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ATV水下超声层析剖面式流量计

测量原理声波在水中具有优越的传播特性，使其成为水面环境下远距离能量与信息传输最有效的辐射方式。然而，水体分层、锋面、内波、反射、散射、吸收，以及表面和底部边界等因素，都会影响声波的传播，导致声波在传输过程中携带丰富的路径信息。通过分析声信号的频率、相位、时间、多路径结构等特征，例如构树，便可推断出大量关于水体的信息。

所属分类: 流量仪表

所属分类: 超声波流量计

所属分类: 工业仪表事业部

aotai03@fjautec.com

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产品描述
技术参数

1、计划的背景

1.1 水文国家考试科

水文学：指自然界中水体的各种变化与运动现象。它是一门研究自然界中水体时空分布及其动态变化规律的学科。据《人民日报》2020年1月23日报道，中国水文监测站点已从新中国成立初期的353个发展到12.1万个，监测站网的整体密度已达到中等发达国家水平，在防洪抗旱、减灾救灾、水资源管理及生态保护等方面发挥了重要作用。

随着技术的进步，物联网技术已悄然融入我们的生活，并被广泛应用于各个领域。例如水文与水利、工业监测、智慧城市、智慧水务等，这些领域正通过物联网连接至云端服务器，借助大数据分析与处理，有效提升生产效率、灵活性及响应能力。

2016年3月16日，环境保护部宣布了“十三五”规划，旨在建立全国地表水环境质量监测网络。该规划包括2767个国家级控制断面（点），其中717个为趋势研究断面，暂不纳入考核；其余2050个断面则为全国地表水考核断面（以下简称“国家考核断面”）。

国家考核断面属于国家地表水环境监测网络的评价、考核与排名监测板块，其核心是提升水环境质量，满足当前流域水污染防治目标考核及城市水环境质量排名等环境管理需求。国家考核断面的特点：断面较宽，全年均在低流量条件下运行。

在流域各级河长制进入实质性运行阶段的背景下，各流域管理机构已积极发挥统筹协调作用，推动流域联席会议、漂浮物监测、跨界河湖治理以及生态流量调度等水治理机制的落实。各单位要高度重视实现水利部提出的生态流量与水量保障目标，尤其要抓好枯水期的调度工作。各流域河长办公室将充分发挥流域统筹协调职能，持续提升流域内河湖监管与协同治理能力，进一步深化和完善“流域+区域”协同治水机制，统筹推进上下游、左右岸及干支流的联动管理，携手流域内各城市共同破解河湖管理与保护工作中的难点和堵点问题，合力促进流域水质清澈、水体畅通。

1.2 截面流量的常用测量方法


1：索道流量测量
2：声学多普勒流速仪 ADV
3：声波多普勒剖面 分析仪 ADCP，HADCP
4：传统超声波时差法
5：水工建筑物（涵洞和闸门）的流量计算
6：利用水位梯度法计算流量
7：利用雷达地表波速测量计算流量
8: 新的视觉识别 流量计
9：新 声学层析成像 section 阿尔 流量计 全地形车

对于截面宽大、流速较低的测量断面，流量测量一直存在显著难题。为满足上述测量需求，还需特别注意设备安装简便、实时监测，同时确保不干扰河道的正常使用。ATV声学层析法的断面流量仪正是基于这一定义而设计的专业产品。

2、方案介绍

2.1 声学层析技术

声学技术曾广泛应用于海洋环境观测，随着其应用领域的拓展，如今也已成为测量其他水体的重要手段之一。其中，声学层析技术，尤其是15-88K频率声学层析技术的应用，已从河口和海岸区域，逐步扩展到地表水、地下水及其他水体的测量中。

奥泰自动化 ATV 声学层析剖面流量计采用水下声学互易传输（又称双向声波传输）技术进行声学层析（温度流速）反演计算，并利用傅里叶模型实现二维声速、温度场及流场的重建。

声波在水中具有优越的传播特性，是水面环境中远距离传输能量与信息的有效辐射方式。由于水体分层、表面波峰、内波、反射、散射、吸收以及水面与水底之间的界面效应，声波在水中传播时会携带大量路径信息。通过分析声信号的频率、相位、时间及多路径结构，人们可以推断出丰富的水体信息。

断层成像技术是一种反演观测方法，它能够利用声波辐射从不同角度穿透被测介质，并通过测量介质吸收及传播时间特性的差异，反演出被测介质的特性。其中，声学断层成像技术正是基于测量到的传播时间变化，来反演温度和流场参数的一种手段。在反演过程中，将综合考虑温度、盐度和深度等参数的变化。

测量断面流量仅需临界流速数据，因此无需获取各剖面的精确流场分布，也无需通过多维监测的声学数据进行反演。只需依托两点处声波直达波与多路径波混响随时间的变化特征，即可反演出二维断面平均流速。借助高频（1秒交叉互易性）互易传输声波层析成像原理，系统能够以较低投入实现快速测量，且测量周期短至5秒。

超声信号从主机发出后，在65度角范围内，从从机接收到的声波直达波与多路径波的混响，从而获得完整信号；随后，双方互换信息，从机发出的声波再由主机通过同一通道接收。这种声学信号能够基本反映整个过水断面的速度场特性，体现该断面的平均声学特征。最后，通过断层成像技术对往返传播的声学信息进行反演，获取随时间变化的数据，进而计算出断面的平均流速值。（如图所示：）

2.2 其他特殊算法

数据池管理：基于实际安装案例的应用经验，我们已发现许多实用的算法。

备用轮胎算法：主机内置强大的自学习能力。当测量质量（声波：特征匹配）达到设定阈值时，设备将持续学习流量、流速与水位之间的关系，并长期记录适应性数据。若测量质量低于设定值且持续时间达到设定时间，设备将根据自学习数据自动进入校正模式。

2.3 专利声明

该产品所应用的专利技术包括（截至2021年7月，不包括此期间处于申请阶段的专利）：

1：声波层析剖面测速仪的安装结构；ZL20201960851.8

2：一种用于水下超声波的高精度时延估计系统；ZL202022032230.X

3：一种水下超声声学断层扫描式截面流量计；ZL202022094871.8

4：超声波 液位计 壳牌（集成）；ZL202130086557.2

5：流量计探头外壳；ZL202030043609.3

6：两条线 超声波液位计 ；ZL202020142207.3

7：基于NB-IoT的电池供电超低功耗物联网设备；ZL201921790068.9

8：一种分段式能量自适应液位差计；ZL201921790067.4

9：一种多功能显示单元；ZL201920347290.5

10：一种智能能源控制超声波液位测量仪；ZL201920350123.6

11: 一种仪器开关电源；ZL200920138383.3

2.4 软件版权声明

本产品所申请的软件著作权包括（截至2021年4月，不包括此期间处于申请阶段的专利）：

1：澳泰自动化云数据平台[简称物联网平台]V1.02019SR0363471

2：ATV超声声学断层扫描流量计软件 V1.02020SR1107703

2.5 声学层析成像与时间差法

当河流宽度较小时（20米以内）：声波传播时间短，直达波较强，从而可实现常规的时间差测量（双机有线连接也更容易实现）；

当河流宽度为中等（20-200米）和大型（超过200米）时：水下声信号复杂多变的多路径结构以及严重的随机衰落问题，对传统的时差法（单通道、多通道）构成了致命影响，同时叠加了双机无线通信的问题。

2.6 声学层析成像及其他测量方法

在河流和水道的流量测量中，必须实现长期且实时的监测。

其他岸基测量：实时性能良好，但断面代表性不足，难以建立关联；

航空测量：实时性能较差，但断面代表性好，仅需一次测量周期。若测量周期内流速发生显著变化，则难以完成闭合，且成本较高；

3、产品构成

3.1 基本组件

1：供电系统，可使用市电和太阳能（包含一个主站和一个从站）

注意：太阳能电池板：200W，电池：150AH

2：主站系统，从站系统

3：附件：超声波 水位计 ，水温电导率传感器及安装支架（主站侧）

4：室外仪表箱（一个主站和一个从站）

5：基座，可采用水泥基或钢结构（主站和副站各一个）

3.2 核心组件

1：ATV主机，ATV从机

7英寸大屏幕彩色液晶显示屏的应用，为波形图和菜单提供了更佳的人机交互体验；

2：适用于5G频段的宽带天线（专为无线数据链路设计）

长距离无线高速数据链路：一种新型桥梁的应用将通信距离扩展至5公里，工作频率为5.8GHz，主从设备间可实现每5秒38K无差错数据传输（测量值刷新周期为5秒）。该技术无需依赖公共通信的4G/5G基站，使设备能够独立运行，且无需支付任何通信费用。

3：安装支架（包括声纳换能器）



传感器

40kHz：适用于20至500米

25kHz：适用于500米以上距离

4：北斗双模定位与高精度授时天线

高精度时间服务与定位：通过北斗/GPRS/Glonass提供的第三次模拟考试高精度时间服务，主从计算机的同步精度控制在20纳秒以内，完全满足时差测量的同步需求。

5：4G NB-IoT通信天线

内置物联网模块，支持4G/GPRS通信，配备内置全网通SIM卡槽，并采用4G LTE UserCAT.1模块，可极为便捷地将数据上传至澳泰云平台或第三方云平台；

6：超声波水位计


一体化超声波水位计采用12VDC供电，通过RS485与主机通信。安装高度根据安装点的高程设定，直接获取水位高程信号。水位高程数据的采集将与基准高程数据结合，计算出过水断面面积，从而将流速值转换为流量值。

7：水温/电导率仪

外部水温与电导率传感器可精确转换水下声速。

4、产品功能描述

4.1 基础标高

ATV 可以生成50个点的纵向剖面描述数据，输入各点的离岸距离数据（通常从左岸开始至右岸）及其对应的水下地形高程数据。河流段的基础高程是测量不同河段流量的必要参数。只有通过测量该河段的高程、水位及地形，才能计算出水域面积。随后，将水域面积与仪器设备测得的流速数据相乘，即可计算出流量数据。



4.2 通信终端

物联网多功能显示终端（以下简称“终端”）需与主仪表或数字传感器配合使用。该终端提供24V/12V电源，可为传感器供电。通过终端传感器的485接口与数字传感器通信，即可实现一个终端搭配多个数字传感器的测量系统。

终端电源可选择220AC、24VDC和12VDC三种规格，支持市电、工业电源供电，也可由多种类型电池或太阳能供电系统提供电力。该终端可轻松与GPRS、WIFI等多种无线平台实现互联互通，并将数字传感器传输的信号数据上传至云端服务器。

工作原理

输入信号通过通信接口或AD模块采集，再经由信号分析获得测量值。这些测量值会显示在液晶屏幕上，并通过GPRS上传至云端。

主要技术参数

使用条件：环境温度：0~50℃；相对湿度：≤90% RH；

电源电压：90-265VAC，或24±10% VDC，或12±10% VDC；

精度：± 0.5% F.S.+1字；

输入特性：电流类型：输入阻抗<300Ω；

输出特性：

继电器容量：0.5A/240V AC，阻性负载；

当前类型变送器输出负载阻抗：<600Ω；

功率输出：12 ± 10% V 直流/30mA；

功耗：<5瓦；

5、计划的优势

1：主从双机数据链路可自主组网并实现交互，无需依赖公共网络或基站；

2：数据通过公共网络上传，如遇公共网络故障，也可选择北斗短报文通信（RDSS）；

3：可实时显示在第三方大型显示平台上；

4：可配备多个物联网多参数显示终端，实时显示数据；

5：它可配备电话语音预警、短信预警及电子邮件预警功能；

6：适用于低流量、零流量及负流量工况；

7：强大的实时测量能力，测量周期快：5秒；

8：根据工业仪表设计标准，该产品具有强大的抗干扰和防雷击能力。

6、方案配置

6.1 澳泰自动化供货范围

序列号	名称	描述
澳泰自动化供应范围
1	设备主机	通常安装在左岸的测量站上
2	设备从机	通常安装在右岸
3	主机声纳换能器	88、40、25kHz专用阵列换能器
4	来自机器的声学换能器	88、40、25kHz专用阵列换能器
5	专业超声波水位计	水位高程采集
6	专业水温电导率数字传感器	安装主站端
7	主机无线宽带数据链路天线	无线数据链
8	用于从设备的无线宽带数据链路天线	无线数据链
9	主机定时天线	北斗与GPRS双模
10	奴隶定时天线	北斗与GPRS双模
11	主机物联网网卡	3年流量，支持每30秒上传一次
12	现场初步检查
13	现场设备调试	参数输入，现场安装指导
14	澳泰自有的云平台与数据推送

7.2 当地集成商的供货范围


本地集成商的供应范围
1	12VDC供电系统	可由市电或太阳能供电系统提供，全天候供电，功率为30W。
2	12V直流电源系统	可由市电或太阳能供电系统提供，全天候供电，功率为20W。
3	主仪器柜	如果安装在测试站，允许直接将设备主机壁挂式安装，从而节省了……
4	奴隶仪器柜	该设备通常由太阳能供电，而储能装置则连接到该设备及太阳能供电设备。
5	主站基础	根据现场条件，选择土木工程或钢结构
6	来自车站基础	根据现场条件，选择土木工程或钢结构
7	超声波水位计的安装与支架	安装在主站上，安装支架，固定并穿线
8	主机声纳探头的安装与支架	安装在主站上，安装支架，固定并穿线
9	从属声波探头的安装与支架	安装于变电站内，安装支架，固定并穿线
10	安装段基础的高程数据获取	通常直接从水文学获得（不超过50分）
11	水位计高程校准数据	校准高程时，请提供准确的参考高程。