓保護和安全距（jù）離等組成（chéng），其作用是均衡係統電位，限製過（guò）電壓幅值。“雲端智（zhì）慧閘控係統”不但設計有上述避雷（léi）設施，同時采用了避雷隔離技術、電子信號避雷技術等（děng）多種先進的避雷技術，對係統進行防護。
4. 3 寬溫設計（jì）
水利設施多設在野外，晝夜（yè）、冬夏溫差較大，為保證設（shè）備長期穩定運行。“雲端（duān）智慧閘控係（xì）統”采用（yòng）優於（yú）工業級標準的元器件搭建，工作溫（wēn）度範圍（wéi）可達－10℃ ～60℃，是可以在*端條（tiáo）件下使用的工業級設（shè）備（bèi），確保每台設備在惡劣環境下使用都安穩可靠，並（bìng）保證工業通信的穩定傳（chuán）輸。
5 結語
東風渠灌區內省管幹渠大多數渠道已經完成了續建配套與節水改造工程，渠道的防滲以及過流（liú）能力大大提高，眼（yǎn）下應該是通過精細化管理來節水的有利時機，但是由於灌區（qū）內農業的主要（yào）耕作（zuò）方式還是以農戶（hù）為（wéi）主，支、鬥（dòu）、農、毛渠的規劃混亂，導致在幹渠上分水洞眾多，管理上要麵對每家每戶，並且（qiě）不能計（jì）量用水，這給灌區節水管（guǎn）理帶（dài）來很大困（kùn）難。做為灌（guàn）區管理單位（wèi）來說，分（fèn）水洞的管理能夠智能化，渠道管理難度*大的問題（tí）就解決了，“節水優先”的管理方式才能實（shí）現。
東風渠灌區渠（qú）道分水洞總計 1053 個，分水洞都（dōu）無計量（liàng）用水（shuǐ）設施。為（wéi）了加快東風渠灌區計量用水、節水的步伐，我處在東風渠東幹渠上試點建成了一氧化碳流量計，該一氧化（huà）碳（tàn）流量計是由（yóu）四川省（shěng）都（dōu）江堰東風（fēng）渠管（guǎn）理處、四川省水利科學研究院以及四（sì）川信（xìn）德建設有限公司（sī）水工設備製造廠聯合研製。分水洞設計流量 Q ＜ 1m3 /s，管（guǎn）徑在 300mm～ 600mm 之間，分水洞集（jí）精（jīng）確的流量計量、高精（jīng）度一氧（yǎng）化碳流量計控製、全太陽能驅動和無線通（tōng）訊功（gōng）能於一體，讀數直觀，一（yī）體化板閘按照所設定的（de）閘位或者按灌（guàn）溉需求，通（tōng）過改變一氧化碳流量計開度來自動控製流（liú）量。一體化測控智能一氧化碳流量（liàng）計具有操控方便，可遠程實時在線操作（zuò）和監控（kòng），接口標準化，可實現自動化、智能化等特點，正是現代水（shuǐ）利發展的必然方向。
1 一（yī）氧化碳流量計的結構設計
1. 1 分水（shuǐ）洞的結構
分水洞采（cǎi）用了一種封閉式啟閉（bì）閘集成（chéng）閘（zhá）井預製件（jiàn），包括頂節、標準節和底座。與傳統現（xiàn）場澆築的方式相比，集成閘井采用防水設（shè）計，並且安（ān）裝更加方便快捷，很大程度上提高了（le）安裝效率，節約成本。采用事先預製好（hǎo）的啟閉閘支座、啟閉機機座（zuò），保證了設備的安裝精度（dù），提高了設備運行的穩定性，減少了設備的後期維護。分水洞結構除了預製混凝土外，還可考慮采用玻璃鋼或工程（chéng）塑料整體製作，用標準（zhǔn）節調節高度。分水洞結（jié）構設計見圖 1。
1. 2 全封閉式啟閉閘
包括進水（shuǐ）管、直管、出水管、一（yī）氧化碳流量計組和啟閉機組，進水管、直管、出水管從左到右依次（cì）連接，一氧化碳流量計組安裝（zhuāng）在直管和出（chū）水管之間且位於出水管的入口處，一氧化碳流量計組通過聯結杆與啟閉機組的輸出端連接。為防止泥沙淤積影響啟閉，一（yī）氧化碳流量計采（cǎi）用閘板式啟閉結構。密封式啟閉閘為整體封閉管道（dào）式，全部采用不鏽鋼材料（liào），水流通過管道（dào）流（liú）出讓整個閘井內幹燥（zào）無水。伸縮套管與波紋管的設計讓檢修與清理淤泥（ní）更加方便。一氧化碳流量計裝有荷載限製器，其布置受力明確、結構緊湊、動作可靠。當吊具上的荷載達到額定值（zhí）的 110%時，或電機電流超過額定電流 150%時，係統自動切斷操作電源以保護設備安（ān）全。
2 計量儀（yí）器的（de）輕量化設計
在東風渠東幹渠試點的流量儀選用的是一體式 MGG－KL 型電磁流量儀，分別有滿管和非（fēi）滿管（guǎn）兩（liǎng）種類型。由於東幹渠渠道深度大多在 2m 以 上，且分水洞進口（kǒu）管徑大（dà）都在 30cm ～ 50cm 之間，基本（běn）能滿足流（liú）量儀上下遊直管段 5D 和 3D，這種情況就（jiù）選（xuǎn）用的是安裝在全封閉（bì）式啟閉閘閘前的滿管流電磁流量儀。有些渠段還滿足不了直管段（duàn）要求，就選（xuǎn）用了安裝在全封閉式（shì）啟閉閘閘後（hòu）的非滿管流流量儀。
2. 1 測量原理
電磁流量（liàng）計是根據電磁感應的（de）原理來測量導電介（jiè）質的。在管道直徑確定並維持磁場強（qiáng）度不變的（de）情況下，感應電勢的大小與體積流量（liàng）具有一定的線（xiàn）性關係，把此感應電勢引出、放大，就能由儀表顯示介質流量。
2. 2 特點（diǎn）
(1) 優點。測量管與工藝管（guǎn）的口徑可（kě）以相（xiàng）同，管內無（wú）測量元件，無（wú）壓力損失，並可以測量含有顆粒、懸浮物的介質; 輸出信號（hào）不受介質的物理性質影響，輸出（chū）信號與流量大小具有很好的線性關係; 測量範圍（wéi）寬，流（liú）量比達1 ∶ 100。
(2) 缺點。管道承壓及襯（chèn）裏性質（zhì）影響其使用範圍，一般（bān）壓力不超過 4MPa，溫度不超過 150℃ ;流速應大於 50cm /s。
3 全自動計量（liàng）管理（lǐ）設計
3. 1 雲端智慧測控一氧化碳流量計
一氧化（huà）碳（tàn）流量計是集精確的水（shuǐ）位采集、流量計量、高精度（dù）一氧化碳流量計控製、全太陽（yáng）能驅（qū）動( 選配) 和無線通訊功能於（yú）一體的自動化灌溉（gài）設備。雲端（duān）智慧測控一氧化（huà）碳流（liú）量計按照（zhào）所設定（dìng）的閘位或（huò）者按運管單位需求，具備手（shǒu）動控製模（mó）式（shì）、自動開度控製模式、自動恒（héng）定（dìng）流量（liàng）控製模式、自動恒定閘前水位控（kòng）製模式以及自動恒定閘後水位控製模式。配備有本地 LCD 顯示屏，能夠讓用戶控製和（hé）查看配水口的瞬時流量和（hé）當前輸水流量以及灌（guàn）溉（gài）總流（liú）量。
3. 2 高精度（dù）的一氧化碳流量計控製
一氧化碳流量計（jì）裝有一套開度指（zhǐ）示及位置控製裝置，在（zài）電動機不工作的情況下（xià），能跟蹤一氧（yǎng）化碳流量計（jì）的位置（zhì）。開（kāi）度指示在（zài）現（xiàn）地電控櫃( 或手操器) 以數字直接顯示一氧化碳流量計（jì）開度，讀數精（jīng）度為 0．01mm。開度控製設備（bèi）除具備對上、下*限位置控製進行保（bǎo）護外，還有位（wèi）置開度預置的功能。
3. 2. 1 微功耗設計
為滿足水利野（yě）外光伏（fú）供電部署需求，係統采用（yòng）微功耗設計，*低待機功耗≤4. 8W，可有效支（zhī）撐野外部署，不同季（jì）節、不同日照地區都能穩定運行。
3. 2. 2 自清潔自維護功能
針對現有水利分水洞存在鏽蝕及淤積現象，係統設置有自清潔自維護功能（néng），根（gēn）據現場（chǎng）情況自動判斷，定期小幅度啟閉（bì）一氧化碳流量計，或反複按一定策略運行一（yī）氧化碳流量計（jì），有效地防止鏽蝕及淤積現（xiàn）象（xiàng）。
3. 2. 3 遠程管理
通（tōng）過雲端平台實時遠程管（guǎn）理野外設（shè）備，能夠加強維護（hù）、降低（dī）成本並強化渠係控（kòng）製。一套全麵的遠程監控（kòng）工具及先（xiān）進的報警係統可改變原有的運作模式，管理人員無需到達現（xiàn）場即可根據軟件提供（gòng）的詳細實（shí）時信息（xī），對出（chū）現的問題做出快速（sù）回應。用戶可以通過互聯網管（guǎn）理野外裝置，隻（zhī）需要配備網絡瀏覽（lǎn）器和移動通訊網絡接口即可。相對傳統的 SCADA 係統來說，這一方案成本低且配置快。操作人（rén）員可（kě）通過台式（shì）電腦、手機、平板、短 信、電子郵件或微信（xìn）公眾號實（shí）現警報通知、確認（rèn）及緊急警報升級。
4 運行保障
多年來水利設施惡劣的（de）工（gōng）況一直是製約水利信息化建設的絆腳石。許多先進的工業級（jí）設備在水利上並不能可靠地應用，究（jiū）其原因，主要歸結為（wéi）三個因素: ①潮濕的環境; ②雷擊災害; ③*端的溫（wēn）度指標。“雲端智慧閘控係統”根據多年的水利（lì）行業應用經驗，對上述因素進行反複的器件篩選和工藝改（gǎi）進，使得係統能夠（gòu）很好地適應水利行業的苛刻要求。
4. 1 防潮（cháo）技術
濕氣是對 PCB 電路板*普遍（biàn）、*具破壞（huài）性（xìng）的主（zhǔ）要因素。“雲端智慧閘控係統”采用浸潤工藝在印刷電（diàn）路板及零組件（jiàn）塗覆丙烯酸基質保護（hù）層，有（yǒu）效（xiào）地隔離並可保護電路免遭（zāo）潮濕和其它汙物的侵蝕，從而提高線路板的可靠性，增（zēng）加其安全係數，並（bìng）保證（zhèng）其使用壽命。
4. 2 防雷技術
水利設施的防雷是一項係統工程，包含外部防雷和內部防雷兩個方麵。外部（bù）防雷（léi）是對直擊雷的防護，由接閃器( 接閃杆、接閃帶、接閃線、接閃網) 、引下線（xiàn）、接地體等組成（chéng），作（zuò）用是接閃（shǎn）、泄放雷電流，通過該措施可將絕大部分雷電能量直接導入大地（dì）。內部防雷主要由屏蔽、等電位、過電壓保護和安全距（jù）離等組成（chéng），其作用是均衡係統電位，限製過（guò）電壓幅值。“雲端智（zhì）慧閘控係統”不但設計有上述避雷（léi）設施，同時采用了避雷隔離技術、電子信號避雷技術等（děng）多種先進的避雷技術，對係統進行防護。
4. 3 寬溫設計（jì）
水利設施多設在野外，晝夜（yè）、冬夏溫差較大，為保證設（shè）備長期穩定運行。“雲端（duān）智慧閘控係（xì）統”采用（yòng）優於（yú）工業級標準的元器件搭建，工作溫（wēn）度範圍（wéi）可達－10℃ ～60℃，是可以在*端條（tiáo）件下使用的工業級設（shè）備（bèi），確保每台設備在惡劣環境下使用都安穩可靠，並（bìng）保證工業通信的穩定傳（chuán）輸。
5 結語
東風渠灌區內省管幹渠大多數渠道已經完成了續建配套與節水改造工程，渠道的防滲以及過流（liú）能力大大提高，眼（yǎn）下應該是通過精細化管理來節水的有利時機，但是由於灌區（qū）內農業的主要（yào）耕作（zuò）方式還是以農戶（hù）為（wéi）主，支、鬥（dòu）、農、毛渠的規劃混亂，導致在幹渠上分水洞眾多，管理上要麵對每家每戶，並且（qiě）不能計（jì）量用水，這給灌區節水管（guǎn）理帶（dài）來很大困（kùn）難。做為灌（guàn）區管理單位（wèi）來說，分（fèn）水洞的管理能夠智能化，渠道管理難度*大的問題（tí）就解決了，“節水優先”的管理方式才能實（shí）現。