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环保环境监测

S-HNLS 非接触式雷达流速仪 多普勒效应原理

关键词:
功耗:工作电流:<40mA
待机电流:<5mA
通讯方式:RS485,MODBUS 协议
波特率:9600~115200bps
工作温度:-40~80℃
防护等级:IP68
重量:0.45kg
尺寸:105*105*60mm

1产品介绍

雷达流速仪是一款非接触式雷达流速测量设备,可有效监测各种渠道、天然河道的水流表面流速。该产品易安装维护,操作简单。广泛适用于水文、防汛排涝、环保排污监测等领域,实现 7x24 小时在线监测。

1.1工作原理

 
雷达流速仪采用多普勒效应原理测量流体表面流速。当雷达发射的电磁波与接收体(即探头和反射体)之间有相对运动时,回波的频率将有所变化,此种频率的变化称之为频移,即多普勒效应。

如图 1-1 所示,当雷达流速仪与水体以相对速度 V 发生对运动时,雷达流速仪所收到的电磁波频率与雷达自身所发出的电磁波频率有所不同,此频率差称为多普勒频移。通过计算多普勒频移与 V 的关系,得到流体表面流速。
图 1-1    雷达流速仪测流速示意图
 
应用 K、Ka 频段雷达波探测流体流速的技术难点在于低速段的测量。当流体流速比较缓慢时,雷达波在平静的水面上形成镜面反射,雷达流速仪几乎接收不到反射回来的电磁波信号,因此国内外多数同类产品的流速下限通常在 0.3
m/s 以上。采用拥有自主知识产权的测流控制算法和检测微弱目标的雷达天线研制生产的雷达流速仪,可检测到 0.1m/s 以上的表面流速。

 

2性能指标

 
序号 参数 范围 备注
1 工作频率 24GHz  
2 测速范围 0.1~20m/s 与流态有关
3 测速精度 ±0.01m/s ;±1%FS  
4 波束角度 12°  
5 俯仰角 30~70° 建议 55°左右;横滚角建议<±2°
6 自动俯仰角补偿 精度±0.5°,分辨率 0.1°  
7 供电电源 DC6~30V 建议 DC12V
8 功耗 工作电流:<40mA
待机电流:<5mA
@DC12V
9 通讯方式 RS485,MODBUS 协议 可自定义协议
10 波特率 9600~115200bps  
11 工作温度 -40~80℃  
12 防护等级 IP68  
13 重量 0.45kg  
14 尺寸 105*105*60mm  

 

3安装说明

 

3.1外观及结构定义

 
产品外观结构尺寸如图 3-1~3-3 所示。其中图 3-3 中的红色圈标注的是安装定位螺丝孔。
   
图 3-1    正视图                                                                                      图 3-2    侧视图

 
 

3.2安装支架


可选配安装支架如图 3-4 所示,安装支架尺寸如图 3-5 所示。
图 3-4    安装支架示意图
图 3-5 安装支架尺寸示意图

 3.3电气接口
接线端子通讯线缆插头配红色标记内的插座。
雷达流速仪通过 RS485 接口与上位机通讯,RS485 电源/通讯电缆定义如图

3-7 所示。
图 3-7    通讯线缆
接线端子与通讯电缆对应电气连接定义及功能描述见表 3-1。
表 3-1    接线电气定义及功能描述
接线端子
编号
通讯电缆
标签
功能名称 描述
1 正极 VCC 直流电源正极
4 负极 GND 直流电源负极
3 A A(D+) RS485 数据
2 B B(D-) RS485 数据
注:雷达流速仪对外标准接口为 RS485。用户如需选择不同的接口,如 RS232、以太网接口等,请与厂家联系。

 

3.4测点选择


为了得到较高精度,雷达流速仪安装点应处于水面平缓稳定、没有回流和漩涡、无障碍物、处于测量范围内等环境下。排水口、垂直跌水、挡流板、河道(管道)弯曲或结合处等情况都将影响到测量精度,断面选择注意事项如图 3-8~图3-12 所示。
图 3-8    拐弯处的安装位置
注:α:为拐弯角度; L:为安装位置距离拐点的距离;DN:水面宽度;V:流速 m/s。
图 3-9    水面有落差的安装位置
注:×=错误!不定的水流条件;√=保持足够的距离得到稳定的水流。  安装位置距离拐点至少 10 倍 DN(DN:水面宽度)

 


图 3-10    斜坡后的安装位置注:×=错误!不定的水流条件;√=水流平缓稳定。安装位置距离拐点至少 10 倍 DN(DN:水面宽度)
图 3-11    斜坡前的安装位置
注:×=错误!水流喷发段;? = 危险的测量点,不推荐;√=水流平缓稳定。安装位置距离拐点至少 5--10 倍 DN(DN:水面宽度)。
图 3-12    存在固定物或挡流板的安装位置
注:×=安装位置错误(涡旋会严重影响测量精度);√=合适的安装位置。
①单点固定物;②挡流板;③DN:水面宽度;④上游安装位置 L1 距挡流板至少 5 倍
DN;⑤下游安装位置 L2 距挡流板至少 10 倍 DN。

3.5安装角度与高度

 
请注意流速仪的安装方向。首先确认电缆插座在流速仪下方,产品铭牌在上方。需尽量保证雷达流速仪发射的雷达波与水面间的夹角(即配置软件上显示的


“俯仰角”)在 50°- 60°之间,建议 55°左右,以保证测量的精度,横滚角在±2° 以内。一般情况下,建议流速仪迎水安装,如下图 3-13 所示。
 
需尽量使安装完成后发射的雷达波全部照射到水面,以保证测量精度。 为雷达流速仪发射的雷达波照射于水面示意图及比例说明。
 
 
假定雷达流速仪安装的空高为 h(单位:米),俯仰角为 55°,雷达流速仪发射的雷达波照射到水面形成椭圆长轴为 b(单位:米),短轴为 a(单位: 米),则有:

h »     b
0.315

»     a
0.257

安装时需根据现场环境,按照上述计算公式调整安装的空高,以确保雷达流速仪发射的雷达波全部照射到水面。
附空高与波束照射区域长轴短轴长度值对应表如下:
表 3-2    空高与波束照射区域长轴短轴长度
 
空高 h(m) 照射区域长轴 b(m) 照射区域短轴 a(m)
2 0.63 0.51
4 1.26 1.03
6 1.89 1.54
8 2.52 2.06
10 3.15 2.57
15 4.73 3.86
20 6.30 5.14
25 7.88 6.43
30 9.45 7.71
 

3.6安装示意图

 
立杆安装和桥上安装效果示意分别如图 3-15,3-16 所示。



图 3-15    立杆安装效果示意图

 

图 3-16    桥上安装效果示意图

 

4产品配置

 

4.1设备连接与设置

产品通过通讯电缆及 485 转 USB 接口与电脑连接,并连接电源,如图 4-1 所示


打开 HZRadar 软件,进入软件配置主界面。“通讯端口”自动显示,如未显示请检查电脑串口是否被占用。点击“连接”按键。连接成功后产品信息显示及功能按键将激活。
 
 4.2配置主界面介绍
 
软件配置主界面如图 4-3 所示。
界面左上方功能按键包括“开始测量”“固件升级”“参数配置”“保存”和高级”; 界面左下方显示“产品信息”和“测量数据”;右侧显示表面流速的过程曲线。其中
产品信息”中显示固件及硬件版本,SN 序列号,及设备类型。

4.3设备参数设置


点击配置主界面的“设置参数”按键,如图 4-4 所示,在弹出的对话框可修改设备的“地址”和“波特率”等参数。
图 4-4    设备参数设置示意图

设备出厂默参数认参数为:
  • 波特率=9600
  • 俯仰角补偿,水平角补偿均为 0
  • 地址=0x34
  • 灵敏度=中
  • 方向滤波=滤除负流
  •  
最大流速限制=5m/s

4.4测量值实时显示

 
点击配置主界面“开始测量”按键,可查看设备测量值信息,包括 “俯仰角”、


横滚角”、 “表面流速”的实时信息。界面右侧展示表面流速对时间的过程曲线。
 
图 4-5    测量值实时显示示意图

4.5数据保存
 
雷达流速仪处于工作状态时,才能进行数据保存。数据保存步骤如下:
  1. 点击“保存”按钮,选择保存文件的路径及文件名,保存成 EXCEL 表。
  2. 点击“停止保存”按钮结束数据保存。
图 4-6    数据保存示意图



图 4-7    EXCEL 数据表
 
保存功能只能在点击“开始测量”按钮后才能进行数据保存。
 
查看 EXCEL 表期间,测量数据不进行保存。

 5发货清单
 
表 5-1    发货清单
序号 名称 数量 单位 备注
1 雷达流速仪 1  
2 万向支架 1  
3 电缆 1 标配 10m(可定制)
4 合格证,保修卡 1  
5 用户手册 1 以邮件的方式发送
6 上位机软件 1

 6常见问题及解决办法

1.雷达流速仪与上位机软件无法正常通讯

  1. 检查线路连接是否正常,即电源和 RS485 是否按照要求正确连接, 有无接错现象;
  2. 检查电源是否正常:供电电源应符合 DC6~30V,建议 DC12V;
  3. 检查 COM 设置和波特率设置是否正确,是否已点击“连接”键。
 
 

2.雷达流速仪测量数据为 0 或数据异常

  1. 检查设备是否掉电;
  2. 检查通讯是否正常;
  3. 检查水面是否流动,以及测量范围内水面上的漂浮物是否流动;
  4. 水面是否有漩涡,回流等情况。
  5. 确认安装俯仰角在 30°-70°之间,建议 55°左右

7通讯协议

注意,安装设备前请仔细阅读以下项目:
 
  1. 本传感器两条数据帧之间时间间隔为 1s。
 
  1. MODBUS 协议中规定了广播地址——0 的相关内容,本传感器同样也能接受广播地址内容。
  2. 设备默认地址:0X34
 
  1. 设备默认波特率:9600
 

7.1数据帧格式

数据帧 10 位:1 个起始位,8 个数据位,1 个停止位,无校验。
 

7.2读取部分

Modbus 协议中读取功能码为 03H。
 

7.2.1读取表面流速

 
主机查询命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 03H 功能码 03H
访问寄存器
首地址
00H 数据字节总数 04H
0FH 表面流速数据 寄存器1 高 8 位 XXH
寄存器数量 00H 寄存器1 低 8 位 XXH
02H 寄存器2 高 8 位 XXH
CRC F1ADH 寄存器2 低 8 位 XXH
    CRC CRC LH

 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
03
 
00
 
0F
 
00
 
02
 
F1
 
AD
 
从机回复
 
34
 
03
 
04
 
19
 
04
 
56
 
3E
 
67
 
DD
说明:19 04 56 3E;表面流速 0.209m/s
注:从机回复帧的数据域为 XXH,XXH,XXH,XXH。表面流速的表示方式为 4 字节浮点型,小终端低字节在前,遵循 IEEE 754 标准。

7.2.2读取流速方向

 
主机查询命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 03H 功能码 03H
访问寄存器
首地址
00H 数据字节总数 02H
0CH 流速方
向数据
寄存器高 8 位 XXH
寄存器数量 00H 寄存器低 8 位 XXH
01H CRC CRC LH
CRC 41ACH    
注:从机回复帧的数据域为 XXH,XXH,流速方向的表示方式为 2 字节无符号整型。
 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
03
 
00
 
0C
 
00
 
01
 
41
 
AC
 
从机回复
 
34
 
03
 
02
 
00
 
01
 
F5
 
80
说明:00 01 流速方向为迎水。若为 00 00 则流速方向为顺水
 
 7.2.3读取设备地址
 
主机查询命令: 从机响应:
传感器地址 00H 传感器地址 34H
功能码 03H 功能码 03H
访问寄存器
 
首地址
00H 数据字节总数 02H
41H 寄存器高 8 位 00H 设备地址数据
寄存器数量 00H 寄存器低 8 位 XXH
01H  
CRC
 
CRC LH
CRC D5CFH
注:XX 为设备地址,其范围为:01H-FEH。
 
命令应用举例
 
主机发送
 
00
 
03
 
00
 
41
 
00
 
01
 
D5
 
CF
 
从机回复
 
34
 
03
 
02
 
00
 
34
 
35
 
97
说明:00 34;设备地址 34H(34H 代表 16 进制的 34,即十进制的 52)

7.2.4读取波特率

 
主机查询命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 03H 功能码 03H
访问寄存器首地址 00H 数据字节总数 02H
04H 寄存器高 8 位 00H 波特率数据
寄存器数量 00H 寄存器低 8 位 XX
01H  
CRC
 
CRC LH
CRC 807BH
注:XX——00H:9600;01H:19200;02H:38400;03H:57600;04H:115200。
 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
03
 
00
 
40
 
00
 
01
 
80
 
7B
 
从机回复
 
34
 
03
 
02
 
00
 
00
 
34
 
40
 
说明:00 00 对应 9600 波特率
 
 
 
 

7.2.5读取横滚角

 
主机查询命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 03H 功能码 03H
访问寄存器
首地址
00H 数据字节总数 02H
09H 寄存器高 8 位 XXH 横滚角
数据
寄存器数量 00H 寄存器低 8 位 XXH
01H  
CRC
 
CRC LH
CRC 51ADH
注:从机回复帧的数据域为 XXH,XXH,横滚角的表示方式为有符号整型(真实横滚角:寄存器值除以 10)。
 
 
 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
03
 
00
 
09
 
00
 
01
 
51
 
AD
 
从机回复
 
34
 
03
 
02
 
00
 
1F
 
75
 
88
 
说明:00 1F;横滚角 31(真实横滚角:寄存器值除以 10,为 3.1°)

7.2.6读取俯仰角

 
主机查询命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 03H 功能码 03H
访问寄存器
首地址
00H 数据字节总数 02H
0AH 寄存器高 8 位 XXH 俯仰角
数据
寄存器数量 00H 寄存器低 8 位 XXH
01H  
CRC
 
CRC LH
CRC A1ADH

 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
03
 
00
 
0A
 
00
 
01
 
A1
 
AD
 
从机回复
 
34
 
03
 
02
 
02
 
1F
 
74
 
E8
 
说明:02 1F;俯仰角 543(真实俯仰角:寄存器值除以 10,为 54.3°)
注:从机回复帧的数据域为 XXH,XXH,俯仰角的表示方式为有符号整型(真实俯仰角: 寄存器值除以 10)。

 7.3设置部分
Modbus 协议中设置功能码为 10H。
 

7.3.1设置流速方向滤波

 
主机设置命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 10H 功能码 10H
寄存器
地址
00H 寄存器
地址
00H
5EH 5EH
寄存器
数量
00H 寄存器
数量
00H
01H 01H
数据字节总数 02H 数据字节总数 02H
流速方向滤除 XXH 流速方向滤除 XXH
XXH XXH
CRC CRC LH CRC CRC LH

 

 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
10
 
00
 
5E
 
00
 
01
 
02
 
00
 
00
 
C0
 
7F
 
从机回复
 
34
 
10
 
00
 
5E
 
00
 
01
 
02
 
00
 
00
 
C0
 
7F
说明:00 00 流速方向滤波改为双向。设置 00 01 则为 滤除正流(滤除迎水方向),00 02
为滤除负流(滤除顺水方向)。
注:XXH ,XXH 为设置的流速滤波方向,回复内容与设置一致。流速方向滤波的表示方式为 2 字节无符号整型。
 
 

7.3.2设置灵敏度

 
主机设置命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 10H 功能码 10H
寄存器
地址
00H 寄存器
地址
00H
51H 51H
寄存器
数量
00H 寄存器
数量
00H
01H 01H
数据字节总数 02H 数据字节总数 02H
灵敏度 XXH 灵敏度 XXH
XXH XXH
CRC CRC LH CRC CRC LH

 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
10
 
00
 
51
 
00
 
01
 
02
 
AA
 
00
 
BE
 
20
 
从机回复
 
34
 
10
 
00
 
51
 
00
 
01
 
02
 
AA
 
00
 
BE
 
20
说明:AA 00 灵敏度改为高。设置 00 00 则为中灵敏度,00 1E 则为低灵敏度。
注:XXH ,XXH 为设置的灵敏度,回复内容与设置一致。灵敏度的表示方式为 2 字节无符号整型。
 

7.3.3设置最大流速限制

 
主机设置命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 10H 功能码 10H
寄存器 00H 寄存器 00H

 
地址 5FH 地址 5FH
寄存器
数量
00H 寄存器
数量
00H
02H 02H
数据字节总数 04H 数据字节总数 04H
最大流速限制 XXH 最大流速限制 XXH
XXH XXH
XXH XXH
XXH XXH
CRC CRC LH CRC CRC LH
 

 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
10
 
00
 
5F
 
00
 
02
 
04
 
00
 
00
 
A0
 
40
 
21
 
EF
 
从机回复
 
34
 
10
 
00
 
5F
 
00
 
02
 
04
 
00
 
00
 
A0
 
40
 
21
 
EF
说明:00 00 A0 40:最大流速限制改为 5m/s。
注:XXH ,XXH,XXH ,XXH 为设置的最大流速限制,回复内容与设置一致。最大流速限制的表示方式为 4 字节浮点型,小终端低字节在前,遵循 IEEE 754 标准。
 
 

7.3.4设置设备地址

 
主机设置命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 10H 功能码 10H
寄存器
地址
00H 寄存器
地址
00H
41H 41H
寄存器
数量
00H 寄存器
数量
00H
01H 01H
数据字节总数 02H 数据字节总数 02H
设备地址 00H 设备地址 00H
XX XX
CRC CRC LH CRC CRC LH
注:XX 为设置设备的地址,其范围为:01H-FEH,回复内容与设置一致。
 
 
 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
10
 
00
 
41
 
00
 
01
 
02
 
00
 
35
 
02
 
07
 
从机回复
 
34
 
10
 
00
 
41
 
00
 
01
 
02
 
00
 
35
 
02
 
07
说明:00 35;设备地址设置为 35H(35H 代表 16 进制的 35,即十进制的 53)。

 

7.3.5设置波特率

 
主机设置命令: 从机响应:
传感器地址 34H 传感器地址 34H
功能码 10H 功能码 10H
寄存器
地址
00H 寄存器
地址
00H
40H 40H
寄存器
数量
00H 寄存器
数量
00H
01H 01H
数据字节总数 02H 数据字节总数 02H
波特率 00H 波特率 00H
XX XX
CRC CRC LH CRC CRC LH
注:XX——00H:9600;01H:19200;02H:38400;03H:57600;04H:115200,回复内
 
容与设置一致。
 
命令应用举例
 
主机发送
 
34
 
10
 
00
 
40
 
00
 
01
 
02
 
00
 
01
 
02
 
01
 
从机回复
 
34
 
10
 
00
 
40
 
00
 
01
 
02
 
00
 
01
 
02
 
01
说明:00 01 对应 19200 波特率。

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