周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),該技術(shù)由水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊,水深非接觸式測(cè)量模塊,流量測(cè)量模塊,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊構(gòu)成。該測(cè)控系統(tǒng)能夠獲得穩(wěn)定的、任意形狀的周期性非恒定流過程,反應(yīng)速度快、能無(wú)極變速的優(yōu)勢(shì),獲得信號(hào)更穩(wěn)定準(zhǔn)確,避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)水流的干擾,精度更好,突破了空間單點(diǎn)流速測(cè)量的局限,可在瞬間測(cè)量一個(gè)平面的流動(dòng)信息,具有空間分辨率高、獲取信息量大以及無(wú)干擾連續(xù)測(cè)量的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了連續(xù)周期性明渠非恒定流的控制以及流量、水深和瞬時(shí)流場(chǎng)的高頻、非接觸同步測(cè)量,為明渠非恒定流的試驗(yàn)研究提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。
【專利說明】周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流體測(cè)控【技術(shù)領(lǐng)域】,尤其涉及一種周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]天然河道中的水流通常都是非恒定流,當(dāng)前,隨水利開發(fā)建設(shè)步伐的加快,河道非恒定流問題日益突出。上游下泄的非恒定流對(duì)下游河道的防洪、通航條件及河道的演變等會(huì)產(chǎn)生較大的影響。因此,發(fā)展更為先進(jìn)的測(cè)量手段、尋求新的思路來(lái)研究明渠非恒定流的傳播規(guī)律及運(yùn)動(dòng)特性,對(duì)于水利學(xué)科的發(fā)展以及港口、航運(yùn)及城市防洪等實(shí)際問題的解決,都具有重要的理論和工程意義。但明渠非恒定流問題本身非常復(fù)雜,在控制方法方面,現(xiàn)有技術(shù)多采用電磁流量計(jì)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成的系統(tǒng)以及可調(diào)節(jié)量水堰進(jìn)行非恒定流試驗(yàn);在水位測(cè)量方面,大多采用傳統(tǒng)的水位計(jì)以及探針;而在流速測(cè)量方面,大多采用旋槳式流速儀、超聲流速儀,能很好的實(shí)現(xiàn)非恒定流的控制及單項(xiàng)測(cè)量。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)受試驗(yàn)設(shè)備的限制??刂品椒ㄖ校姶帕髁坑?jì)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成的系統(tǒng)以及可調(diào)節(jié)量水堰雖然可以進(jìn)行非恒定流試驗(yàn),但是測(cè)量精度以及反應(yīng)速率均不理想;其次,在水位測(cè)量方面采用傳統(tǒng)的水位計(jì)以及探針不但反應(yīng)速率慢,而且可能造成水流的擾動(dòng);而在流速測(cè)量方面,旋槳式流速儀、超聲流速儀不但擾動(dòng)大,而且其單點(diǎn)測(cè)量無(wú)法滿足非恒定流的需求。同時(shí),現(xiàn)有出現(xiàn)的一些新型控制及測(cè)量設(shè)備盡管能很好的實(shí)現(xiàn)非恒定流的控制及單項(xiàng)測(cè)量,但是由于測(cè)量過程中無(wú)法做到水位、流量及流速的同步,給數(shù)據(jù)處理等帶來(lái)相當(dāng)大的難度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),旨在解決現(xiàn)有技術(shù)精度低,反應(yīng)速率不理想,存在擾動(dòng),只能單點(diǎn)測(cè)量,同步性差的問題。
[0005]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的,一種周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),由水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊,水深非接觸式測(cè)量模塊,流量測(cè)量模塊,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊。
[0006]水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊,連接流量測(cè)量模塊,水深非接觸式測(cè)量模塊,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊,用于發(fā)出測(cè)量控制信息并接收并顯示各模塊的測(cè)量數(shù)據(jù);
[0007]水深非接觸式測(cè)量模塊,連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊并受其控制,用于采集水深信號(hào),獲得對(duì)應(yīng)的水位數(shù)據(jù)上傳水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊;
[0008]流量測(cè)量模塊,連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊并受其控制,并將測(cè)得的流量信息上傳水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊;
[0009]垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊,連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊并受其控制,用于獲得同步平面流場(chǎng)息。
[0010]進(jìn)一步,除水位計(jì)外,水深非接觸式測(cè)量模塊采用超聲探頭進(jìn)行水深測(cè)量,水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊通過AD板采集超聲探頭電壓。
[0011]進(jìn)一步,流量測(cè)量模塊以控制頻率為目的的變頻器作為水泵電機(jī)的調(diào)速設(shè)備,變頻器連接位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊并受其控制,水泵連接變頻器,通過變頻器改變頻率以控制水泵獲得不同的轉(zhuǎn)速。
[0012]進(jìn)一步,流量測(cè)量模塊中變頻器與水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊之間通過AD板連接進(jìn)行通信。
[0013]進(jìn)一步,流量測(cè)量模塊水泵與水槽之間的供水管道上安置電磁流量計(jì),電磁流量計(jì)與水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊之間通過AD板連接進(jìn)行通信,AD板采集到電磁流量計(jì)的實(shí)時(shí)電壓值傳輸至水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊。
[0014]進(jìn)一步,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊采用PIV技術(shù)測(cè)量流場(chǎng)分布。由同步控制器,激光器,CCD相機(jī),相機(jī)卡,PIV計(jì)算機(jī)構(gòu)成,用于獲得同步平面流場(chǎng)信息。其中:
[0015]同步控制器連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊,接收水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊的TTL電平信號(hào)控制非接觸式測(cè)量模塊動(dòng)作;
[0016]激光器連接同步控制器,當(dāng)同步控制器動(dòng)作時(shí),脈沖激光光源通過球面鏡和柱面鏡形成脈沖片光源,照亮流場(chǎng)中需要測(cè)量的流動(dòng)區(qū)域;
[0017](XD相機(jī)連接同步控制器,當(dāng)同步控制器動(dòng)作時(shí),與片光源垂直方向拍攝的(XD相機(jī)記錄下流動(dòng)區(qū)域中示蹤粒子的圖象并上傳;
[0018]相機(jī)卡連接PIV計(jì)算機(jī),相機(jī)卡存儲(chǔ)互照片,圖象送入PIV計(jì)算機(jī)并數(shù)字化后,對(duì)判別區(qū)域內(nèi)數(shù)字化圖象矩陣進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,得到已知時(shí)間間隔內(nèi)示蹤粒子的位移,由此可以獲得流場(chǎng)中各點(diǎn)的速度信息。
[0019]流量測(cè)量模塊通過采用以控制頻率為目的的變頻器作為水泵電機(jī)的調(diào)速設(shè)備獲得穩(wěn)定的、任意形狀的周期性非恒定流過程,相比電動(dòng)閥具有反應(yīng)速度快、能無(wú)極變速的優(yōu)勢(shì);水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊通過AD板連接進(jìn)行通信,使獲得信號(hào)更穩(wěn)定準(zhǔn)確;流量測(cè)量模塊水泵與水槽之間的供水管道上安置電磁流量計(jì)測(cè)量實(shí)際流量以進(jìn)行校核,防止了變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速出力造成的誤差;水深非接觸式測(cè)量模塊采用超聲探頭進(jìn)行水深測(cè)量,避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)水流的干擾,精度更好。垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊通過采用PIV技術(shù)測(cè)量流場(chǎng)分布,PIV技術(shù)突破了空間單點(diǎn)流速測(cè)量的局限,可在瞬間測(cè)量一個(gè)平面的流動(dòng)信息,具有空間分辨率高、獲取信息量大以及無(wú)干擾連續(xù)測(cè)量的特點(diǎn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明提供的周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中:1、水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊;2、水深非接觸式測(cè)量模塊;3、流量測(cè)量模塊;3_1、水泵;3-2、變頻器;4、垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊;4-1、同步控制器;4-2、激光器;4-3、(XD相機(jī);4-4、相機(jī)卡;4-5、PIV計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的,一種周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),由水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1,水深非接觸式測(cè)量模塊2,流量測(cè)量模塊3,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊4,如圖1所示。
[0023]水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1,連接流量測(cè)量模塊2,水深非接觸式測(cè)量模塊3,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊4,用于發(fā)出測(cè)量控制信息并接收并顯示各模塊的測(cè)量數(shù)據(jù);
[0024]水深非接觸式測(cè)量模塊2,連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1并受其控制,用于采集水深信號(hào),獲得對(duì)應(yīng)的水位數(shù)據(jù)上傳水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1 ;
[0025]流量測(cè)量模塊3,連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1并受其控制,并將測(cè)得的流量信息上傳水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1 ;
[0026]垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊4,連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1并受其控制,用于獲得同步平面流場(chǎng)息。
[0027]進(jìn)一步,除水位計(jì)外,水深非接觸式測(cè)量模塊2采用超聲探頭進(jìn)行水深測(cè)量,水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1通過AD板采集超聲探頭電壓。
[0028]進(jìn)一步,流量測(cè)量模塊3以控制頻率為目的的變頻器3-2作為水泵3-1電機(jī)的調(diào)速設(shè)備,變頻器3-2連接位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1并受其控制,水泵3-1連接變頻器3-2,通過變頻器3-2改變頻率以控制水泵3-1獲得不同的轉(zhuǎn)速。
[0029]進(jìn)一步,流量測(cè)量模塊3中變頻器3-2與水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1之間通過AD板連接進(jìn)行通信。
[0030]進(jìn)一步,流量測(cè)量模塊3水泵3-1與水槽之間的供水管道上安置電磁流量計(jì),電磁流量計(jì)與水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1之間通過AD板連接進(jìn)行通信,AD板采集到電磁流量計(jì)的實(shí)時(shí)電壓值傳輸至水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1。
[0031]進(jìn)一步,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊4采用PIV技術(shù)測(cè)量流場(chǎng)分布。由同步控制器4_1,激光器4_2,(XD相機(jī)4_3,相機(jī)卡4_4,PIV計(jì)算機(jī)4_5構(gòu)成,用于獲得同步平面流場(chǎng)?目息。其中:`
[0032]同步控制器4-1連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1,接收水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1的TTL電平信號(hào)控制非接觸式測(cè)量模塊4動(dòng)作;
[0033]激光器4-2連接同步控制器4-1,當(dāng)同步控制器4-1動(dòng)作時(shí),脈沖激光光源通過球面鏡和柱面鏡形成脈沖片光源,照亮流場(chǎng)中需要測(cè)量的流動(dòng)區(qū)域;
[0034](XD相機(jī)4-3連接同步控制器4-1,當(dāng)同步控制器4_1動(dòng)作時(shí),與片光源垂直方向拍攝的CCD相機(jī)記錄下流動(dòng)區(qū)域中示蹤粒子的圖象并上傳;
[0035]相機(jī)卡4-4連接PIV計(jì)算機(jī)4-5,相機(jī)卡4-4存儲(chǔ)互照片,圖象送入PIV計(jì)算機(jī)4_5并數(shù)字化后,對(duì)判別區(qū)域內(nèi)數(shù)字化圖象矩陣進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,得到已知時(shí)間間隔內(nèi)示蹤粒子的位移,由此可以獲得流場(chǎng)中各點(diǎn)的速度信息。
[0036]當(dāng)需要進(jìn)行流速測(cè)量的時(shí)候,本試驗(yàn)系統(tǒng)中的水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1通過內(nèi)置的水位和流量控制程序控制水深非接觸式測(cè)量模塊2,流量測(cè)量模塊3,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊4工作。水深非接觸式測(cè)量模塊2進(jìn)行水位測(cè)量和,流量測(cè)量模塊3進(jìn)行流量采集,同時(shí)水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊1向垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊4中的同步控制器4-1發(fā)出TTL電平信號(hào),啟動(dòng)同步控制器4-1觸發(fā)激光器4-2和CCD相機(jī)4-3進(jìn)行流速測(cè)量,并記錄采樣數(shù)據(jù),做到水位和流速測(cè)量的同步性,每一次流速采樣都對(duì)應(yīng)著明確的水位采樣和時(shí)間。
[0037]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),其特征在于,所述周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)由水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊,水深非接觸式測(cè)量模塊,流量測(cè)量模塊,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊構(gòu)成;水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊,連接流量測(cè)量模塊,水深非接觸式測(cè)量模塊,垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊,用于發(fā)出測(cè)量控制信息并接收并顯示各模塊的測(cè)量數(shù)據(jù);水深非接觸式測(cè)量模塊,連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊并受其控制,用于采集水深信號(hào),獲得對(duì)應(yīng)的水位數(shù)據(jù)上傳水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊;流量測(cè)量模塊,連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊并受其控制,并將測(cè)得的流量信息上傳水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊;垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊,連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊并受其控制,用于獲得同步平面流場(chǎng)信息。
2.如權(quán)利要求1所述周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),其特征在于,所述水深非接觸式測(cè)量模塊除水位計(jì)外采用超聲探頭進(jìn)行水深測(cè)量,水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊通過AD板采集超聲探頭電壓。
3.如權(quán)利要求1所述周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),其特征在于,所述流量測(cè)量模塊以控制頻率為目的的變頻器作為水泵電機(jī)的調(diào)速設(shè)備,變頻器連接位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊并受其控制,水泵連接變頻器,通過變頻器改變頻率以控制水泵獲得不同的轉(zhuǎn)速。
4.如權(quán)利要求1所述周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),其特征在于,所述流量測(cè)量模塊中變頻器與水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊之間通過AD板連接進(jìn)行通信。
5.如權(quán)利要求1所述周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),其特征在于,所述流量測(cè)量模塊水泵與水槽之間的供水管道上安置電磁流量計(jì),電磁流量計(jì)與水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊之間通過AD板連接進(jìn)行通信,AD板采集到電磁流量計(jì)的實(shí)時(shí)電壓值傳輸至水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊。
6.如權(quán)利要求1所述周期性明渠非恒定流非接觸式紊動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng),其特征在于,所述垂面流場(chǎng)非接觸式測(cè)量模塊采用PIV技術(shù)測(cè)量流場(chǎng)分布。由同步控制器,激光器,CCD相機(jī),相機(jī)卡,PIV計(jì)算機(jī)構(gòu)成,用于獲得同步平面流場(chǎng)信息。其中:同步控制器連接水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊,接收水位測(cè)控計(jì)算機(jī)模塊的TTL電平信號(hào)控制非接觸式測(cè)量模塊動(dòng)作;激光器連接同步控制器,當(dāng)同步控制器動(dòng)作時(shí),脈沖激光光源通過球面鏡和柱面鏡形成脈沖片光源,照亮流場(chǎng)中需要測(cè)量的流動(dòng)區(qū)域;CCD相機(jī)連接同步控制器,當(dāng)同步控制器動(dòng)作時(shí),與片光源垂直方向拍攝的CCD相機(jī)記錄下流動(dòng)區(qū)域中示蹤粒子的圖象并上傳;相機(jī)卡連接PIV計(jì)算機(jī),相機(jī)卡存儲(chǔ)互照片,圖象送入PIV計(jì)算機(jī)并數(shù)字化后,對(duì)判別區(qū)域內(nèi)數(shù)字化圖象矩陣進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,得到已知時(shí)間間隔內(nèi)示蹤粒子的位移,由此可以獲得流場(chǎng)中各點(diǎn)的速度息。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK103674476SQ201310204252
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月24日
【發(fā)明者】蘭艷萍, 楊勝發(fā), 胡江, 付旭輝, 李文杰, 陳陽(yáng), 張鵬 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué)