基于液位测量控制系统的研究

摘要：在工业领域中，测量液位是一项重要的研究方法，有利于工业技术的进步和经济效益的提高。本文以位于罗山路和龙阳路路口，在M2泵站上游3公里处的汤臣交汇井为例，对液位测量控制系统进行研究，主要提出了三种实施方案，包括仪器设备的使用和模型的构建，并经过对比分析和结合当地实际情况，得出第三种方案是适合的。

关键词：液位测量 汤臣交汇井 控制系统 研究

一、以汤臣交汇井为例对液位测量控制系统进行研究

在工业领域中，测量液位是一项重要的研究方法，有利于工业技术的进步和经济效益的提高，其在研究过程中采用的方法有：投入式液位计的静压液位测量、浮球液位计、电容式液位传感器、雷达液位计、超声波液位计、气泡法等等，本文以汤臣交汇井为例，对液位测量控制系统进行研究。由于汤臣交汇井及其相关管道和构筑物的衔接情况较复杂，所以我们根据这一情况提出了三种实施方案，希望能够达到利用液位测定流量的目的，具体三种方案的表述如下。

1、方案1―汤臣交汇井蓄水方案

根据“汤臣井进水流量 ― 出流量的差值 = 汤臣井内蓄水量变化速率”这一流量平衡原理，构建下列公式，（I――汤臣井进水流量，m3/s；O――汤臣井出水流量，m3/s；dS/dt――汤臣井的蓄水变化量，m3/s；t――时间，s）。

这一方案的实施首先要进行设备安装，该方案仪器要求较多，其中流速仪安装难度较大，工作量也较大，具体要求如下：（表中“左侧”、“右侧”指顺着水流方向看去的左边或者右边）。

接下来要进行数据采集和数据处理，这也是方案实施过程中最重要的、最不能出差错的一部分，要采集的数据包括三条进水管不同位置点流速（）、汤臣交汇井液位、M2泵站配水池液位和。首先对进行分析，求出进水流量；接着得出汤臣交汇井液位和出流量关系，根据流量连续性方程，求出最终目标和值。设观测时间系列为，共采集到n+1组数据，则可列出n个流量连续性方程，形成一个方程组，，然后求解下列数学模型，目标函数：min ，约束条件：，，此模型为非线性模型，可采用遗传算法求解；最后进行模型校核。

2、方案2―箱涵长管出流方案

对于从汤臣交汇井到M2泵站之间的箱涵，可按水力长管理论分析，沿程水头损失计算公式，（h――汤臣交汇井到配水池之间的沿程水头损失，m；a――汤臣交汇井到配水池之间的出水箱涵比阻；O――汤臣交汇井到配水池之间的出水箱涵单孔流量，m3/s；n――流量指数）。由于从汤臣交汇井到配水池之间的管线线路复杂，采用计算沿程水力坡度缺乏严格的证明，可选取直管段上的两座联体透气井，利用谢才公式求箱涵的水力坡度。设透气井相隔l'距离，液面高差，则，（J――所选透气井之间箱涵水力坡度；l'――所选透气井之间箱涵长度，m；h'――所选透气井之间的水深之差，m），代入巴甫洛夫斯基公式得箱涵单管出水流量： ，将其代入损失计算公式得两种液位差之间的关系 （R――汤臣交汇井出水箱涵水力半径；A――箱涵过水面积；a――箱涵水流比阻；h――汤臣交汇井到配水池之间的沿程水头损失，m；l――箱涵长，3740m；n――箱涵壁粗糙系数，0.013-0.014；l'――两座透气井之间的箱涵长度，m；h'――两座透气井之间的水深差，m）。其中未知量为a、n，采用几台水位计测出多组数据（h'，h），便可以求出摩阻a和管壁粗糙度n，代入汤臣交汇井单管出水流量公式，便可以根据汤臣交汇井和配水池的液位差求出汤臣交汇井出水流量。校核时，以最后一个公式计算的汤臣交汇井出水流量为校核流量，与单管出水流量进行校核流量。分析二者之间的误差，若误差在规定范围内，则最终模型可以应用。其需要安装的设备有：

3、方案3―总体流量平衡模型

将配水池、两座进水前池整体作为调蓄池模型。利用下式建立蓄水模型。，（It――汤臣交汇井综合出水流量，m3/s；Sx ――大调蓄池蓄水量，m3；Om――M2泵站出水流量，m3/s；Ih――配水池中，其南下支线综合进水流量，因流量较小且具体数据难觅在此忽略；t――时间，s）。以汤臣交汇井、箱涵和大蓄水池为研究对象，建 立如下长管出流模型，（Ht――汤臣交汇井液位高程，m；It――汤臣交汇井总出水流量，m3/s；Hx――大蓄水池液位高程，m；S――汤臣交汇井到配水池之间管路的等效比阻）。最终求出S。将其代入蓄水模型得最终模型，进行流量校核，需要安装的仪器有：

现在我们根据汤臣交汇井的具体情况来分析以上三种方案，得出最适合的方案。

1、在汤臣交汇井内径3m进水管管口安装流速仪的四面体支架和作为测竿的钢管，原计划在三个进水管口均安装仪器，已知内径2m的进水圆管在汤臣交汇井顶部以下14.6m-16.6m，内径3m的进水圆管在汤臣交汇井顶部以下17.2m-20.2m。实验中，将钢管插入水中。与水接触后，被急流冲离管口，钢管管身出现弯曲，难以把3m横杆深入管道内部。所以方案一的实施存在难度。

2、在汤臣交汇井内径3m的出水管口安装流速仪，并在透气井内安装投入式液位计。从汤臣交汇井顶部到管口有13.6-16.6m距离，与进水管流速测量相比，所需测杆长度较短，难度也相应减少。选定的透气井为距离汤臣交汇井最近的两座，且均为左侧箱涵上的透气井，与汤臣交汇井左侧出水管相对应。按距离汤臣交汇井的远近程度，将离其较近者编号1#，另一座为2#。通过检查1#透气井液位计，发现该液位计水下探头被条状垃圾缠绕，导致测试数据急剧减小。清理过几次液位计上垃圾后，两个投入式液位计的信号线先后被拉断。探头也因垃圾缠绕难以从透气井取出，无法满足测试要求。汤臣交汇井出水管道所安装的旋桨式流速仪因垃圾缠绕问题，无法测试数据。后经改进，在流速仪前加罩网，以保护仪器，结果罩网网眼同样被堵塞，无法测量真实流速。同时由于所挂垃圾太多，在水流冲击下，测杆断裂。第二种测试方案也无法继续进行。

3、根据汤臣交汇井液位高程、配水池液位高程、M2泵站1#进水前池液位高程、M2泵站2#进水前池液位高程、M2泵站总出水流量、从沪东2#泵站流入配水池的总流量历史数据计算历史的汤臣交汇井综合进水流量，且只要能够给出汤臣交汇井综合进水流量在某一历史时刻的真实值或合理值，便可以计算该时刻之后的连续时间段内的汤臣交汇井综合进水流量，因此实验方案仅需在汤臣交汇井上安装超声波液位计测试液位。经过仪器安装调试和运行，超声波液位计运行正常。所以第三种方案是最适合的。

三、结束语

通过以上三种方案的分析得到了最适合汤臣交汇井的液位测量控制系统，这一方案的实施应用能够达到利用液位测定流量的目的。

参考文献：

[1]李树平,刘遂庆.城市排水管渠系统[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]于萍.工程流体力学[Z].北京:科学出版社,2008.

[3]封闭管道内液体流量测量(ISO 3966-1977) [S].

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