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水雨情监测预警系统

 

    水雨情监测预警站作为一种具有防汛防洪抗旱、农业灌溉、渔业等功能的重要水利建筑,大部分坐落在偏远山区,分布范围广、交通不便。

   目前,主要存在一些问题,具体为:各个河道干支分布广、距离远、工程技术人员有限,只能轮流查看各个河道,无法及时发现有病险的河道,各个河道没有联网,无法将数据及时传送到水利信息中心,无法集中监测河道,信息未共享,无法为汛期的防洪调度工作提供科学有效的决策依据。水雨情监测预警站对河道、水库、水渠的水、雨情进行全天候在线监测;监测中心应用软件对相关数据进行快速的分析和处理,并无缝对接山洪灾害预警信息发布平台。河道水位雨量监测是实时掌握河道水情变化,科学预警洪涝灾害、提升防汛指挥能力、降低雨洪灾害损失的重要手段。

   系统组成:水雨情监测系统主要由遥测站(自动雨量站、自动水位站、图像视频站等)和平台管理中心组成。遥测站主要监测各个地区的实时水位、降雨量、现场图像等数据信息,并上传至平台管理中心。平台管理中心通过水雨情监测预警平台,接收并处理由遥测站发出的数据,根据需求向决策者预警决策信息。同时系统可通过WEB、移动端、短信等方式快速发布相关水雨情或预警信息。水库(湖泊)水雨情监测系统为典型的物联网系统,分为传感层、传输层、平台层、应用层。

  1. 系统实现目标

1)实现对雨水情信息进行实时性采集,以及水位和雨量报警通知,保障系统信息的高效性、及时性、准确性、充分性。

2)所有观测点数据通过无线网络直接传输至监控中心“雨水情自动监测系统”,在电子地图可视化界面中直观显示各测点雨水情信息、水位情况及警戒状态;在发生报警时,系统可自动发出报警信号,如:系统弹出信息、发出声音提示,向相关部门指定人员发出报警短息通知。

3)系统开发坚持先进实用、稳定可靠的原则,并具备良好扩展性、兼容性和开放性,为系统后期扩展升级、向其他相关平台系统提供数据共享服务提供规范性接口。

4)系统可以接入视频摄像头,可实时监测现场视频画面。

  1. 系统总体设计

系统组成结构

“水雨情监测预警站”的建设,包括现场水位、雨量信息采集设备以及监控中心信息接收及显示、应用系统的建设。现场测点信息采集与传输设备完成水位、雨量等信息的实时采集、基本分析处理(如警戒状态)与显示,并负责将数据以无线/有线方式传输到监控中心,通过软件进行接收、显示以及数据的存储、分析、处理与预警。

 

系统拓朴图:

 

河道水位雨量监测站一般由以下几个方面组成:

  • 传感器的选择: 

水位计可以根据水域的水位选择不同的水位传感器,

1.1雷达水位计,又叫水位雷达,是一种利用电磁波探测目标的电子设备。研发出来主要用于进行水利监测、污水处理和防洪预警等。其主要测量原理是从雷达水位传感天线发射雷达脉冲,天线接收从水面反射回来的脉冲,并记录时间T,由于电磁波的传播速度C是个常数,从而得出到水面的距离D。

如下图所示,雷达水位计通过测量电磁波的发射和接收时间差Δt,计算出雷达水位计与液面之间的距离H2=c*Δt/2,输出的水位值h=H1-H2。H1为渠底至水位计的高度,简称雷达水位计安装高度。

  • 适用范围及特点:

  • 测量精度高(毫米级),量程大(可达70米以上);
  • 只需要将探头安置至水位上方,大大减少土建投资;
  • 非接触式测量,不受限于水质环境,不破坏水流结构;
  • 不受温度、湿度、风速、降雨等环境因素影响,数据稳定可靠;
  • 信号输出方式:RS485、RS232、4~20mA模拟量。
  • 适用于水库、湖泊、河道、渠道等开放水体以及窨井、罐体等狭小空间内的的水位监测项目,并可应用在高温、高压和腐蚀性很强的安装环境。

劣势:

  • 寒冷环境下,天线容易出现结晶、结冰,数据会报错,需要不定时进行处理;
  • 安装环境避免有障碍物或者漂浮物,雷达波会将其误为水面,造成数据不准确;
  • 安装必须垂直于水面,并且雷达波全部覆盖到水面。

 

1.2压力式水位计采用静压测量原理,当水位计投入到被测液体中某一深度时,传感器迎液面受到的压力的同时,通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔,再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连,以抵消传感器背面的 Po ,使传感器测得压力为:ρ .g.H ,通过测取压力P ,可以得到液位深度。

 

 

 

适用范围及特点:
①、测量精度高(毫米级),量程大(可达300m以上,可定制量程);
②、差压式液位测量无机械磨损,工作可靠,质量稳定,寿命长;
③、安装方便,直接将传感器放入水中,节省土建开支;
④、输出信号:RS485、RS232、4-20ma模拟量;
⑤、设备成本相对较低;
⑥、广泛适用于地下水观测井、水源井、地热井、水池、渠道、水库、道路积水等监测场合。

劣势:
①、温度和介质密度影响精度;
②、压力探头会受泥沙及杂物堵塞,使精度受影响;
③、浸入式测量,受水质影响,具有腐蚀性水质无法测量;
④、压阻式有时飘、温飘,需要定时率定。

 

1.3气泡式水位计适合我国水质水情,特别适合中小河流水位监测,发电厂调压井水位、大坝上下游水位的测量:海洋、地下水水位的测量:化工、煤矿、污水处理、自来水厂等处的水位及液位的监测:适用于不便建测井或建测井费用昂贵的地区。产品取得生产许可和计量许可。将一根上端装有压力传感器和气源的管子插入水中,以恒定流向管子里通入少量空气或惰性气体,压力传感器即可测出管内气体压力,此值与管子末端以上水头成正比,通过记录系统转换成水位。

适用范围及特点:
①、测量精度高(毫米级 ),量程大(可达70m以上),免维护,抗振动,寿命长;
②、具有安装简单,操作、组网灵活,该仪器只需要将导气管和气容放入水中,可不建测井,节省土建投资;
③、设备与被测水体完全没有“电气”上的联系,只有一根气管进入水中,从而可以避免很多干扰、影响,构成了它自己的使用特点,数据稳定可靠;
④、信号输出方式:RS485、RS232、4-20ma;
⑤、特别适用于流动水体、大中小河流、水库、或者水体污染严重和腐蚀性强的工业废水等场合。

劣势:
①、底部淤泥和杂物会堵塞产品探头,影响其精度;
②、由于功耗较小,气泵的泵气力量不足,无法在环境较差的地方使用(多泥沙,多杂物等)。

 

1.4超声波水位计超声波液位计的工作原理是由换能器(探头)发出高频超声波脉冲,遇到被测介质表面被反射回来,部分反射回波被同一换能器接收,转换成电信号。

适用范围及特点:

  • 非接触式测量,不需要直接接触介质;
  • 测量精度高(毫米级),量程大(30m以上);
  • 测量范围较大,液体、块状、粉末物位都能测量;
  • 安装简单、方便、并且不需要安全防护;
  • 输出信号:4-20mA/RS485/RS232;
  • 适用于江河、湖泊、水库、渠道、船闸及各种水工建筑物的水位测量。

劣势:

  • 精度较低,测量有盲区;
  • 不能用于雾气或粉尘很大的测量现场;
  • 测量精度容易受温度、湿度、风浪的影响;
  • 若有气泡的情况下测量值会与实际的液位有较大的偏差。
  • 1.5电子水尺

    电子水尺是新一代数字式传感器,是利用水的微弱导电性原理测量电极的水位获取数据,误差不会受环境因素影响,只取决于电极间距。可长期连续自动检测水位,适用于江河、湖泊、水库、水电站、灌区及输水等水利工程,以及自来水、城市污水处理、城市道路积水等市政工程中水位的监测。

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    测量原理:

    利用水的微弱导电性原理, 水淹到水尺某一位置时,相应的电路扫描到与水接触的最高触点位置,即可判断出水位。

    适用范围及特点:

  • 不受环境因素影响;
  • 测量精度高,稳定可靠,使用方便;
  • 输出信号:RS485/4-20ma;
  • 常用于自来水、城市污水处理、城市道路积水等市政工程中的液位监测。
    劣势:
  • 量程较小;
  • 不适用于较深的水库、湖泊,有较大局限性。
     
  • 1.6雨量传感器

    ST-YL03 型不锈钢雨量传感器符合国家标准GB/T 21978.2-2014《降水量观测要求》、SL61-94《水文自动测报系统规范》、GB11831-2002《水文测报装置遥测雨量计》;GB11832-2002《翻斗式雨量计》、《参考JB/T9329-1999《仪器仪表运输,运输贮存基本环境条件及实验方法》。用来测量地面降雨,可广泛用于小型气象站、水文站、农林等有关部门用来测量降水量、降水强度、降水时间。本仪器属翻斗式雨量传感器,可用于气象站,水文站,农林等有关部门,用来测量降水量,降水强度,降水时间等。

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    本仪器符合下列技术规范和标准:

     

    结构设计合理,承水斗,外壳采用不锈钢结构,具有美观大方,耐腐蚀性。使用进口干簧管,测量精度高,稳定性好,翻动部位是不锈钢轴与精密宝石轴承配合,不仅能翻斗翻动灵敏度高,工作稳定可靠,并且耐磨损,寿命长。精密加工,确保整个翻斗系统精度高。底盘内部设有水平泡,可以通过底角调整达到最佳水平度。

    工作原理:承水桶口收集雨水经过过水嘴、漏斗注入翻斗当一个都室接水时,另一斗室处于等待状态,当集水容积达到设定值(6.28mL)时,由于重力的作用使其翻转,此时另一斗室便升至接水状态,接水达到设定值时使其翻转,如此反复交替形成接水、翻转过程,随着翻斗的翻转,翻斗侧面的磁钢对其上部磁控开关进行扫描,磁控开关随之接通、断开,即使磁控开关通断一次,输出一个脉冲信号,表示0.2mm降水量,通过信号电缆输出给二次仪表,实现降水遥控测量。

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    功能特点

    *测量精度高

    *低功耗,节能安全

    *结构设计合理,符合科研要求

    *故障率低,技术成熟,性能稳定

     

    1.7五要素微气象仪(温湿度+大气压力+风速风向

    ST-CF05型五要素微气象仪是斯塔克电子研发的针对多领域气象参数进行监测的仪器。设备创新性地将气象标准五参数(环境温度、相对湿度、风速、风向、大气压力)通过一个高集成度结构来实现,可实现户外气象参数24小时连续在线监测,通过数字量通讯接口将五项参数一次性输出给用户。

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    产品特点

    1、标配监测温度、相对湿度、风速、风向、大气压力五项参数,RS485通讯,MODBUS通讯;

    2、风速风向采用超声波监测原理探头,精度高、性能可靠,适用于户外气象恶劣环境领域;

    3、实现参数采集、可选配我们的无线数据采集器,实现数据自动上传网络平台,手机客户端实时查看数据;

    4、实时监测气象环境数据,成本低,适合网格化布点;

    5、体积小、模块化设计,灵活布局;

    6、可选配GPS定位,电子罗盘,GPRS无线传输;

    7、数据采集采用高速处理芯片,稳定、抗干扰。

     

    1.8流速流量:可以根据现场环境选择多普勒超声波流量计(接触式)或者雷达流量计(非接触式)。

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    二、超限报警:自定义设置监测参数阀值,超限自动报警,电脑端推送报警消息,手机端,短信和电话语音报警。

     

    远程联动:根据雨量或水位深度自动控制抽水水泵或相关管道阀门。

    四、图像视频:视频在线监测,通过 4G 网络将数据传输至手机端电脑端实时查看现场情况

    五、供电系统:用于给整套系统进行供电、根据现场环境可以选择太阳能供电或者市电供电。

    通信设备:可以通过遥测终端机将采集到的传感器数据通过 GPRS 发送至云端。

    七、数据查看:数据可以通过遥测终端机发送至数据服务器、用户可以通过云平台或者手机浏览器远程查看数据,数据也可以发送至相应监管部门的服务器。

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  • 数据传输方式:
  • 光纤有线传输:

      采用光纤或者有线宽带网络。适合安装点有网络且下泄流量站点离的比较近的地方可以考虑采用这种方式。

    GPRS/4G 无线通信:

    采用 GPRS 或者 4G 信号将数据和视频图像传输至服务器。适合安装点比较远、无法布线的场合。

     

  • 规格参数:

     

     

     

     

     

    硬 件 接 口

    3路RS485接口,5路开关量输入,1路USB接口,1路音频接口,GPS定位*,5寸显示屏*

    传 输 方 式

    支持GPRS、4G、WiFi、有线以太网数据传输

    传 输 间 隔

    可设置(默认1分钟)

    采 集 间 隔

    可设置(默认1分钟)

    传 感 器 类 型

    水位计、流量计、水质传感器、气象传感器等

    流量计算方式

    流速水位换算流量、闸位水位换算流量、固定堰槽换算流量

    存 储 容 量

    内置16M FLASH和1G TF存储卡,最大可支持256G TF卡,一分钟存储一条数据,可以存储不少于1年

    供 电 电 压

    12-24V

    待 机 电 流

    <100mA 12VDC

    工 作 电 流

    <300mA 12VDC(不含传感器)

    数据导出方式

    USB本地导出或远程平台导出

    数 据 补 发

    设备没有信号或掉线可以缓存补发至少3个月的数据

    同时向多个中心站和端口发送数据,默认支持3个中心站,每个中心站支持不少于3个端口

    138X92.8X28.5mm

    工 作 温 度

    -30-65℃

    扩展功能

    可外接继电器模块、模拟量转485,模拟量输出模块,液晶或者LED屏显示器、摄像头等。

     

  • 斯塔克终端云平台
  •    可以将遥测终端机采集到的传感器数据发送到服务器上,主要用于展示各个站点的水位、流速、流量等信息。其功能为:站点的管理,全部站点实时数据的查看, 单个站点的实时数据、历史数据、报表、曲线、历史图形、站点图片抓拍、站点 视频、数据导出、EXCLE 报表、GIS 地理信息数据、单站多数据对比,多站数据对比,预警预报。遥测终端机支持的协议是 SL651-2014 水文通讯规约。

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    应用案例:

     

     

     

     

     

 

 

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