摘要：本文介绍了一种水库库容、自流道输水流量计量方法，讨论了自动测量系统的组成，工作原理、技术特点及应用情况。该系统性能先进，实现了输水计量的测量、控制、管理自动化。
1. 前言
天津市引滦工程尔王庄管理处是向市内及各区输水的枢纽，为了保证输水数据的准确性，需要实时监测水库库容和输水通道的流量。
多年以来，传统的水库库容和自流道输水流量的计量是通过人工定时读取水库水尺、自流道进、出口处水尺得到水位值，然后考虑到水库的形状等多方面因素的影响选用合适的公式计算出相应的库容值。通过查有关自流道形状、流态等参数对应的曲线取修正参数后，再通过计算而算出输水流量。这种方法不仅费时费力，不能连续或实时计量，且其准确性也受到天气、人为因素等影响很不准确。
为了提高测量精度，消除人为影响，因此提出建立水库库容、自流道流量自动测量系统。用水位计自动测量水位代替了人工观测水尺。库容、流量计算公式是用已往的实测资料利用数理统计方法，在水力学公式的基础上，通过对观测的数据进行逐步回归，确定新的指数和系数以求得精确的水库水位——库容关系式、自流道水位——流量关系式。依据此关系，结合硬件设置建立库容流量测量系统。系统中只需根据实时量测的水位就可计算出库容、流量。同时，根据管理工作要求，拟定了远传、大屏幕显示、数据打印功能，使水库库容、自流道输水计量的测量、控制、管理实现自动化。
2. 系统组成
水库库容、自流道输水流量计量，是通过SCA6-1声学水位计连续测量水库水位、自流道进口和出口处的水位值，将所测得的水位值送入SLS2-2库容流量测量终端，计算出实时的水库库容、自流道流量值。实时参数被送到数据显示大屏幕和打印机，同时显示和打印。图1是测量系统示意图。
声学探头安装在水库、自流道进口和出口的支架上，通过电缆将信号传至安装在控制室的声学水位计，计算出各测点的水位值，再通过电缆送至安装在水调科的库容流量测量终端，将水库水位经计算得出库容，并将自流道进口水位、出口水位经数据自理得出的流量，系统存储器自动存贮水位、库容和流量参数。系统将处理结果送出打印。并且通过电缆传送到位于管理处办公楼的数据显示大屏幕实时显示，各项参数还可以由标准的RS-232C串行接口送入计算机中，用计算机建立起数据库并进行计算机后处理。
仪器包括声学探头及外保护管、声学水位计、库容流量测量终端，打印机、RS-232C通讯接口、数据显示大屏幕。
3.系统设计与实现
3.1 水位测量系统
测量系统中用两套声学水位计分别测量水库水位、自流道进口和出口的水位值。
（1）水位测量工作原理
水位测量原理如图2所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L声程，遇水界面产生反射，反射波（下称回波）又经L声程回同一声学探头接收。只要测量声波（由发射至接收到回波）在空气中的传播时间t及现场声速c，就可测算出声学探头发射面至水面的距离。即
在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连续声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离L0开有一校准用小圆孔，声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波。这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间t0可测出，传播声速若为c0则有：
取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有
(1)
由式（1）可知声程L是传播声速C、C0，传播时间t、t0和校准孔距L0的函数，如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样（1）式就可简化为
(2)
发射声脉冲后,测得t0、t即可测算出声程L。
由图2知，探头安装基准面至水位零点高度为S（S可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值H为：
（3）
式中 H——水位值
S——探头发射面至水位零点间的距离
L——探头发射面至水面间距离
（2）声学水位计的组成
声学水位计由声学探头、声路总成、外保护管总成、水位采集探制主机系统、显示、RS-232C串行接及电源组成。见图3
（3）水位测量数据的输出
用空气回声测距方法测量到水位值后，水位计通过标准的RS-232C串口与库容流量测量终端相连,传送测量数据。
数据是从安装在主控室的水位计传输至安装在管理处水调科的库容流量测量终端，电缆距离较长，所以选用低速率导步串行通讯方式，通讯协议具体为：
传输速率： 300 波特
帧 数 据： 8 位
起 始 位： 1 位
停 止 位： 1 位
奇偶校验： 0 位
水库水位传输数据格式为：Q a a a a U
其中，Q——ASCII字符，水库水位识别起始符
a a a a——ASCII字符，水库水位
U——ASCII字符，水库水位字符串结束符
自流道水位传输数据格式为：
S b b b b c c c c Y
其中：S——ASXII字符，自流道水位识别起始符
b b b b——ASCII字符，自流道进口水位
c c c c——ASXII字符，自流道出口水位
Y——ASCII字符，自流道水位字符串结束符
3.2 库容流量数据处理系统
（1）水库库容、自流道流量计算原理
水库库容计量是依据实时测量的水位值，考虑到水库的形状等多方面因素的影响，选用水位库容关系公式计算出相应的库容值，其公式为：
 (4)
|
|
式中，C——水库库容 m3
Hk——水库水位值 m
A——修正系数
流量计量是依据实时测量的水位值，考虑到自流道的形状、不同流态的影响求得自流道精确的水位流量关系式，计算出相应的流量值，其公式为：
(5)
式中，Q——流量 m3/s
Ho——自流道出口水位值 m
△H——自流道进出口水位差 m
B——修正系数
（2）库容流量数据处理系统的组成
库容流量数据处理系统由库容流量测量终端主机系统，时钟，主控、存储与数据处理系统，显示部分，打印机，RS-232C通讯接口及数据显示大屏幕组成。
库容流量测量终端通过RS-232C接口接收声学水位计传输的水库和自流道水位测量数据，然后，依照公式（4）和（5）分别计算出实时水库库容和自流道输水流量。
库容流量测量终端完成输水计量的主控、数据处理、库容流量输出（包括打印、显示、RS-232C串行口输出）、据数存储（包括月、日、时、水库水位、自流道进口水位、自流道出口水位、水库库容、自流道瞬时流量、自流道日均流量值参数的正点值。RAM存储容量为32K字节，可存储两个月的数据）、向大屏幕显示传送数据（时间、水库水位、库容、自流道进口水位、出口水位、瞬时流量、日均流量）。
（3）库容流量数据处理结果的输出
库容流量测量终端完成水库库容、自流道输水流量计量的数据处理，分别以三种方式输出，即打印输出，向大屏幕显示输出和内存数据RS-232C串行口输出。
① 打印机打印
打印机打印内容包括年、月、日、时、分、水库水位、库容、自流道进口水位、出口水位、瞬时流量、日均流量。
格式如下：
第一行： 年、月、日、時、分 例：1997-10-1 12：00
第二行： 水库水位 例：HK=6.00m
第三行： 水库库容 例：CK=50592×103m3
第四行： 自流道进口水位（即：上水位） 例：Hi=4.89m
第五行： 自流道出口水位（即：下水位） 例：Ho=3.93m
第六行： 瞬时流量 例：Qr=82.18m3/s
第七行： 日均流量 例：Qa=82.36m3/s
② 大屏幕数据显示
库容流量测量终端通过标准RS-232C串口与大屏幕显示器相连，传送测量数据。数据传输电缆从水调料至管理处办公楼，选用异步串行通讯方式，通讯协议具体为：
传输速率： 600 波特
帧 数 据： 8 位
起 始 位： 1 位
停 止 位： 1 位
奇偶校验： 0 位
传输数据格式为：
$ y y y y m m d d h h f f a a a a r r r r r b b b b c c c c p p p p q q q q O x O d O x O a
其中，$——ASCII字符，识别起始符
yyyy——ASCII字符，年
mm——ASCII字符，月
dd——ASCII字符，日
hh——ASCII字符，时
ff——ASCII字符，分
aaaa——ASCII字符，水库水位
rrrrr——ASCII字符，水库库容
bbbb——ASCII字符，自流道进口水位
cccc——ASCII字符，自流道出口水位
pppp——ASCII字符，自流道瞬时流量
qqqq——ASCII字符，自流道日均流量
OxOdOxOa——十六进制、字符串结束符
以上是大屏幕数据显示器显示接收到的时间、水库水位、库容、自流道进口水位，出口水位，瞬时流量、日均流量。
③ 内存数据发送
库容流量测量终端系统内部数据存储器存储包括月、日、时、水库水位、自流道进口水位、自流道出口水位、水库库容、自流道瞬时流量、自流道日均流量值参数的正点值。RAM存储容量为32K字节，可存储两个月的数据。内存占有方式为覆盖存储，分别为单月存储区和双月存储区。
内存中的原始数据由RS-232C串行口定时发送，通讯协议具体为：
传输速率： 1200 波特
帧 数 据： 8 位
起 始 位： 1 位
停 止 位： 1 位
奇偶校验： 0 位
传输数据格式为：
* data1 data…datan#
其中：*——ASCII字符，识别起始符
data——ASCII字符，内存数据
#——ASCII字符，字符串结束符
提前联好流量数据处理系统串口至计算机串口的联接线缆，就可以用计算机提取到存储的测量数据。
4.结束语
尔王庄水库库容、自流道流量测量系统已于1997年10月安装并连续运行至今，仪器工作稳定可靠，水位测量与水尺比测、库容、流量测量与原测量方法比测、均达到满意的效果，用此新方法测算的库容，流量数据满足计量精度要求，达到了设计指标要求，它的推广使用将产生明显的经济效益和社会效益。