周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統的製作方法
2023-10-28 11:47:17
周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，該技術由水位測控計算機模塊，水深非接觸式測量模塊，流量測量模塊，垂面流場非接觸式測量模塊構成。該測控系統能夠獲得穩定的、任意形狀的周期性非恆定流過程，反應速度快、能無極變速的優勢，獲得信號更穩定準確，避免了傳統測量方法對水流的幹擾，精度更好，突破了空間單點流速測量的局限，可在瞬間測量一個平面的流動信息，具有空間解析度高、獲取信息量大以及無幹擾連續測量的特點，實現了連續周期性明渠非恆定流的控制以及流量、水深和瞬時流場的高頻、非接觸同步測量，為明渠非恆定流的試驗研究提供了強大的技術支撐。
【專利說明】周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於流體測控【技術領域】，尤其涉及一種周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統。
【背景技術】
[0002]天然河道中的水流通常都是非恆定流，當前，隨水利開發建設步伐的加快，河道非恆定流問題日益突出。上遊下洩的非恆定流對下遊河道的防洪、通航條件及河道的演變等會產生較大的影響。因此，發展更為先進的測量手段、尋求新的思路來研究明渠非恆定流的傳播規律及運動特性，對於水利學科的發展以及港口、航運及城市防洪等實際問題的解決，都具有重要的理論和工程意義。但明渠非恆定流問題本身非常複雜，在控制方法方面，現有技術多採用電磁流量計和電動調節閥構成的系統以及可調節量水堰進行非恆定流試驗；在水位測量方面，大多採用傳統的水位計以及探針；而在流速測量方面，大多採用旋槳式流速儀、超聲流速儀，能很好的實現非恆定流的控制及單項測量。
[0003]現有技術受試驗設備的限制。控制方法中，電磁流量計和電動調節閥構成的系統以及可調節量水堰雖然可以進行非恆定流試驗，但是測量精度以及反應速率均不理想；其次，在水位測量方面採用傳統的水位計以及探針不但反應速率慢，而且可能造成水流的擾動；而在流速測量方面，旋槳式流速儀、超聲流速儀不但擾動大，而且其單點測量無法滿足非恆定流的需求。同時，現有出現的一些新型控制及測量設備儘管能很好的實現非恆定流的控制及單項測量，但是由於測量過程中無法做到水位、流量及流速的同步，給數據處理等帶來相當大的難度。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，旨在解決現有技術精度低，反應速率不理想，存在擾動，只能單點測量，同步性差的問題。
[0005]本發明是這樣實現的，一種周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，由水位測控計算機模塊，水深非接觸式測量模塊，流量測量模塊，垂面流場非接觸式測量模塊。
[0006]水位測控計算機模塊，連接流量測量模塊，水深非接觸式測量模塊，垂面流場非接觸式測量模塊，用於發出測量控制信息並接收並顯示各模塊的測量數據；
[0007]水深非接觸式測量模塊，連接水位測控計算機模塊並受其控制，用於採集水深信號，獲得對應的水位數據上傳水位測控計算機模塊；
[0008]流量測量模塊，連接水位測控計算機模塊並受其控制，並將測得的流量信息上傳水位測控計算機模塊；
[0009]垂面流場非接觸式測量模塊，連接水位測控計算機模塊並受其控制，用於獲得同步平面流場息。
[0010]進一步，除水位計外，水深非接觸式測量模塊採用超聲探頭進行水深測量，水位測控計算機模塊通過AD板採集超聲探頭電壓。
[0011]進一步，流量測量模塊以控制頻率為目的的變頻器作為水泵電機的調速設備，變頻器連接位測控計算機模塊並受其控制，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速。
[0012]進一步，流量測量模塊中變頻器與水位測控計算機模塊之間通過AD板連接進行通信。
[0013]進一步，流量測量模塊水泵與水槽之間的供水管道上安置電磁流量計，電磁流量計與水位測控計算機模塊之間通過AD板連接進行通信，AD板採集到電磁流量計的實時電壓值傳輸至水位測控計算機模塊。
[0014]進一步，垂面流場非接觸式測量模塊採用PIV技術測量流場分布。由同步控制器，雷射器，CCD相機，相機卡，PIV計算機構成，用於獲得同步平面流場信息。其中:
[0015]同步控制器連接水位測控計算機模塊，接收水位測控計算機模塊的TTL電平信號控制非接觸式測量模塊動作；
[0016]雷射器連接同步控制器，當同步控制器動作時，脈衝雷射光源通過球面鏡和柱面鏡形成脈衝片光源，照亮流場中需要測量的流動區域；
[0017](XD相機連接同步控制器，當同步控制器動作時，與片光源垂直方向拍攝的(XD相機記錄下流動區域中示蹤粒子的圖象並上傳；
[0018]相機卡連接PIV計算機，相機卡存儲互照片，圖象送入PIV計算機並數位化後，對判別區域內數位化圖象矩陣進行互相關運算，得到已知時間間隔內示蹤粒子的位移，由此可以獲得流場中各點的速度信息。
[0019]流量測量模塊通過採用以控制頻率為目的的變頻器作為水泵電機的調速設備獲得穩定的、任意形狀的周期性非恆定流過程，相比電動閥具有反應速度快、能無極變速的優勢；水位測控計算機模塊通過AD板連接進行通信，使獲得信號更穩定準確；流量測量模塊水泵與水槽之間的供水管道上安置電磁流量計測量實際流量以進行校核，防止了變頻器控制水泵轉速出力造成的誤差；水深非接觸式測量模塊採用超聲探頭進行水深測量，避免了傳統測量方法對水流的幹擾，精度更好。垂面流場非接觸式測量模塊通過採用PIV技術測量流場分布，PIV技術突破了空間單點流速測量的局限，可在瞬間測量一個平面的流動信息，具有空間解析度高、獲取信息量大以及無幹擾連續測量的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明提供的周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統工作結構示意圖。
[0021]圖中:1、水位測控計算機模塊；2、水深非接觸式測量模塊；3、流量測量模塊；3_1、水泵；3-2、變頻器；4、垂面流場非接觸式測量模塊；4-1、同步控制器；4-2、雷射器；4-3、(XD相機；4-4、相機卡；4-5、PIV計算機。
【具體實施方式】
[0022]本發明是這樣實現的，一種周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，由水位測控計算機模塊1，水深非接觸式測量模塊2，流量測量模塊3，垂面流場非接觸式測量模塊4，如圖1所示。
[0023]水位測控計算機模塊1，連接流量測量模塊2，水深非接觸式測量模塊3，垂面流場非接觸式測量模塊4，用於發出測量控制信息並接收並顯示各模塊的測量數據；
[0024]水深非接觸式測量模塊2，連接水位測控計算機模塊1並受其控制，用於採集水深信號，獲得對應的水位數據上傳水位測控計算機模塊1 ;
[0025]流量測量模塊3，連接水位測控計算機模塊1並受其控制，並將測得的流量信息上傳水位測控計算機模塊1 ;
[0026]垂面流場非接觸式測量模塊4，連接水位測控計算機模塊1並受其控制，用於獲得同步平面流場息。
[0027]進一步，除水位計外，水深非接觸式測量模塊2採用超聲探頭進行水深測量，水位測控計算機模塊1通過AD板採集超聲探頭電壓。
[0028]進一步，流量測量模塊3以控制頻率為目的的變頻器3-2作為水泵3-1電機的調速設備，變頻器3-2連接位測控計算機模塊1並受其控制，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獲得不同的轉速。
[0029]進一步，流量測量模塊3中變頻器3-2與水位測控計算機模塊1之間通過AD板連接進行通信。
[0030]進一步，流量測量模塊3水泵3-1與水槽之間的供水管道上安置電磁流量計，電磁流量計與水位測控計算機模塊1之間通過AD板連接進行通信，AD板採集到電磁流量計的實時電壓值傳輸至水位測控計算機模塊1。
[0031]進一步，垂面流場非接觸式測量模塊4採用PIV技術測量流場分布。由同步控制器4_1，雷射器4_2,(XD相機4_3，相機卡4_4,PIV計算機4_5構成，用於獲得同步平面流場?目息。其中:`
[0032]同步控制器4-1連接水位測控計算機模塊1，接收水位測控計算機模塊1的TTL電平信號控制非接觸式測量模塊4動作；
[0033]雷射器4-2連接同步控制器4-1，當同步控制器4-1動作時，脈衝雷射光源通過球面鏡和柱面鏡形成脈衝片光源，照亮流場中需要測量的流動區域；
[0034](XD相機4-3連接同步控制器4-1，當同步控制器4_1動作時，與片光源垂直方向拍攝的CCD相機記錄下流動區域中示蹤粒子的圖象並上傳；
[0035]相機卡4-4連接PIV計算機4-5，相機卡4-4存儲互照片，圖象送入PIV計算機4_5並數位化後，對判別區域內數位化圖象矩陣進行互相關運算，得到已知時間間隔內示蹤粒子的位移，由此可以獲得流場中各點的速度信息。
[0036]當需要進行流速測量的時候，本試驗系統中的水位測控計算機模塊1通過內置的水位和流量控制程序控制水深非接觸式測量模塊2，流量測量模塊3，垂面流場非接觸式測量模塊4工作。水深非接觸式測量模塊2進行水位測量和，流量測量模塊3進行流量採集，同時水位測控計算機模塊1向垂面流場非接觸式測量模塊4中的同步控制器4-1發出TTL電平信號，啟動同步控制器4-1觸發雷射器4-2和CCD相機4-3進行流速測量，並記錄採樣數據，做到水位和流速測量的同步性，每一次流速採樣都對應著明確的水位採樣和時間。
[0037]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，其特徵在於，所述周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統由水位測控計算機模塊，水深非接觸式測量模塊，流量測量模塊，垂面流場非接觸式測量模塊構成；水位測控計算機模塊，連接流量測量模塊，水深非接觸式測量模塊，垂面流場非接觸式測量模塊，用於發出測量控制信息並接收並顯示各模塊的測量數據；水深非接觸式測量模塊，連接水位測控計算機模塊並受其控制，用於採集水深信號，獲得對應的水位數據上傳水位測控計算機模塊；流量測量模塊，連接水位測控計算機模塊並受其控制，並將測得的流量信息上傳水位測控計算機模塊；垂面流場非接觸式測量模塊，連接水位測控計算機模塊並受其控制，用於獲得同步平面流場信息。
2.如權利要求1所述周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，其特徵在於，所述水深非接觸式測量模塊除水位計外採用超聲探頭進行水深測量，水位測控計算機模塊通過AD板採集超聲探頭電壓。
3.如權利要求1所述周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，其特徵在於，所述流量測量模塊以控制頻率為目的的變頻器作為水泵電機的調速設備，變頻器連接位測控計算機模塊並受其控制，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速。
4.如權利要求1所述周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，其特徵在於，所述流量測量模塊中變頻器與水位測控計算機模塊之間通過AD板連接進行通信。
5.如權利要求1所述周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，其特徵在於，所述流量測量模塊水泵與水槽之間的供水管道上安置電磁流量計，電磁流量計與水位測控計算機模塊之間通過AD板連接進行通信，AD板採集到電磁流量計的實時電壓值傳輸至水位測控計算機模塊。
6.如權利要求1所述周期性明渠非恆定流非接觸式紊動結構測控系統，其特徵在於，所述垂面流場非接觸式測量模塊採用PIV技術測量流場分布。由同步控制器，雷射器，CCD相機，相機卡，PIV計算機構成，用於獲得同步平面流場信息。其中:同步控制器連接水位測控計算機模塊，接收水位測控計算機模塊的TTL電平信號控制非接觸式測量模塊動作；雷射器連接同步控制器，當同步控制器動作時，脈衝雷射光源通過球面鏡和柱面鏡形成脈衝片光源，照亮流場中需要測量的流動區域；CCD相機連接同步控制器，當同步控制器動作時，與片光源垂直方向拍攝的CCD相機記錄下流動區域中示蹤粒子的圖象並上傳；相機卡連接PIV計算機，相機卡存儲互照片，圖象送入PIV計算機並數位化後，對判別區域內數位化圖象矩陣進行互相關運算，得到已知時間間隔內示蹤粒子的位移，由此可以獲得流場中各點的速度息。
【文檔編號】G01M10/00GK103674476SQ201310204252
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年5月24日 優先權日:2013年5月24日
【發明者】蘭豔萍, 楊勝發, 胡江, 付旭輝, 李文杰, 陳陽, 張鵬 申請人:重慶交通大學