一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節裝置及調節方法
2023-05-04 09:21:36 4
一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節裝置及調節方法
【專利摘要】本發明公開了一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節裝置及調節方法，通過自動水位儀不斷獲取數據反饋給計算機，由計算機對比目標水位後，再控制交流電機正轉或反轉帶動蝸杆、蝸輪轉動並拖動水槽上下遊支撐端鉛直升降，實現水槽底坡的自動調節，直至均勻流的生成，通過標定實驗獲取水槽底坡變化量、水槽初始底坡及水面坡度之間關係，並將水槽底坡變化量轉換成交流電機旋轉角度，從而實現水位儀自動獲取數據指示交流電機轉動調節水槽底坡進而生成均勻流。本發明可以避免常規方法通過人工觀測水位測針或標度尺的水位讀數後計算水深，再反覆手動調節水槽底坡生成均勻流，大幅減小了中間環節，縮短了調節時間，提高了調節精度，實現了智能控制。
【專利說明】一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節裝置及調節方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及利用明渠實驗水槽實驗段進出口斷面水位的自動監測信息自動控制 交流電機調節水槽底坡以實現恆定均勻流的【技術領域】，尤其涉及一種明渠實驗水槽生成均 勻流的自動調節裝置及調節方法。
【背景技術】
[0002] 明渠水槽實驗可預測河流演變規律，優化工程方案，是進行河流河勢規劃、沿岸防 洪規劃、流域國民經濟可持續發展規劃不可或缺的有力工具，廣泛應用於水利工程、港口工 程及航道工程等基礎理論與工程實踐研究中。明渠水槽與水槽實驗所取得成果的好壞有著 密切的關係。明渠水槽按其功能和用途可分為兩類，一類是平坡水槽，水槽底坡固定不變， 主要用於大尺度的河工模型實驗；另一類為變坡水槽，水槽底坡可按要求在一定範圍內調 整，主要用於糙率實驗、推移質泥沙實驗和水力穩定性實驗等方面的基礎流體力學實驗。而 絕大部分基礎流體力學實驗均是在恆定均勻流條件下進行的，要求水槽具有變坡功能，以 便恆定均勻流場條件的生成。
[0003] 目前明渠實驗水槽變坡生成均勻流的變坡功能為採用如圖1所示的調節裝置，包 括：固定鉸支座12、交流電機13、渦杆14、渦輪15、絲杆16、絲杆導軌17,其控制方式是：交 流電機13正轉或反轉帶動蝸杆14轉動，渦杆14將動力傳遞給蝸輪15,渦輪15帶動絲杆16 沿著固定在地面基座上的絲杆導軌17上下移動，固定鉸支座12支撐的水槽上遊端不動，固 定在水槽下遊端的絲杆16能夠拖動明渠水槽下遊支撐端在鉛直方向升降，並在標定好升 降極限位置的行程限位安全控制器的控制下，調節明渠水槽底坡在一定範圍內變化，再通 過沿明渠水槽方向5個位置處布置的水位測針或標度尺測量水深，直到5個位置處的水深 相等時，認為水槽中恆定均勻流生成。而此時明渠水槽底坡i可通過相對於事先標定過的 零坡位置時的水槽下遊支撐點在鉛直方向上移動的距離L v和上遊端固定鉸支座到下遊高 程可變支撐點之間的長度Lh來確定，即V ^這種方法通過布設在明渠水槽不同位置處 的水位測針或標度尺測量水深，並將水深相等作為生成恆定均勻流的判定準則指導實驗 人員操作交流電機13正轉或反轉帶動蝸杆14轉動，渦杆14將動力傳遞給蝸輪15,渦輪15 帶動絲杆16沿著固定在地面基座上的絲杆導軌17上下移動，明渠水槽上遊端固定，固定在 水槽下遊端的絲杆16能夠拖動明渠水槽下遊支撐端在鉛直方向升降，從而實現明渠水槽 底坡的反覆調節，直至恆定均勻流的生成。整個操作過程不僅需要人工反覆讀取水位和計 算水深，還需要根據所計算的水深人為操控交流電機往復不停的調節明渠水槽底坡成百上 千次後才能生成恆定均勻流。因此，利用水位測針或標度尺測量的水深相等作為生成恆定 均勻流的判定準則指導實驗人員手動往復調節明渠實驗水槽下遊支撐端高程實現底坡變 化進而生成恆定均勻流的方法存在調節時間長、操作環節多、調節精度低、容易因高程調節 時水槽一端突然升降而引起水槽內全流場水流的系統震蕩、需要融合經驗和主觀判斷才能 完成整個操作過程等諸多問題。
[0004] 因此，需要提供一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節裝置及調節方法來解決 上述問題。
【發明內容】
[0005] 為了解決該問題，本發明公開了一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節裝置及 調節方法，它是通過水槽中間位置處的固定鉸支座支撐和上、下遊支撐端高程同步調節實 現明渠水槽變坡，不再利用固定水槽上遊端而調節下遊端高程進行水槽底坡調節，水槽底 坡的調節也只需要依據自動水位儀的反饋數據控制電機的轉動角度就能完成，有效避免了 因高程調節時水槽一端突然升降而引起的全流場水流的系統震蕩，大幅減小了中間環節， 縮短了調節時間，提高了調節精度。
[0006] 較佳地，本發明提供了一種明渠實驗水槽變坡生成均勻流的自動調節裝置及調節 方法，它是通過交流電機與渦杆剛性連接，渦杆與渦輪連接，渦輪與傳動軸、傳動軸與二級 渦杆剛性連接，二級渦杆與二級渦輪連接、二級渦輪與絲杆連接，絲杆固定在水槽上、下遊 支撐端，絲杆導軌固定在地面基座上，固定鉸支座支撐於水槽中間位置處，基於上述連接， 交流電機轉動可直接傳遞給絲杆，絲杆帶動明渠水槽上、下遊支撐端在鉛直方向同步升、降 而使水槽底坡產生變化，通過標定實驗獲取交流電機轉動引起的水槽底坡變化量、水槽初 始底坡及水面坡度三者之間的關係，並將交流電機轉動引起的水槽底坡變化量轉換成交流 電機的旋轉角度，從而實現了水位儀自動獲取水位數據並反饋給計算機、計算機通過水位 數據計算水面坡度和初始底坡並依據二者差值所轉換成的交流電機的旋轉角度控制交流 電機轉動、交流電機轉動帶動水槽底坡變化的明渠實驗水槽生成恆定均勻流的智能化調 節。本發明可以避免常規方法通過人工反覆讀取水位測針或標度尺的水位讀數後計算水 深，再將水深相等作為生成恆定均勻流的判定準則指導實驗人員手動操作交流電機反覆調 節明渠實驗水槽底坡，也有效避免了明渠水槽上遊端固定時調節下遊端高程變幅過大引起 的全流場水流的系統震蕩，大幅減小了中間環節，縮短了調節時間，提高了調節精度，實現 了明渠實驗水槽變坡生成恆定均勻流的智能調節。
[0007] 較佳地，本發明一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節裝置及調節方法，通過 自動水位儀不斷獲取數據反饋給計算機，由計算機對比目標水位後，再控制交流電機正轉 或反轉帶動蝸杆、蝸輪轉動並拖動水槽上下遊支撐端鉛直升降，實現水槽底坡的自動調節， 直至均勻流的生成，通過標定實驗獲取水槽底坡變化量、水槽初始底坡及水面坡度之間關 系，並將水槽底坡變化量轉換成交流電機旋轉角度，從而實現水位儀自動獲取數據指示交 流電機轉動調節水槽底坡進而生成均勻流。本發明可以避免常規方法通過人工觀測水位測 針或標度尺的水位讀數後計算水深，再反覆手動調節水槽底坡生成均勻流，大幅減小了中 間環節，縮短了調節時間，提高了調節精度，實現了智能控制。
[0008] 為實現上述目的，本發明將採取以下的技術方案：
[0009] -種明渠實驗水槽變坡生成均勻流的自動調節裝置，包括水位儀、計算機、交流電 機、固定鉸支座、蝸杆、渦輪、傳動軸、二級渦杆、二級渦輪、絲杆、絲杆導軌，水位儀與計算機 相連，計算機與交流電機相連，交流電機與渦杆剛性連接，渦杆與渦輪連接，渦輪與傳動軸、 傳動軸與二級渦杆剛性連接，二級渦杆與二級渦輪連接、二級渦輪與絲杆連接，絲杆固定在 水槽上、下遊支撐端，絲杆導軌固定在地面基座上，固定鉸支座支撐於水槽中間位置處，基 於上述連接，交流電機與絲杆實現了傳動連接，從而計算機控制交流電機轉動帶動水槽上、 下遊支撐端鉛直升降，實現了明渠水槽底坡的自動調節變化。
[0010] 一種明渠實驗水槽變坡生成均勻流的自動調節方法，包括以下步驟：
[0011] 1、水槽實驗段進出口處布置的2個自動水位儀按設定的測量頻率自動獲取水位 數據到計算機，計算機根據每組水位數據計算水面坡度，如果水面坡度與明渠水槽初始底 坡的差值為零，恆定均勻流已生成，否則計算機將根據每組差值指示交流電機正轉或反轉 帶動渦杆轉動，渦杆將動力傳遞給渦輪，渦輪與傳動軸、傳動軸與二級渦杆剛性連接，渦輪 通過剛性連接帶動二級渦杆轉動，二級渦杆將動力傳遞給二級渦輪，二級渦輪帶動絲杆沿 著固定在地面基座上的絲杆導軌上下移動，明渠水槽中部用固定鉸支座支撐，固定在水槽 上、下遊支撐端上的絲杆能夠拖動明渠水槽上、下遊支撐端在鉛直方向同步升降，從而實現 了明渠水槽底坡的反覆調節。
[0012] 2、通過標定實驗獲取交流電機轉動引起的水槽底坡變化量、水槽初始底坡及水面 坡度三者之間的關係，並將交流電機轉動引起的水槽底坡變化量轉換成交流電機旋轉角 度，從而實現自動調節水槽底坡生成明渠恆定均勻流。
[0013] 其中，水槽底坡變化量與水面坡度和水槽初始坡度的關係滿足下式：
[0014] iw=if+A if
【權利要求】
1. 一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節裝置，它包括自動水位儀（1)、計算機 (2)、交流電機（3)、固定鉸支座（4)、蝸杆（5)、渦輪（6)、傳動軸（7)、二級渦杆（8)、二級渦 輪（9)、絲杆（10)、絲杆導軌（11)，其特徵在於，所述的自動水位儀（1)與計算機（2)相連， 計算機⑵與交流電機⑶相連，交流電機⑶與渦杆（5)剛性連接，渦杆（5)與渦輪（6) 連接，渦輪（6)與傳動軸（7)、傳動軸（7)與二級渦杆（8)剛性連接，二級渦杆（8)與二級渦 輪（9)連接、二級渦輪（9)與絲杆（10)連接，絲杆（10)固定在水槽上，絲杆導軌（11)固定 在地面基座上，固定鉸支座（4)支撐於水槽中間位置處，基於上述連接，交流電機（3)與絲 杆（10)實現了傳動連接，從而計算機（2)控制交流電機（3)轉動帶動水槽上、下遊支撐端 鉛直升降，實現了明渠水槽底坡的自動調節變化。
2. 根據權利要求1所述的一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節裝置，其特徵在 於，所述的自動調節方法，包括以下步驟： 1、 自動調節明渠實驗水槽底坡生成均勻流時，如圖2和3所示，水槽實驗段進出口處布 置的二個自動水位儀（1)按設定的測量頻率自動獲取水位數據到計算機（2)，計算機（2)根 據每組水位數據計算水面坡度，如果水面坡度與明渠水槽初始底坡的差值為零，恆定均勻 流已生成，否則計算機（2)將根據每組差值指示交流電機（3)正轉或反轉帶動渦杆（5)轉 動，渦杆（5)將動力傳遞給渦輪（6)，渦輪（6)與傳動軸（7)、傳動軸（7)與二級渦杆（8)剛 性連接，渦輪（6)通過剛性連接帶動二級渦杆（8)轉動，二級渦杆（8)將動力傳遞給二級渦 輪（9)，二級渦輪（9)帶動絲杆（10)沿著固定在地面基座上的絲杆導軌（11)上下移動，明 渠水槽中部用固定鉸支座（4)支撐，固定在水槽上、下遊支撐端上的絲杆（10)能夠拖動明 渠水槽上、下遊支撐端在鉛直方向同步升降，從而實現了明渠水槽底坡的反覆調節。利用標 定實驗獲取交流電機（3)轉動引起的水槽底坡變化量Ai f、水槽初始底坡if及水面坡度iw 等參量的關係，該關係如下： Δ if=iw-if 2、 根據上式計算出從初始底坡調整達到與水面坡度相等時的底坡變化量。通過標定實 驗獲取交流電機（3)轉動引起的水槽底坡變化量、水槽初始底坡及水面坡度三者之間的關 系，並將交流電機（3)轉動引起的水槽底坡變化量轉換成交流電機（3)旋轉角度，從而實現 自動水位儀（1)自動獲取數據調節交流電機（3)轉動角度生成恆定均勻流。 3、 根據權利要求2所述的一種明渠實驗水槽生成均勻流的自動調節方法，其特徵在 於，利用下式將水槽底坡變化量轉換成交流電機旋轉角度
其中，ALV為上、下遊支撐端處絲杆升、降高程差，Lh為固定鉸支座與上遊或下遊支撐 端之間距離，氏為水槽實驗段進口水位值，H2為水槽實驗段出口水位值，L為上、下遊水位儀 之間距離，Δ a d為交流電機轉動角度，Zi為渦桿頭數，z2為渦輪齒數，z3為絲桿頭數，p為 絲杆螺距。
【文檔編號】G05D9/12GK104090588SQ201410100151
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年3月12日 優先權日:2014年3月12日
【發明者】房世龍, 吳麗華, 吉順莉, 倪飛, 施小飛, 趙蘇政, 鄭紅娟, 朱亮, 周春煦 申請人:南通航運職業技術學院