一种用于田间作物净灌溉用水量计量的超声波水表智能量测系统研究

彭思易 余学芳 谢林聪

(浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018)

为深入贯彻节水优先方针，实施农业用水总量控制和定额管理制度，需要加强农业用水管理，推进节水灌溉，实现水资源高效利用，实现农业灌溉用水总量控制和定额管理，这些都离不开农田灌溉水有效利用系数(以下简称“利用系数”)这个指标[1]。利用系数是评价灌溉渠系工程状况和管理水平的一个重要指标，它既反映了灌区各级渠道的渗漏损失，又反映了在管理过程中无益的水量损失。利用系数测算首先要知道田间作物的净灌溉用水量，净灌溉用水量需要在灌区内选取典型田块，量测田间作物的用水量，通过换算得到。田间净灌溉用水量是衡量灌溉用水效率的重要参数指标[2]，如何对灌区灌溉用水进行量测及控制对提高灌溉用水效率尤为重要[3]。

要精准量测典型田块作物的灌溉水量，需要设置计量设施。选择的典型田块一般要求位于末级渠道，由于末级渠道现场条件复杂，典型田块有可能存在边界不清楚、形状不规则、与灌区面积不协调，种植作物、进水口不够单一等情况，即便选出了典型田块，但由于多是U形渠道，不便于在末级渠道设置简易量水槛或采用标准断面量水，笔者在此之前提出了在田块里设置量水槛[4]，但发现占地较大，且末级渠道距离较远，现场若采用人工读数和巡检的管理模式，存在着计量和管理上的弊端，需要积极构建能够自动读数、实时监控管理、正确计量的一种智能测量系统，并且在灌水前要完成现场工作。

目前有些灌区采用机械水表量测田间作物用水。机械水表是利用机械测量元件把流体连续不断地分割成已知的体积单元，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量的体积总量，具有成本低、简单易于实现的特点，但是无法解决山区距离较远需要到现场人工读数的问题。

基于此，本文提出了一种在典型田块设置的超声波水表智能量测系统。该系统中被测管道内无任何运动、阻流部件，无磨损，压力损失小，灵敏度高，可检测到流速的微小变化；同时，对被测介质几乎无要求，具有极宽的量程比；该水表具有精度高、功耗低等特点[5-6]；此外智能系统占地面积小，农户易接受，非常适合复杂条件下田间作物的灌溉用水计量。

1 超声波水表智能系统组成

该自动系统由管道、水表与水表井和太阳能装置三大部分组成。超声波水表自动量测系统平面示意图见图1，超声波水表自动量测系统立视示意图见图2，水表井平面图和水表井剖面图见图3和图4。

图1 超声波水表自动量测系统平面示意图 (单位:cm)

图2 超声波水表自动量测系统立视示意图

图3 水表井平面图 (单位:cm)

图4 水表井剖面图 (单位:cm)

1.1 管道

为了做到进水可控，可在渠道内管道进口设置阀门，即每次灌水时将阀门打开，灌水结束后将阀门关闭。水管在取水口部分采用弯头，保证取水，弯头为口径150mm的45°PVC管，弯头底高程不高于渠道最低水位或与渠底齐平。水管在水表进出口用口径为150mm的45°PVC弯头和管道相接，弯头出水口底部尽量高出田面5cm，防止田里的水倒流。直管为口径150mm的PVC管，直管与弯头、直管与水表法兰盘连接处涂胶水。

1.2 超声波水表与水表井

超声波水表主要由换能器、电子线路及流量显示、累积等部分组成。超声波水表采取时差法[7]对流量进行测量，即在测量通道(管段)的上游和下游分别安装一只超声波换能器，用于相互之间超声波信号的发射和接收(见图5)。由于超声波信号与水流信号叠加，使声波在顺流和逆流时的传播速度不同，顺流方向传播速度增大，逆流方向则减小，同一传播距离有不同的传播时间，因此不同的换能器发射的超声波信号在水中的运行时间不同，通过测量该时间的差值可计算出流体的流速，然后再换算成流量，从而实现流量的测量。

图5 时差法超声波水表测量示意图v—水流速度；θ—超声波的入射角；D—管道直径；L—换能器1到换能器2的距离

在管道的上、下游分别安装换能器1和换能器2，当灌水时，水流通过管道，超声波信号从换能器1向换能器2发射信号，此时为顺流发射，顺流传播时间为T1，同时从换能器2向换能器1发射信号，此时为逆流发射，逆流传播时间为T2。由于水流速度的影响，T1和T2不相等，存在一个时间差ΔT，最终通过ΔT计算出流量。设c为超声波速度，A为管道的横截面积，则T1、T2可以表示为

(1)

(2)

(Qc2≥v2cos2θ)

(3)

根据式(3)，流速为

则流量为

换能器将电能转换成超声波能量，并将能量信号发射到被测的水体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供显示和计算，实现了流量的测量。

水表井采用砖砌形式，水表井尺寸为40cm×40cm×28cm。井内侧表面和外侧表面全部用水泥砂浆抹面，上面加井盖，保护超声波水表，井盖尺寸为46cm×46cm。图3、图4中尺寸标注11.5cm为一块砖的宽度。井底土壤应夯实，在其上铺厚2cm的水泥垫层，再在上面砌筑井底砖。

1.3 太阳能装置

太阳能装置主要由太阳能板、设备箱和立杆组成。太阳能板是太阳能发电系统中的核心零部件之一，其作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存储于蓄电池内备用。太阳能板朝南以45°角安装。

设备箱里有蓄电池、太阳能控制器和远传终端。太阳能控制器是由专用型处理器CPU、电子元件、显示屏、控制开关功率管等构成。在太阳能发电系统中，太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命，同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。同时记录并显示系统各种重要数据，如充电电流、电压等。

蓄电池组是将太阳电池方阵发出的直流电储存起来供负载使用。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电,同时方阵给负载用电,晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此,要求蓄电池的自放电尽量小，而且充电效率要高,同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。

2 超声波水表智能系统特点

a.超声波水表采用管段式结构，基本等同水管，不会发生内部堵塞情况，被测管道内无任何阻流部件，无磨损，压力损失小。

b.超声波水表量程范围宽，可检测到流速的微小变化，计量准确度更高，灵敏度高，对被测介质几乎无要求。

c.超声波水表采用非接触测量，不受砂粒、空气等杂质的影响，对计量水质无导电要求，同时几乎不受流体黏度等因素的影响，使用寿命长。

d.超声波水表结构简单、便于维护，占用田块面积小，农户易接受。

e.在后台读取数据方便，节省了远距离现场读数花费的人力成本，提高了灌区现代化管理水平。

f.虽然超声波水表需要在满管状态下进行测量，但是农田灌溉本身就是从水源放水进行灌溉，不存在测量点出现非满管流现象。

g.超声波水表需要在满管情况下测量，且测量结果的稳定性容易受到介质中气泡、杂质等影响，安装周边如果有电场、磁场或安装方式不对都会影响到测量结果的准确性。

3 结 语

本文提出了一种非末级渠道在典型田块设置的超声波水表智能量测系统，该系统结构简单、便于维护；具有精度高、读取数据方便，节省远距离现场读数花费的人力成本，且占地面积小、农户易接受等特点，非常适合复杂条件下田间作物的灌溉用水计量。该智能量测系统能够精准计量田间作物灌溉水量，可以增强群众节水意识，提升灌区现代化管理水平，提高灌溉用水效率。