專利名稱：一種水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水利工程及水力學(xué)研究模型試驗(yàn)領(lǐng)域，具體是ー種水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在水力模型(水エ、河エ、港エ模型)試驗(yàn)研究中，對泡漩水和漩渦流的觀測，是研究其水流流態(tài)形成機(jī)理和治理方法，以及船舶安全航行的ー個(gè)重要內(nèi)容。其中，泡漩是波浪翻滾并有漩渦的水流，漩渦是水流遇低洼處所激成的螺旋形水渦，泡漩水或漩渦流是河流主要礙航灘險(xiǎn)之一，對船舶安全航行威脅極大，當(dāng)船舶行駛至泡漩水或漩渦區(qū)域時(shí)將引起顛簸，造成駕駛困難，對于船隊(duì)可能會(huì)發(fā)生碰撞，或造成歪船、嚴(yán)重時(shí)使船舶翻傾沉沒，水流泡漩或漩渦流直接影響船舶航運(yùn)安全。·[0003]泡漩水與漩渦流形成的必然條件是水流動(dòng)能與位能之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，水流之間發(fā)生這種能量轉(zhuǎn)換又需要一定的邊界條件和水力條件。為了獲得這些參數(shù)和采取工程措施，水カエ程模型試驗(yàn)檢測泡漩水或漩渦流的特征一般是指(I)泡漩與漩渦流的涌起高度或漩下深度(即波動(dòng)量)；(2)泡漩的周期或水面的波動(dòng)頻率；(3)泡漩水與漩渦流出現(xiàn)的區(qū)域范圍。檢測到的以上特征供有關(guān)研究與工程設(shè)計(jì)和工程治理參考。以往在模型上最原始的觀測是人工目測觀察記錄，沒有測量泡漩水的專用儀器，更沒有針對泡漩水參數(shù)測量的專用系統(tǒng)，后來有采用不同類型流速儀的測量方式，但不能反映泡漩的多參數(shù)特性。由于泡漩水流變化迅速，沒有快速測量的設(shè)備同步檢測泡漩的波動(dòng)高度和周期，以及發(fā)生的范圍與流場強(qiáng)度，給模型試驗(yàn)研究帶來難題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供ー種水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)，其通過阻抗式變換器與攝影圖像技術(shù)相結(jié)合，能快速、多點(diǎn)測量泡漩水與大面積漩渦流水流流態(tài)，實(shí)現(xiàn)測量參數(shù)與動(dòng)態(tài)圖像的自動(dòng)同步顯示、記錄和存儲，解決了現(xiàn)有技術(shù)不能同時(shí)獲取泡漩水強(qiáng)度、流速流態(tài)產(chǎn)生的區(qū)域范圍等測量參數(shù)的難題。ー種水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)，包括多個(gè)泡漩水傳感器、與各個(gè)漩水傳感器對應(yīng)連接的信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換卡、計(jì)算機(jī)、多個(gè)CCD攝像機(jī)、圖像采集卡，每ー信號處理電路通過A/D轉(zhuǎn)換卡與計(jì)算機(jī)連接，每ー CXD攝像機(jī)通過圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，所述泡漩水傳感器的波高傳感元件采用阻抗變換器，測量時(shí)放置于水流中一定深度；所述CXD攝像機(jī)布置在河道水流上方。如上所述的水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)，所述泡漩水傳感器包括依次連接的多諧振蕩器、功率放大器、耦合變壓器、阻抗變換器，所述信號處理電路包括依次連接的水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路、差動(dòng)電路、相敏檢波器、光電隔離模塊，其中耦合變壓器的兩個(gè)次級繞組分別水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路和阻抗變換器連接，水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路和阻抗變換器的輸出端分別與差動(dòng)電路的兩個(gè)輸入端連接。[0008]本實(shí)用新型將電子測量技術(shù)與攝影技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，為水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究測量水流泡漩與漩渦流提供了一種新的測量系統(tǒng)，并且大大提高試驗(yàn)自動(dòng)化和工作效率，有利于提升水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究水平。

圖I是本實(shí)用新型水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實(shí)用新型水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)的電路原理框圖；圖3是使用本實(shí)用新型測得的水流波動(dòng)-時(shí)間過程曲線(即泡漩波高圖)；圖4-1是模型平面布置及泡漩表面流場范圍圖；圖4-2是模型泡漩表面流場局部放大圖；圖5是利用本實(shí)用新型進(jìn)行水力模型泡漩或漩渦流測量的流程框圖。圖中1_泡漩水傳感器，2-信號處理電路，3-A/D轉(zhuǎn)換卡，4-計(jì)算機(jī)，5-C⑶攝像機(jī)，6-圖像采集卡，7-穩(wěn)壓電源，11-多諧振蕩器，12-功率放大器，13-耦合變壓器，14-阻抗變換器，21-差動(dòng)電路，22-水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路，23-相敏檢波器，24-光電隔離模塊。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本實(shí)用新型中的附圖，對本實(shí)用新型中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。請參考圖1，本實(shí)用新型實(shí)施例提供ー種水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)，包括多個(gè)泡漩水傳感器I、與各個(gè)漩水傳感器I對應(yīng)連接的信號處理電路2、A/D轉(zhuǎn)換卡3、計(jì)算機(jī)
4、多個(gè)CXD攝像機(jī)5、圖像采集卡6，每一信號處理電路2通過A/D轉(zhuǎn)換卡3與計(jì)算機(jī)4連接，每ー CXD攝像機(jī)5通過圖像采集卡6與計(jì)算機(jī)4連接。本實(shí)用新型測量系統(tǒng)還可包括與泡漩水傳感器I、信號處理電路2及CXD攝像機(jī)5連接穩(wěn)壓電源7。泡漩水傳感器I和CCD攝像機(jī)5的數(shù)量可根據(jù)測量水流區(qū)域需求進(jìn)行設(shè)置，圖I中的實(shí)施例示出了 16個(gè)泡漩水傳感器I和8個(gè)CXD攝像機(jī)5，對應(yīng)16個(gè)泡漩水傳感器I設(shè)有16個(gè)信號處理電路2，A/D轉(zhuǎn)換卡3為PCI總線16通道高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡，相應(yīng)的圖像采集卡6為8通道圖像采集卡。請進(jìn)一歩參考圖2，所述泡漩水傳感器I包括多諧振蕩器11、功率放大器12、耦合變壓器13、阻抗變換器14，所述信號處理電路2包括差動(dòng)電路21、水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22、相敏檢波器23、光電隔離模塊24。本實(shí)用新型實(shí)施例中所述阻抗變換器14是兩根平行的圓形金屬桿作為傳感器的兩個(gè)電極。水體在兩金屬桿之間形成電阻阻抗，其阻抗隨泡漩水位升降而變化，這種變化是ー種高速的動(dòng)態(tài)水位變化，水體升高則兩電極間阻抗減小，水體下降則阻抗増大。電極測桿的長度視被測水體的變化幅度而定。所述阻抗變換器14可用兩根直徑為D、距離為L且相互平行的不銹鋼絲固定于絕緣體上，測量時(shí)放置于水流中一定深度，當(dāng)水流波動(dòng)的變化導(dǎo)致兩電極間阻抗值變化，適當(dāng)選擇電極尺寸、電路元件數(shù)據(jù)，可使水面波動(dòng)涌水越高，輸出的電流就越大；同時(shí)選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率，可以改善儀表的線性度；由于水的電導(dǎo)率隨水溫和水質(zhì)的變化而改變，測量精度通常受水溫、水質(zhì)的影響，可采用水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22以消除或減小其變化而引起的影響。本實(shí)施采用阻抗變換器，相對于電容變換器具有更快的測量反應(yīng)速度和更好的動(dòng)態(tài)特性。差動(dòng)信號的訊號源由多諧振蕩器11獲得一定幅度穩(wěn)定的矩形波，多諧振蕩器11產(chǎn)生一定頻率的矩形波交流電，經(jīng)功率放大器12放大后耦合至耦合變壓器13的初級繞組。耦合變壓器13的兩個(gè)次級繞組分別水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22和阻抗變換器14連接，阻抗變換器14及水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22的輸出端分別與差動(dòng)電路21的兩個(gè)輸入端連接。水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22的元器件與參數(shù)則根據(jù)模型的水溫和水質(zhì)適當(dāng)調(diào)整選取。電路工作電源(即穩(wěn)壓電源7)采用高精度穩(wěn)壓電源模塊，以減小或消除電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的干擾和影響，保證系統(tǒng)電路工作穩(wěn)定。儀器測量或校驗(yàn)時(shí)，將所述阻抗變換器14的電極置入水中，適當(dāng)調(diào)整入水深度可獲得合適的電信號靈敏度。當(dāng)水流波動(dòng)起伏時(shí)，產(chǎn)生的泡漩差動(dòng)信號經(jīng)差動(dòng)電路21轉(zhuǎn)換獲取后送至相敏檢波器23，相敏檢波器23的輸出信號由光電隔離電路模塊24送至A/D轉(zhuǎn)換卡3，再送至計(jì)算機(jī)4處理顯示、記錄水流波動(dòng)的時(shí)間過程曲線，根據(jù)時(shí)間過程線(即水流波 動(dòng)-時(shí)間過程曲線)分析獲得泡漩的強(qiáng)度與頻率，并由泡漩水傳感器I的位置分布以及CCD攝像機(jī)圖像獲知泡漩水流發(fā)生的位置和面積范圍。當(dāng)拋灑跟蹤粒子或碎紙片吋，還可測量漩渦流的表面流速(即表面流場)。CCD攝像機(jī)5可用鋼架或鋁型材固定，布置在模型河道水流上方，單路有效測量面積可達(dá)4mX5m(攝像機(jī)懸掛高度7. Om吋)。本系統(tǒng)泡高測量范圍0-50mm;泡漩/漩渦流圖像范圍160m2。利用本實(shí)用新型可進(jìn)行水力模型泡漩或漩渦流的測量，其通過在計(jì)算機(jī)4中安裝系統(tǒng)測控軟件來實(shí)現(xiàn)，具體包括如下步驟步驟一、將各泡漩水傳感器I在模型CAD平面布置圖上的X/Y坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī)4 ；步驟ニ、啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始繪制水流波動(dòng)-時(shí)間過程曲線計(jì)算機(jī)4從A/D轉(zhuǎn)換卡3接收水流波動(dòng)數(shù)字信號，所述水流波動(dòng)數(shù)字信號由A/D轉(zhuǎn)換卡3將泡漩水傳感器I測到的水流波動(dòng)模擬信號轉(zhuǎn)換而成，接著計(jì)算機(jī)4點(diǎn)繪水流波動(dòng)-時(shí)間過程曲線(見圖3)。水流波動(dòng)-時(shí)間過程曲線可以方便試驗(yàn)人員實(shí)時(shí)觀測分析水流動(dòng)態(tài)特性，以傳感器固定入水深度時(shí)無波動(dòng)平順?biāo)餍盘枮榭v坐標(biāo)基準(zhǔn)(h = O)，由水流波動(dòng)特性可知，縱坐標(biāo)涌高的波形為泡水、鏇下的為鏇渦或旋流。步驟三、啟動(dòng)泡漩水流范圍分析計(jì)算機(jī)4將CXD攝像機(jī)5拍攝的流場圖像模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后根據(jù)已有泡漩水傳感器I分布數(shù)據(jù)和拍攝的流場圖像標(biāo)識泡漩水范圍以及漩渦流表面流場范圍。泡漩水傳感器I和CXD攝像機(jī)5在模型安裝的X/Y坐標(biāo)位置在CAD圖中可精確查出，泡漩水范圍以及漩渦流表面流場范圍以CAD模型平面布置圖形式畫出(如圖4所示，圖4-1為ー具體工程試驗(yàn)測量圖，圖4-2為泡漩水和回流區(qū)流場測量局部放大圖)，便于對試驗(yàn)成果進(jìn)行處理。試驗(yàn)成果一般以圖3、圖4形式和數(shù)據(jù)表格在試驗(yàn)報(bào)告中整理給出，數(shù)據(jù)表格中的泡漩高度、強(qiáng)度、頻度、范圍等數(shù)據(jù)根據(jù)模型比尺換算成原型值，供航道疏浚、工程治通和有關(guān)研究或規(guī)劃設(shè)計(jì)參考。步驟四、啟動(dòng)漩渦表面流速分析，具體步驟如下將示蹤粒子或碎紙片撒入流體之中；計(jì)算機(jī)4通過CXD攝像機(jī)5獲取第一個(gè)時(shí)刻的CXD圖像；計(jì)算機(jī)4通過CXD攝像機(jī)5獲取下一個(gè)時(shí)刻的CCD圖像；計(jì)算機(jī)4對以上兩個(gè)圖像進(jìn)行流動(dòng)圖像數(shù)據(jù)處理后配對粒子位移；對離散數(shù)據(jù)擬合出流場矢量數(shù)據(jù)；根據(jù)所述流場矢量數(shù)據(jù)畫出該時(shí)刻的流場圖。流動(dòng)圖像數(shù)據(jù)處理方法是基于粒子示蹤法(PIV)進(jìn)行提取定量的流場信息。測量原理是由測量隨流體運(yùn)動(dòng)粒子的圖像之間的距離ΛΧ、ΛΥ來測量速度。測量時(shí)首先將示蹤粒子或碎紙片撒入流體之中，這些粒子和紙片跟隨流體運(yùn)動(dòng)，代表其所在流場內(nèi)相應(yīng)位置處流體的運(yùn)動(dòng)速度，拍攝的流場線圖像范圍即為流態(tài)發(fā)生的范圍，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄和繪制在CAD圖上，帶箭頭的指示線是矢量流場線，其長短代表流速大小、箭頭代表方向。兩次拍攝的圖像分別被跨幀高分率CCD攝像機(jī)記錄下來，記錄的圖像被分成許多積分窗ロ。在兩次的時(shí)間間隔At內(nèi)，每ー個(gè)小區(qū)域有位移ΛΧ、ΛΥ，速度就可以用AX/At、AY/At來表示，粒子位移ΛΧ、ΛΥ可以通過兩個(gè)相應(yīng)的積分窗ロ的相關(guān)性 來計(jì)算。程序計(jì)算軟件采用數(shù)字圖像相關(guān)法，相關(guān)函數(shù)平面的最高點(diǎn)所在位置表示了某一特定積分窗口中粒子的平均位移ΛΧ、ΛΥ，所有積分窗ロ的位移矢量最終轉(zhuǎn)換為一幅完整的瞬時(shí)速度分布圖。系統(tǒng)處理具體過程如程序流程框圖(圖5)所示，在上述步驟ニ、三、四分析結(jié)束后判斷是否繼續(xù)，如果繼續(xù)則返回繼續(xù)進(jìn)行分析；如果不繼續(xù)，則再判斷是否保存圖形和數(shù)據(jù)，若是則調(diào)用指定文件進(jìn)行圖形和數(shù)據(jù)的保存，若否則結(jié)束分析流程。本實(shí)用新型實(shí)施例采集的所述水流波動(dòng)信號經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)時(shí)顯示各傳感器的水流波動(dòng)-時(shí)間過程曲線、8幅CCD攝像機(jī)表面流場流速及泡漩水圖像范圍，測量人員可方便地對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。計(jì)算機(jī)測控軟件可實(shí)現(xiàn)常系數(shù)建立、傳感器自檢、零點(diǎn)校準(zhǔn)、測量數(shù)據(jù)和流場流態(tài)圖像處理等測量控制及分析功能。以上所述，僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.ー種水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)，其特征在于包括多個(gè)泡漩水傳感器(I)、與各個(gè)漩水傳感器(I)對應(yīng)連接的信號處理電路(2)、A/D轉(zhuǎn)換卡(3)、計(jì)算機(jī)(4)、多個(gè)CCD攝像機(jī)(5)、圖像采集卡出)，每一信號處理電路(2)通過A/D轉(zhuǎn)換卡(3)與計(jì)算機(jī)(4)連接，每ー CCD攝像機(jī)(5)通過圖像采集卡(6)與計(jì)算機(jī)(4)連接，所述泡漩水傳感器(I)的波高傳感元件采用阻抗變換器(14)，測量時(shí)放置于水流中一定深度；所述CCD攝像機(jī)(5)布置在河道水流上方。
2.如權(quán)利要求I所述的水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)，其特征在于所述泡漩水傳感器(I)包括依次連接的多諧振蕩器(11)、功率放大器(12)、耦合變壓器(13)、阻抗變換器(14)，所述信號處理電路(2)包括依次連接的水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路(22)、差動(dòng)電路(21)、相敏檢波器(23)、光電隔離模塊(24)，其中耦合變壓器(13)的兩個(gè)次級繞組分別水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路(22)和阻抗變換器(14)連接，水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路(22)和阻抗變換器(14)的輸出端分別與差動(dòng)電路(21)的兩個(gè)輸入端連接。
專利摘要一種水力模型泡漩或漩渦流測量系統(tǒng)，包括多個(gè)泡漩水傳感器、與各個(gè)漩水傳感器對應(yīng)連接的信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換卡、計(jì)算機(jī)、多個(gè)CCD攝像機(jī)、圖像采集卡，每一信號處理電路通過A/D轉(zhuǎn)換卡與計(jì)算機(jī)連接，每一CCD攝像機(jī)通過圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，所述泡漩水傳感器的波高傳感元件采用阻抗變換器，測量時(shí)放置于水流中一定深度；所述CCD攝像機(jī)布置在模型河道水流上方。本實(shí)用新型將電子測量技術(shù)與攝影技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，為水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究測量水流泡漩與漩渦流提供了一種新的測量系統(tǒng)，并且大大提高試驗(yàn)自動(dòng)化程度和工作效率，有利于提升水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究水平。
文檔編號G01M10/00GK202631226SQ20122027609
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者吳新生, 廖小永, 范北林, 林木松, 馮源, 劉同宦, 陳錦, 王黎 申請人:長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院