專利名稱：水利量水技術(shù)的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)量水的技術(shù)領(lǐng)域，包括量水技術(shù)與量水設(shè)備的應(yīng)用，特別是水利量水技術(shù)的應(yīng)用。
隨著水利工程建設(shè)和管理的不斷發(fā)展，社會(huì)對水的需求亦日益增大，農(nóng)業(yè)灌溉，城鎮(zhèn)工業(yè)、生活供水，水資源管理，水文測流，城市、工礦排水排污等方面的供水部門，用水單位，環(huán)保系統(tǒng)，為科學(xué)管水，防旱節(jié)水，按方計(jì)費(fèi)，環(huán)境監(jiān)測等的目標(biāo)，自80年代以來，對計(jì)量水表的需求亦日益增多。
本發(fā)明的目的是，針對這一量水技術(shù)及其量水設(shè)備的應(yīng)用的實(shí)際，灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)為重點(diǎn)，以渠道系統(tǒng)各類通水建筑的計(jì)量技術(shù)為主攻目標(biāo)，研制灌排渠道系統(tǒng)和管道系統(tǒng)兩個(gè)系列的量水技術(shù)及其電子水表，提出水利量水技術(shù)的應(yīng)用。在技術(shù)上研究的起點(diǎn)，也就是著眼點(diǎn)，以電子技術(shù)為主導(dǎo)，從量水技術(shù)上促進(jìn)量水設(shè)備達(dá)到儀表化，而且水利量水技術(shù)及量水設(shè)備的研究開發(fā)是水利事業(yè)上一項(xiàng)長期的基礎(chǔ)性工作，為這一目標(biāo)，申請人在從事長期的水利工作中，對量水技術(shù)的研究方面，收集了大量的情況和資料，目前這項(xiàng)新技術(shù)成果已開始準(zhǔn)備著手轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，灌排渠道系統(tǒng)和管道系統(tǒng)兩個(gè)系列的電子水表，將進(jìn)入水計(jì)量應(yīng)用領(lǐng)域。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，在灌排渠道系統(tǒng)中，根據(jù)渠道本身及其附屬水工建筑的不同類別結(jié)構(gòu)，配以的計(jì)量水表，確定相關(guān)的水力技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)通水設(shè)施的流量計(jì)量公式，確定電子水表的基本構(gòu)造，把量水技術(shù)，水表結(jié)構(gòu)、水利設(shè)施三者結(jié)合一體，在管道系統(tǒng)中，采用電子水表計(jì)量技術(shù)，以管內(nèi)水力切向葉輪為傳感器，用電脈沖信號顯示轉(zhuǎn)換水方量，其特征在于，在渠道系統(tǒng)中，將已配套的水工建筑，采用電子水位跟蹤器的轉(zhuǎn)換技術(shù)，把它作為量水設(shè)備的組成部分，根據(jù)通水建筑的類別大小及其不同的水力參數(shù)，從電子水表的構(gòu)造和種類上，配以由1m3/s到100m3/s范圍內(nèi)多種不同計(jì)量能力的水表，其設(shè)計(jì)方法是，根據(jù)各類通水建筑的不同流量公式綜合出共用性的水力模型公式Q＝CHn，式中Q為流量，單位m3/s，C為綜合性流量系數(shù)，其值小于100，H為計(jì)量點(diǎn)水工建筑的過水深或上下游水位差，單位M，n為運(yùn)行指數(shù)，通水建筑不同n值不同，電子水表構(gòu)造型根據(jù)n值確定，其值在1/2-5/2的范圍選擇，在管道系統(tǒng)中，根據(jù)管內(nèi)有壓流流速分布規(guī)律，從測量管道中心流速著手，計(jì)算出管道橫斷面平均流速，并建立其任一點(diǎn)流速的關(guān)系式，使水表的不同構(gòu)造決定于切向葉輪在管內(nèi)的位置，根據(jù)葉輪的轉(zhuǎn)速即電脈沖數(shù)再轉(zhuǎn)換為累計(jì)水方量，管道用電子水表的計(jì)量能力由計(jì)量點(diǎn)通水最大流量及選用管徑而定，表殼管徑在200mm-2000mm內(nèi)設(shè)計(jì)定型為10種規(guī)格，A型表，葉輪插入管內(nèi)徑中心處，測量最大流速，B型表，葉輪插入管內(nèi)徑1/4處，測量平均流速，C型表，葉輪軸心固定在管壁，三種表型的葉輪均沿水流切向反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，保持水流速與電脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定關(guān)系。
在灌排渠道系統(tǒng)中，根據(jù)計(jì)量點(diǎn)水工建筑類別、水流流態(tài)、模型公式參數(shù)、選定計(jì)量水表，A型表即雙水位表，適用于短管和孔口有壓流的條件，B型、B2型、B3型及C型均為單水位表，用于流量較大的堰槽建筑，閘下出流以及灌排渠道明渠均勻流條件，在堰槽及閘下出流情況，自由流態(tài)或沉溺流態(tài)均可應(yīng)用這類表型。
在以灌區(qū)為重點(diǎn)的灌排渠道系統(tǒng)中，各類通水建筑可共用同一的水力模型公式Q＝CHn根據(jù)所定計(jì)量點(diǎn)水工建筑的不同，選取公式中運(yùn)行參數(shù)C和n值輸入，經(jīng)計(jì)量水表中設(shè)置的電腦運(yùn)行轉(zhuǎn)換為水方量表達(dá)式∑Q＝CHnt＝∫tntoCHndt
在灌排渠道系統(tǒng)中，水力模型公式Q＝CHn中，參數(shù)C為運(yùn)行系數(shù)，其值在A型雙水位表，在B型、B2型、B3型及C型單水位表中均為變量，其值均小于100，在電腦構(gòu)造上設(shè)置兩位整數(shù)兩位小數(shù)，參數(shù)n為運(yùn)行指數(shù)，在A型水表應(yīng)用時(shí)固定為1/2，在單水位表中，B型固定為3/2，B2型固定為1/2，B3型固定為5/2，在C型表應(yīng)用時(shí)為不定值，即為n值1/2-5/2范圍，除1/2、3/2、5/2外的值內(nèi)設(shè)計(jì)選定，在電腦構(gòu)造上n值取一位整數(shù)三位小數(shù)。
在灌排渠道系統(tǒng)，將通水配套的水工建筑作為量水設(shè)備的組成部分的形式有，A型計(jì)量水表在灌區(qū)斗渠及小流量的支、分渠上，利用短管、孔口或閘門上的孔口計(jì)量，在隔水墻或閘門下部留孔口或安短管，管或孔的中心均與渠底相平，在隔水墻的左或右端墻墩上安裝電子水表，A型為雙水位表，傳感部件的兩個(gè)水位跟蹤器，按水表構(gòu)造分別放入上下游兩個(gè)測孔內(nèi)的水面，經(jīng)調(diào)試后即可運(yùn)行計(jì)量，墻墩上做表箱或表房以防護(hù)電子水表，根據(jù)管孔沉溺式有壓流公式Q1＝μω ，式中μ為流量系數(shù)，ω為短管或孔口過水?dāng)嗝?，單位為M2，g為重力加速度，H0為包括流速水頭在內(nèi)的上下游水位差，單位m，在計(jì)量點(diǎn)及其管或孔徑?jīng)Q定后Q1＝μω 變?yōu)镼1＝C1H1/20形式，其中C1＝μω ，通過這一運(yùn)行公式，水工建筑成為量水設(shè)備的組成部分，在單水位水表中，計(jì)量點(diǎn)選擇實(shí)用堰的情況，其流量公式Q3＝εmb H3/2，式中ε為水舌側(cè)面收縮系數(shù)，m為流量系數(shù)，b為堰口寬即堰頂長m、H3為距堰頂上游3-5HamI處，即水表安裝點(diǎn)實(shí)際過水深。根據(jù)這一運(yùn)行公式的指數(shù)值3/2即可確定用B型表，并通過B型表和這一運(yùn)行公式，實(shí)用堰即組成為量水設(shè)備的組成部分，其他水工建筑，如跌水、長喉槽、閘下出流、平坦V型堰，梯形或矩形明渠，無降水曲線的跌水，均可選配單水位表，并按各自的運(yùn)行公式把水工建筑構(gòu)成為量水設(shè)備的組成部分，在管道系統(tǒng)中，管道即為水工建筑，在水表的構(gòu)造上，通過插入式裝配切向葉輪的傳感器，計(jì)量點(diǎn)的管殼即成為水表的通水部件。
在管道系統(tǒng)中，由切向葉輪傳感器及運(yùn)算計(jì)數(shù)部件組成的電子計(jì)量水表，采用插入裝配式結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行參數(shù)的標(biāo)定公式為，水表常數(shù)a＝N/W，a為通過1m3水的葉輪轉(zhuǎn)數(shù)，即電脈沖數(shù)，w為通水試驗(yàn)一次的標(biāo)準(zhǔn)水方容量m3、N為試驗(yàn)一次的電脈沖信號數(shù)，即葉輪輪數(shù)，運(yùn)行系數(shù)C＝1/a，在實(shí)用上電腦內(nèi)裝有10分頻C＝10·1/a，即C值為葉輪為10轉(zhuǎn)通過的水方量，水表管經(jīng)決定C值大小，C值與管內(nèi)流速無關(guān)，水表在運(yùn)行過程，C值連續(xù)累加并顯示為累積水方量，并儲(chǔ)存。
在渠系和管道系統(tǒng)中，采用的電子水表均使用1號干電池供電。
在灌排渠道系統(tǒng)電子水表的構(gòu)造上，有共用性的水力運(yùn)行模型公式Q＝CHn而且式中的兩個(gè)參數(shù)C和n值的數(shù)值范圍已確定，即是系統(tǒng)內(nèi)可完全適用，C值小于100，n值在1/2-5/2范圍，根據(jù)這一技術(shù)方法，二次表即電腦運(yùn)算計(jì)數(shù)部件的構(gòu)造，電腦可以采用單片機(jī)，也可以使用微機(jī)，可由A型、B型、B2型、B3型及C型簡化合為一種構(gòu)造，以n值區(qū)分水工建筑并取代型號，只按一次表即傳感部件分單、雙水位兩種電子水表，在管道系統(tǒng)，選用切向葉輪軸心固定于管頂內(nèi)緣，水阻力最小，雜物可自動(dòng)排除的C型表，水表管內(nèi)徑在200mm-2000mm內(nèi)選擇。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，①量水技術(shù)、量水設(shè)備與配套的水工建筑相結(jié)合，解決了這一方向性問題，減少了專為量水去做新的建筑，可大大節(jié)約經(jīng)費(fèi)，②在渠系水表傳感部件構(gòu)造上采用水位跟蹤式，解決了大流量計(jì)量和雜物干擾兩個(gè)難題，③量水技術(shù)的特征，在渠系對各類配套通水建筑及少數(shù)專設(shè)量水建筑的不同流量公式，研究出共用性流量模型公式Q＝CHn，而且在系統(tǒng)內(nèi)摸準(zhǔn)了兩個(gè)參數(shù)C和n值的范圍，C值為運(yùn)行系數(shù)小于100，n值為運(yùn)行指數(shù)在1/2-5/2范圍，所以這一計(jì)量方法通過電子水表運(yùn)行轉(zhuǎn)換，可對水利供排水系統(tǒng)中各類通水建筑進(jìn)行計(jì)量，在管道，根據(jù)有壓流流速分布規(guī)律，采用流速轉(zhuǎn)換原理，以切向葉輪為傳感部件，測定不同管徑的a和C值，a為水表常數(shù)，C為運(yùn)行系數(shù)，④電子水表構(gòu)造特征上，以電子技術(shù)為主導(dǎo)向儀表化自動(dòng)化方向發(fā)展，在渠系水表，由于提出共用性模型公式Q＝CHn，水表可以定型，由于式中參數(shù)C和n值有確定的范圍，而且n值的選用和變化能反映通水建筑類別及其過水?dāng)嗝嫘螤?，所以水表從?gòu)造上又可達(dá)到通用性、多用途，精度高，由于參數(shù)n值的性能，渠系第二代表，n值在1/2-5/2范圍任意輸入電腦，原A型、B型、B2型、B3型及C型5種將不區(qū)分，換以n值取代，只用傳感部件分單、雙水位表兩種，在管道水表，經(jīng)數(shù)年實(shí)驗(yàn)，已研究并試用的A、B、C型三種，改為C型一種，故不分型號，即生產(chǎn)切向葉輪固定于管壁內(nèi)緣一種，⑤應(yīng)用范圍廣，已開始試用于以灌區(qū)為重點(diǎn)的水計(jì)量領(lǐng)域，⑥適用范圍廣，每套水表用干電池1號4節(jié)供電，液晶顯示，可用一年，可適用野外任何計(jì)量點(diǎn)的條件，⑦便于定型批量生產(chǎn)，成本低，又便于用表單位運(yùn)用管理，⑧從技術(shù)方法和水表構(gòu)造上，用表單位可進(jìn)行自檢自調(diào)，并可自行設(shè)計(jì)選用水表，確定運(yùn)行模型公式中的參數(shù)，⑨研究量水技術(shù)，開發(fā)量水設(shè)備，推動(dòng)量水設(shè)備轉(zhuǎn)向儀表化自動(dòng)化，是水利上為實(shí)現(xiàn)科學(xué)管水的一項(xiàng)長期的基礎(chǔ)性工作，本發(fā)明在這方面將為供排水系統(tǒng)，河湖控制調(diào)水，灌溉系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)用及經(jīng)營管理，水資源管理，水文測流，水環(huán)境監(jiān)測治理等水計(jì)量領(lǐng)域提供一種良好途徑。


圖1，渠系雙水位A型電子水表應(yīng)用示意圖之一圖2，渠系雙水位A型電子水表應(yīng)用示意圖之二圖3，渠系單水位B型電子水表在實(shí)用堰上的應(yīng)用示意4，渠系單水位B型電子水表在跌水上的應(yīng)用示意5，渠系單水位B型電子水表在長喉槽建筑的應(yīng)用示意6，渠系單水位B2型電子水表在調(diào)節(jié)閘建筑的應(yīng)用示意7，渠系單水位B3型電子水表在專設(shè)建筑平坦V型堰上的應(yīng)用示意8，渠系單水位C型電子水表在渠道上的應(yīng)用示意9，渠系單水位C型電子水表在梯形堰口跌水建筑上應(yīng)用之特例示意10，梯形堰口跌水建筑截面示意11，管道A型電子水表構(gòu)造及運(yùn)用示意12，管道C型電子水表構(gòu)造示意13，管道C型電子水表構(gòu)造示意側(cè)視圖下面根據(jù)附圖描述應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施方法的實(shí)施例。
如圖1所示，為某灌區(qū)一個(gè)斗渠口段應(yīng)用雙水位A型電子水表方法，由于閘門1早已安裝不易改造，在閘門1后不小于5倍閘前設(shè)計(jì)水深處，筑隔水墻11，墻內(nèi)下部留孔口或安短管10，為減少明流，管孔中心與渠底相平，電子水表6安設(shè)于隔水墻11左或右端墻墩12頂上，并做表箱或表房5防護(hù)之，水表的兩個(gè)水位跟蹤器4和7分別放入上下游測井3和8內(nèi)，A型電子水表的運(yùn)行原理按短管或孔口有壓流公式Q1＝μω 轉(zhuǎn)換而來，式中μ為流量系數(shù)，ω不短管或孔口的過水?dāng)嗝?，單位m2，g為重力加速度，H0為包括流速水頭在內(nèi)的上下游水位差，單位為m，在計(jì)量點(diǎn)及管或孔徑?jīng)Q定后，Q1＝μω 變?yōu)镼1＝C1H1/20形式，短管0.65，孔口用0.70這一公式經(jīng)轉(zhuǎn)換為Q＝CH1/2通用形式，其中H0為隔水墻11上下游水位差，其最大值按0.3m設(shè)計(jì)，見表一。

設(shè)隔水墻內(nèi)為300mm直徑短管，其運(yùn)行公式為Q1＝0.204H1/2，水表運(yùn)行調(diào)試方法，是通水前將兩水位跟蹤器4、7放置在上下兩個(gè)珊板14、13上，因兩個(gè)珊板14、13面均與管頂內(nèi)緣相平，即為水位差為0狀態(tài)，然后表內(nèi)水位差亦調(diào)0位，并拉緊兩測線后將運(yùn)行系數(shù)C值輸入電子水表6中即可開閘通水計(jì)量。
渠系雙水位A型電子水表，用于短管或孔口，包括園形或正方形孔口的運(yùn)行系數(shù)C值，用表單位亦可自行測定，如表二實(shí)例。

表二是申請人在研究過程進(jìn)行實(shí)測的方法和結(jié)果，這與水力流量理論公式推導(dǎo)值接近，證明這一測試標(biāo)定方法可行，這是產(chǎn)品檢驗(yàn)的最重要手段，是屬于計(jì)量精度測定，單水位表亦可仿此法測定。
渠系及管道電子水表檢驗(yàn)包括三個(gè)方面1)水表組裝檢驗(yàn)，包括部件工藝水平及運(yùn)轉(zhuǎn)效應(yīng)，2)運(yùn)行功能調(diào)試，即一般用靜水模擬法進(jìn)行調(diào)試計(jì)量，3)計(jì)量精度測定，這是在實(shí)驗(yàn)場或灌區(qū)實(shí)用計(jì)量點(diǎn)進(jìn)行通水測試標(biāo)定，經(jīng)過這一程序?qū)δＰ凸絈＝CHn中標(biāo)定的參數(shù)C和n值具有行政和法定效應(yīng)。
如圖2所示，為A型雙水位表與閘門1合一組建情況，在閘門1更換或改造時(shí)，可建成這種形式，利用閘門1過水只能做孔口流，因孔口上還須有小閘門，設(shè)為園孔，按最大內(nèi)徑D800mm計(jì)，閘上下游水位差按最大0.30m計(jì)，見表一，水表運(yùn)行模型公式Q＝CH1/2中，C值為1.56，所以最大流量為Q＝1.56×0.301/2＝0.86m3/s，如水位差不變，過水一個(gè)小時(shí)，則累積水方量水表應(yīng)顯示為，∑Q＝CH1/2t＝0.86m3/s×3600s＝3096m3/h，實(shí)際上水位差H為變量，電子表的構(gòu)造運(yùn)行功能即可把不斷變化的H值傳感給電腦處理。
如圖3所示，為滾水壩中實(shí)用堰15的水工建筑，在灌排渠首及小河段上常有這類工程，壩的兩端側(cè)墻常做成垂直面，過水堰口成矩形，這類堰的水流流態(tài)多為自由流，其限制條件是下游水深h低于堰頂，或Z/P＞0.7，其流量公式Q3＝εmb H33/2 ，式中ε為水舌側(cè)面收縮系數(shù)，m為流量系數(shù)b為堰口寬，即堰底長H3為距堰頂上游3-5HmaI處即水表安裝點(diǎn)的實(shí)際過水深。這一公式則轉(zhuǎn)換為模型公式Q＝CH3/2其中運(yùn)行指數(shù)n為3/2，故適用單水位B型電子水表，水表安設(shè)點(diǎn)位堰上游3-5倍最大設(shè)計(jì)過水深處，規(guī)定這個(gè)距離就是要在降水曲線以上安裝水表，使計(jì)量誤差減小，設(shè)本例ε＝1，即無水舌收縮，流量系數(shù)m＝0.433，堰頂長b＝12m，則運(yùn)行公式Q＝1×0.433×12 H3/2＝23.02H3/2，水表運(yùn)行前有兩種情況進(jìn)行調(diào)試，一是無水通過情況，將水位跟蹤器3放入測井底，即與堰頂平為水深零點(diǎn)，同時(shí)表內(nèi)水深亦回零位，拉緊測線，將運(yùn)行公式中C值即23.02輸入電子水表6中的電腦后運(yùn)行，這時(shí)如不顯示水方量即為正確，否則再調(diào)，二是有水通過情況，將跟蹤器放至測井水面，量準(zhǔn)水深H值，將水表內(nèi)水深調(diào)為H值即可運(yùn)行。
如圖4所示，為灌溉渠道上的跌水之側(cè)，其堰口采用矩形，跌水壩16的頂部平上游渠底在自由流態(tài)情況，其流量公式Q4＝εMbH3/24，設(shè)水舌側(cè)面收縮系數(shù)ε采用0.9，第二流量系數(shù)M為1.6，堰口寬2m，則水表運(yùn)行公式Q4＝0.9×1.6×2H3/24＝2.88H3/24，即運(yùn)行系數(shù)C為2.88，按上述同法分無水及有水情況調(diào)試運(yùn)行。
如圖5所示，為長喉槽17一側(cè)，在灌溉渠道上，有時(shí)會(huì)碰上需要計(jì)量安裝水表的點(diǎn)，但一是該渠段不符合明渠均勻流條件，二是又無其他配套建筑，這時(shí)該點(diǎn)如允許抬高水位，就可建長喉槽17量水，所以長喉槽17系專用量水建筑的一種，長喉槽17過水喉道斷面形式有多種，設(shè)本例為矩形，其流量公式為Q5＝CvCdg0.5R(2/3H5)1.5式中行近流速水頭系數(shù)Cv和喉道構(gòu)造形狀系數(shù)Cd若不計(jì)人，設(shè)喉道寬B為2m，則Q5＝9.810.5×2(2/3)1.5H1.5S＝3.41H3/2S，根據(jù)這一運(yùn)行公式，H5的指數(shù)n為3/2，故應(yīng)選用單水位B型表，水表安設(shè)點(diǎn)應(yīng)在喉道上游規(guī)定距離外渠堤測井3上。測井3底部有連通孔9與渠道內(nèi)的渠水相通。
如圖6所示，為閘下出流情況，在灌溉和排水渠道上常建有節(jié)制閘，以調(diào)節(jié)流量及水位，在利用閘門1控制水流時(shí)就成為閘下出流運(yùn)用情況，在閘門全開情況水流變成堰流條件，本例說明閘下出流的計(jì)量方法，幾年來灌區(qū)管理單位常把節(jié)制閘建筑作為計(jì)量點(diǎn)，但苦無計(jì)量手段，這類建筑在運(yùn)用方式上時(shí)有變化，即有時(shí)閘門全開，有時(shí)要用閘門控制，在排水渠道上亦是同樣運(yùn)用情況，根據(jù)流量公式導(dǎo)出的模型公式，在閘門全開時(shí)為Q6＝CH3/26，應(yīng)選用單水位B型水表，本例為利用閘門1控制的閘下出流情況，根據(jù)節(jié)制閘運(yùn)用方式，由上游水深流量和下游需要流量確定閘門1開啟高度t，開閘后水流有兩種情況，一是自由流態(tài)，即下游水深H2小于閘門開啟高度t，二是沉溺流態(tài)，即下游水深H2大于閘門開啟高度t，在自由流態(tài)時(shí)Q6＝MbeH1-ϵ′e]]>，在沉溺流態(tài)時(shí)Q6＝Mbe ，兩種流態(tài)的水表運(yùn)行模型公式均為Q＝CH1/2形，故均適用B2型水表，而且在開啟度t/H1為任何值時(shí)，兩種流態(tài)的運(yùn)行系數(shù)C值相同，設(shè)這一計(jì)量點(diǎn)為單孔節(jié)制閘，凈寬4m，閘前水深H1為2m，閘門開啟高度e為0.7m，開啟度e/H1＝0.7/2＝0.35，見表三。
Q6＝MbeH1-ϵ′e=0.628×0.952×9.81×4×0.72.00-0.628×7=]]>，7.40×1.591/2,這一結(jié)果即為模型公式Q＝CH1/2形式，其中運(yùn)行系數(shù)C為7.40，運(yùn)行指數(shù)n為1/2，相應(yīng)的上游有效水深H為1.59m，這里請注意，水表調(diào)試時(shí)，在通水情況，把水位跟蹤器4放人上游測井3水面，水表的水深H值須調(diào)為H1-ε′e＝2.00-0.628×0.7＝1.59m，如水流為沉溺流態(tài)，這個(gè)H值須調(diào)為Z′值。
見圖7所示，這種水工結(jié)構(gòu)是80年代以來，在供排水渠道上常見的專用量水建筑，由于有大的過水槽能適應(yīng)大流量，又有橫向V形堰口，小流量精度亦高，而且V形堰邊坡平坦，在1/10-1/20間，故名平坦V形堰，它的適應(yīng)范圍，一是灌排明渠計(jì)量點(diǎn)無均流條件，渠段又無其他通水建筑者，二是擬設(shè)計(jì)量點(diǎn)渠段有落差及渠的首尾段，三是進(jìn)水庫流量站等，本例設(shè)為矩形堰槽，堰寬b為5.60m，堰頂線橫向坡1∶10，由于堰下游渠水面低于V形堰口最低點(diǎn)，故為自由流態(tài)條件，其流量公式Q7＝0.8CdeCvZ mH5/27根據(jù)這一條件的已知參數(shù)代入Q7＝0.8×0.620×0.591 ×10H5/27，所以運(yùn)行公式為Q7＝9.18H5/27，如同一堰槽，其下游渠道水面高出V形堰底最低點(diǎn)0.8m，即為沉溺

流態(tài)條件，其流量公式Q7＝0.8CdefvCvZ H5/2式中fv為淹沒折減系數(shù)，其他參數(shù)不變代人，Q7＝0.8×0.620×0.560×0.995 ×10H5/2＝8.66H5/2，即平坦V形堰自由流及沉溺流其運(yùn)行模型公式均為Q＝CH5/2形式，故均適用渠系單水位B3型電子水表。設(shè)堰上游水表安裝點(diǎn)測井3水深H為1.12m，則自由流條件Q＝CH5/2＝9.18×1.125/2＝12.19m3/s，沉溺流情況Q＝CH5/2＝8.66×1.125/2＝11.50m3/s，即有下游水位頂托影響，上游水深相同流量要小一些，即兩種流態(tài)只變C值。
如圖8所示，為利用有明渠均勻流條件的渠段設(shè)計(jì)量點(diǎn)，該段渠道為梯形斷面，邊坡1∶1.5，縱坡l為1/4000，底寬B為5m，混凝土護(hù)砌其糙率n取值0.015，設(shè)計(jì)水深2.5m，由于這類水工建筑其模型公式Q＝CHn，n為不定值，故先求參數(shù)C及n，以確定應(yīng)選表型及運(yùn)行公式，如找不到n值，就無法應(yīng)用渠系水表。其方法之一，是根據(jù)該渠段計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)斷面水力要素建立的水深H和流量Q的關(guān)系曲線或關(guān)系表上，見表四。

取水深一半處，即H1＝1.25m和最大水深點(diǎn)，即H2＝2.50m兩點(diǎn)，相應(yīng)Q1＝8.42m3/s，Q2＝31.07m3/s，建立聯(lián)立式8.42＝C×1.25n31.07＝C×2.50nC＝ 8.42/(1.25n) ,31.07 = 8.42/(1.25n) ×2.50n取對數(shù)lg31.07+nlg1.25＝lg8.42+nlg2.50求出n＝1.884 所以該梯形渠道計(jì)量點(diǎn)的運(yùn)行公式為Q＝5.53H1.884，應(yīng)選用渠系單水位C型電子水表，電子水表6安設(shè)點(diǎn)在渠道左邊或右邊堤頂?shù)臏y井3上，做表箱或表房5防護(hù)之，在渠道不放水時(shí)可以收回存放，運(yùn)行公式中指數(shù)n為1.884，根據(jù)電腦構(gòu)造可以生產(chǎn)時(shí)預(yù)置，可以應(yīng)用時(shí)輸入，運(yùn)行調(diào)試方法有二，一是通水前水位跟蹤器4放入測井3底即水深零點(diǎn)，水表內(nèi)水深亦調(diào)零位，二是正在通水，跟蹤器4放入測井3水面，水表內(nèi)水深相應(yīng)調(diào)至當(dāng)時(shí)水深點(diǎn)。
如圖9、10所示，為灌溉渠道上梯形堰口跌水之特例，所稱特例是根據(jù)水力理論公式推導(dǎo)，使梯形堰口邊坡角β及底寬B為某值時(shí)，堰口段18不產(chǎn)生降水曲線以保證灌溉水位，本例設(shè)跌水前渠道水深H1＝0.8m時(shí)Q1＝2m3/s，H2＝2.0m時(shí)Q2＝13m3/s，第一步求β和B值，經(jīng)推導(dǎo)堰口底寬B＝0.82m，tgβ＝0.79＝38.31°，第二步求電子表的運(yùn)行公式，根據(jù)梯形堰流量公式Q9＝M(B+0.8tgβH)H3/2由于式中有兩個(gè)H值，所以指數(shù)n為不定值，同上述梯形渠道之法，依據(jù)表五數(shù)據(jù)，求得運(yùn)行公式Q＝CHn中，運(yùn)行系數(shù)C＝3.12，運(yùn)行指數(shù)n＝2.023，則這一計(jì)量點(diǎn)的運(yùn)行公式為Q＝3.12H2.023，由于這一特例，堰口段18無降水曲線，故單水位C型電子水表可安裝在堰口的測井3上。
表五梯形堰口跌水水深流量表關(guān)系表五 梯形堰口跌水水溶流量表關(guān)系
如圖11、圖12、圖13所示，管道電子水表的表型分A、B、C三種，管殼19內(nèi)徑A及B型200mm-800mm6種規(guī)格，C型200mm-2000mm10種規(guī)格，表型依切向葉輪21在管殼19內(nèi)插入位置而定，見圖10所示，A型葉輪21插入管中心，即D/2處，B型插入管徑D/4處，即約為平均流速點(diǎn)，C型切向葉輪軸心固定于管壁內(nèi)緣，水力切向葉輪21均沿水流切向反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為電子表的傳感部件，以電脈沖信號輸入二次表即電腦，二次表放置管外表箱或表房內(nèi)，或在100m距離內(nèi)有線牽進(jìn)室內(nèi)，管道電子水表的計(jì)量原理，根據(jù)管道有壓流流速分布規(guī)律 (V)/(Vmax) = ( (V)/(r0) )n推導(dǎo)，以切向葉輪21的電脈沖信號數(shù)反映管內(nèi)流速，所以從技術(shù)原理上屬流速轉(zhuǎn)換式水表類，式中V為管內(nèi)任一點(diǎn)流速m/s，VmaI為管中心最大流速m/s，r0為管內(nèi)半徑m，y為管內(nèi)任一點(diǎn)距管內(nèi)壁距離m，指數(shù)n隨雷諾數(shù)Re變，其實(shí)施方法，首先從A型表開始，見表六，根據(jù)200mm管徑12次通水試驗(yàn)結(jié)果，可知管內(nèi)流速與與電脈沖數(shù)成非?？煽康恼确€(wěn)定關(guān)系，由此建立起這類水表的運(yùn)行關(guān)系式，即水表常數(shù)a＝ (N)/(W) ，運(yùn)行系數(shù)C＝ 1/(a) ，或C＝10 1/(a) ，式中，a為通過1m3水的葉輪轉(zhuǎn)數(shù)，即電脈沖數(shù)，W為試驗(yàn)一次通過水的標(biāo)準(zhǔn)容積m3，N為試驗(yàn)一次的電脈沖信號數(shù)，即葉輪轉(zhuǎn)數(shù)，C為葉輪1轉(zhuǎn)通過的水量m3，實(shí)用上電腦內(nèi)裝有10分頻，即變成10轉(zhuǎn)的水量，見表六，12次試驗(yàn)a值均為80，C值均為0.125，把這個(gè)C值輸進(jìn)電腦，電子水表葉輪即每10轉(zhuǎn)，電子表就加上0.125m3水方數(shù)，根據(jù)這一方法做成了A型和B型電子水表，C型正在試制中，根據(jù)管道C型表的構(gòu)造，見圖12，水阻力最小，排除雜物能力強(qiáng)，管徑可達(dá)2000mm應(yīng)用范圍廣，今后趨向可能只生產(chǎn)C型一種，三種表型的運(yùn)行參數(shù)a和C值見表七運(yùn)行參數(shù)分析總表，表七中參數(shù)分析方法之例，根據(jù)表六測試標(biāo)定結(jié)果，以A型200mm管徑為準(zhǔn)，

A型中由200mm推導(dǎo)為650mm管徑a＝80÷10.710×0.969＝7.24C＝ 1/7.24 ×10＝1.381式中數(shù)據(jù)，80為A型表200mm水表常數(shù)a，10.710＝0.031/0.332為兩管徑過水?dāng)嗝姹龋?.969＝1.495/1.543為兩管中心流速比，由A型650mm轉(zhuǎn)為B型650mm管徑1.495∶1.242＝7.24∶aa＝6.01 C＝10 1/(a) ＝1.664由A型650mm轉(zhuǎn)為C型650mm管徑1.495∶0.905＝7.24∶aa＝4.38 C＝10 1/(a) ＝2.283請注意，由于C型表切向葉輪直徑各管徑均為100mm，故葉輪端為管內(nèi)任一點(diǎn)流速，同時(shí)由于生產(chǎn)工藝水平的差異及計(jì)算上的可能誤差，表七中水表運(yùn)行參數(shù)經(jīng)再次測試標(biāo)定或其他方法檢驗(yàn)可以隨時(shí)調(diào)整修正。
本發(fā)明采用的電子水表6，采用電腦作計(jì)量轉(zhuǎn)換控制部件，電腦采用單片機(jī)，也可以采用微機(jī)，由于電腦屬于現(xiàn)在公知的技術(shù)，本發(fā)明只是應(yīng)用它來計(jì)量，故未給出采用的單片機(jī)或者微機(jī)的電路圖和結(jié)構(gòu)圖，只需把傳感電路的輸出端與單片機(jī)或微機(jī)配接，將結(jié)果送人顯示裝置顯示即可。

權(quán)利要求
1.水利量水技術(shù)的應(yīng)用，在灌排渠道系統(tǒng)中，根據(jù)渠道本身及其附屬水工建筑的不同類別結(jié)構(gòu)，配以計(jì)量水表，確定相關(guān)的水力技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)通水設(shè)施的流量計(jì)量公式，確定電子水表的基本構(gòu)造，把量水技術(shù)、水表構(gòu)造、水利設(shè)施三者結(jié)合一體，在管道系統(tǒng)中，采用電子水表計(jì)量技術(shù)，以管內(nèi)水力切向葉輪為傳感器，用電脈沖信號顯示轉(zhuǎn)換水方量，其特征在于，在渠道系統(tǒng)中，將已配套的水工建筑，采用電子水位跟蹤器的轉(zhuǎn)換技術(shù)，把它作為量水設(shè)備的組成部分，根據(jù)通水建筑的類別大小及其不同的水力參數(shù)，從電子水表(6)的構(gòu)造和種類上，配以由1m3/s到100m3/s范圍內(nèi)多種不同計(jì)量能力的水表，其設(shè)計(jì)方法是，根據(jù)各類通水建筑的不同流量公式綜合出共用性的水力模型公式Q=CHn，式中Q為流量，單位m3/s，C為綜合性流量系數(shù)，其值小于100，H為計(jì)量點(diǎn)水工建筑的過水深或上下游水位差，單位M，n為運(yùn)行指數(shù)，通水建筑不同n值不同，電子水表構(gòu)造選型根據(jù)n值確定，其值在1/2-5/2范圍選擇，在管道系統(tǒng)中，根據(jù)管內(nèi)有壓流流速分布規(guī)律，從測量管道(22)中心流速著手，計(jì)算出管道(22)橫斷面平均流速，并建立其任一點(diǎn)流速的關(guān)系式，使水表的不同構(gòu)造決定于切向葉輪(21)在管內(nèi)的位置，根據(jù)葉輪(21)的轉(zhuǎn)數(shù)即電脈沖數(shù)再轉(zhuǎn)換為累計(jì)水方量，管道用電子水表的計(jì)量能力由計(jì)量點(diǎn)通水最大流量及選用管徑而定，表殼管徑在200mm-2000mm內(nèi)設(shè)計(jì)定型為10種規(guī)格，A型表，葉輪插入管中心，測量最大流速，B型表，葉輪(21)插入管內(nèi)徑1/4處，測量平均流速，C型表，葉輪(21)軸心固定在管壁，三種表型的葉輪(21)均沿水流切向反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，保持水流速與電脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水利量水技術(shù)的應(yīng)用，其特征在于，在灌排渠道系統(tǒng)中，根據(jù)計(jì)量點(diǎn)水工建筑類別，水流流態(tài)，模型公式參數(shù)，選定計(jì)量水表，A型水表即雙水位表，適用于短管(10)和孔口有壓流的條件，B型，B2型，B3型及C型均為單水位表，用于流量較大的堰槽類建筑，閘下出流以及灌排渠道明渠均勻流條件，在堰槽及閘下出流情況，自由流態(tài)或沉溺流態(tài)均可應(yīng)用這類表型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水利量水技術(shù)的應(yīng)用，其特征在于，在以灌區(qū)為重點(diǎn)的灌排渠道系統(tǒng)中，各類通水建筑可共用同一的水力模型公式Q＝CHn，根據(jù)所選定計(jì)量點(diǎn)水工建筑的不同，選取公式中運(yùn)行參數(shù)C和n值輸入，經(jīng)計(jì)量水表中設(shè)置的電腦運(yùn)行轉(zhuǎn)換為水方量的表達(dá)式∑Q＝CHnt＝∫tntoCHndt。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水利量水技術(shù)的應(yīng)用，其特征在于，在灌排渠道系統(tǒng)中，水力模型公式Q＝CHn中，參數(shù)C為運(yùn)行系數(shù)，其值在A型雙水位表，在B型、B2型、B3型及C型單水位表中均為變量，其值均小于100，在電腦構(gòu)造上設(shè)置兩位整數(shù)兩位小數(shù)，參數(shù)n為運(yùn)行指數(shù)，在A型水表應(yīng)用時(shí)固定為1/2，在單水位表中，B型固定為3/2，B2型固定為1/2，B3型固定為5/2，在C型表應(yīng)用時(shí)為不定值，即為在n值1/2-5/2范圍、除1/2、3/2、5/2外的值內(nèi)設(shè)計(jì)選定，在電腦構(gòu)造上n值取一位整數(shù)三位小數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水利量水技術(shù)的應(yīng)用，其特征在于，在灌排渠道系統(tǒng)，將通水配套的水工建筑作為量水設(shè)備的組成部分的形式有，A型計(jì)量水表在灌區(qū)斗渠及小流量的支、分渠口段，利用短管(10)、孔口，或閘門(1)上的孔口計(jì)量，隔水墻(11)或閘門(1)下部留孔口或安短管(10)，管或孔中心均與渠底相平，在隔水墻(1)的左或右端墻墩(12)上安裝電子表(6)，A型為雙水位水表，傳感部件的兩個(gè)水位跟蹤器(4)、(7)，按水表構(gòu)造分別放入上下游兩個(gè)測孔(3)、(8)內(nèi)水面，經(jīng)調(diào)試后即可運(yùn)行計(jì)量，墻墩(12)上做表箱或表房(5)以防護(hù)電子水表(6)，根據(jù)管孔沉溺式有壓流公式Q1＝μω ，式中μ為流量系數(shù)，ω為短管(10)或孔口過水?dāng)嗝妫瑔挝籱2，g為重力加速度，H0為包括流速水頭在內(nèi)的上下游水位差，單位m，在計(jì)量點(diǎn)及其管或孔徑?jīng)Q定后，Q1＝μω 變?yōu)镼1＝C1H01/2 形式，其中C1＝μω ，通過這一運(yùn)行公式，水工建筑成為量水設(shè)備的組成部分，在單水位水表中，選擇計(jì)量點(diǎn)為實(shí)用堰的情況，其流量公式Q3＝εmb ，式中ε為水舌側(cè)面收縮系數(shù)，m為流量系數(shù)，b為堰口寬即堰頂長m，H為距堰頂上游3-5HmaI處，即水表安設(shè)點(diǎn)實(shí)際過水深m，若計(jì)量點(diǎn)實(shí)用堰無水舌收縮，ε為1，m為0.433，b為12m，Q3＝23.02H3/2，根據(jù)這一運(yùn)行公式的指數(shù)值3/2，即可確定用B型表，并通過B型表和這一運(yùn)行公式，實(shí)用堰(15)即組成為量水設(shè)備的組成部分，其他水工建筑，如跌水，長喉槽(17)閘下出流，平坦V形堰，梯形或矩形明渠，無降水曲線的跌水，均可選配單水位表，并按各自的運(yùn)行公式把水工建筑構(gòu)成為量水設(shè)備的組成部分，在管道系統(tǒng)中，管道(22)即為水工建筑，在水表構(gòu)造上，通過插入式裝配切向葉輪(21)的傳感器，計(jì)量點(diǎn)的管殼即成為水表的通水部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水利量水技術(shù)的應(yīng)用，其特征在于，在管道系統(tǒng)中，由切向葉輪傳感器及運(yùn)算計(jì)數(shù)部件組成的電子計(jì)量水表，采用插入裝配式結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行參數(shù)的標(biāo)定公式為，水表常數(shù)a＝N/W，a為通過1m3水的葉輪轉(zhuǎn)數(shù)，即電脈沖數(shù)，W為通水試驗(yàn)一次的標(biāo)準(zhǔn)水方容積m3，N為試驗(yàn)一次的電脈沖信號數(shù)，即葉輪轉(zhuǎn)數(shù)，運(yùn)行系數(shù)C＝1/a，在實(shí)用上電腦內(nèi)裝有10分頻，C＝10·1/a，即C值為葉輪每10轉(zhuǎn)通過的水方量，水表管徑?jīng)Q定C值的大小，C值與管內(nèi)流速無關(guān)，水表在運(yùn)行過程，C值連續(xù)累加并顯示為累積水方量，并儲(chǔ)存。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的水利量水技術(shù)的應(yīng)用，其特征在于，在渠系和管道系統(tǒng)中，采用的電子水表(6)均使用1號干電池4節(jié)供電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或4或5所述的水利量水技術(shù)的應(yīng)用，其特征在于，在灌排渠道系統(tǒng)電子水表(6)的構(gòu)造上，有共用性的水力運(yùn)行模型公式Q＝CHn，而且式中兩個(gè)參數(shù)C和n值的數(shù)值范圍已確定，即是系統(tǒng)內(nèi)可完全適用，C值小于100，n值在1/2-5/2范圍，根據(jù)這一技術(shù)方法，二次表即電腦運(yùn)算計(jì)數(shù)部件的構(gòu)造，電腦使用單片機(jī)，也可以使用微機(jī)，可由A型，B型、B2型、B3型及C型簡化合為一種構(gòu)造，以n值區(qū)分水工建筑并取代型號，只按一次表即傳感部件分單、雙水位兩種計(jì)量用電子水表，在管道系統(tǒng)，選用切向葉輪(21)軸心固定于管頂內(nèi)緣，水阻力最小，雜物可自動(dòng)排除的C型表，水表管內(nèi)徑在200mm-2000mm內(nèi)選擇適用。
全文摘要
本發(fā)明涉及水利量水技術(shù)的應(yīng)用，針對不同的通水設(shè)施，設(shè)計(jì)出共用性的水力模型公式Q＝CH
文檔編號G01P5/08GK1106141SQ9411585
公開日1995年8月2日 申請日期1994年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月1日
發(fā)明者李生瑞 申請人:李生瑞