周期性明渠非恒定流非接觸式紊動結(jié)構(gòu)測控系統(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結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)，該技術(shù)由水位測控計算機(jī)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(gòu)成。該測控系統(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、能無極變速的優(yōu)勢，獲得信號更穩(wěn)定準(zhǔn)確，避免了傳統(tǒng)測量方法對水流的干擾，精度更好，突破了空間單點(diǎn)流速測量的局限，可在瞬間測量一個平面的流動信息，具有空間分辨率高、獲取信息量大以及無干擾連續(xù)測量的特點(diǎn)，實現(xiàn)了連續(xù)周期性明渠非恒定流的控制以及流量、水深和瞬時流場的高頻、非接觸同步測量，為明渠非恒定流的試驗研究提供了強(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結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流體測控【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結(jié)構(gòu)測控系統(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下游河道的防洪、通航條件及河道的演變等會產(chǎn)生較大的影響。因此，發(fā)展更為先進(jìn)的測量手段、尋求新的思路來研究明渠非恒定流的傳播規(guī)律及運(yùn)動特性，對于水利學(xué)科的發(fā)展以及港口、航運(yùn)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)多采用電磁流量計和電動調(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；在水位測量方面，大多采用傳統(tǒng)的水位計以及探針；而在流速測量方面，大多采用旋槳式流速儀、超聲流速儀，能很好的實現(xiàn)非恒定流的控制及單項測量。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)受試驗設(shè)備的限制?？刂品椒ㄖ?，電磁流量計和電動調(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，但是測量精度以及反應(yīng)速率均不理想；其次，在水位測量方面采用傳統(tǒng)的水位計以及探針不但反應(yīng)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(diǎn)測量無法滿足非恒定流的需求。同時，現(xiàn)有出現(xiàn)的一些新型控制及測量設(shè)備盡管能很好的實現(xiàn)非恒定流的控制及單項測量，但是由于測量過程中無法做到水位、流量及流速的同步，給數(shù)據(jù)處理等帶來相當(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結(jié)構(gòu)測控系統(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，只能單點(diǎn)測量，同步性差的問題。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種周期性明渠非恒定流非接觸式紊動結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)，由水位測控計算機(jī)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(jī)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，用于發(fā)出測量控制信息并接收并顯示各模塊的測量數(shù)據(jù)；
[0007]水深非接觸式測量模塊，連接水位測控計算機(jī)模塊并受其控制，用于采集水深信號，獲得對應(yīng)的水位數(shù)據(jù)上傳水位測控計算機(jī)模塊；
[0008]流量測量模塊，連接水位測控計算機(jī)模塊并受其控制，并將測得的流量信息上傳水位測控計算機(jī)模塊；
[0009]垂面流場非接觸式測量模塊，連接水位測控計算機(jī)模塊并受其控制，用于獲得同步平面流場息。
[0010]進(jìn)一步，除水位計外，水深非接觸式測量模塊采用超聲探頭進(jìn)行水深測量，水位測控計算機(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，變頻器連接位測控計算機(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，流量測量模塊中變頻器與水位測控計算機(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(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的實時電壓值傳輸至水位測控計算機(jī)模塊。
[0014]進(jìn)一步，垂面流場非接觸式測量模塊采用PIV技術(shù)測量流場分布。由同步控制器，激光器，CCD相機(jī)，相機(jī)卡，PIV計算機(jī)構(gòu)成，用于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(jī)模塊，接收水位測控計算機(jī)模塊的TTL電平信號控制非接觸式測量模塊動作；
[0016]激光器連接同步控制器，當(dāng)同步控制器動作時，脈沖激光光源通過球面鏡和柱面鏡形成脈沖片光源，照亮流場中需要測量的流動區(qū)域；
[0017](XD相機(jī)連接同步控制器，當(dāng)同步控制器動作時，與片光源垂直方向拍攝的(XD相機(jī)記錄下流動區(qū)域中示蹤粒子的圖象并上傳；
[0018]相機(jī)卡連接PIV計算機(jī)，相機(jī)卡存儲互照片，圖象送入PIV計算機(jī)并數(shù)字化后，對判別區(qū)域內(nèi)數(shù)字化圖象矩陣進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到已知時間間隔內(nèi)示蹤粒子的位移，由此可以獲得流場中各點(diǎn)的速度信息。
[0019]流量測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，相比電動閥具有反應(yīng)速度快、能無極變速的優(yōu)勢；水位測控計算機(jī)模塊通過AD板連接進(jìn)行通信，使獲得信號更穩(wěn)定準(zhǔn)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(jìn)行校核，防止了變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速出力造成的誤差；水深非接觸式測量模塊采用超聲探頭進(jìn)行水深測量，避免了傳統(tǒng)測量方法對水流的干擾，精度更好。垂面流場非接觸式測量模塊通過采用PIV技術(shù)測量流場分布，PIV技術(shù)突破了空間單點(diǎn)流速測量的局限，可在瞬間測量一個平面的流動信息，具有空間分辨率高、獲取信息量大以及無干擾連續(xù)測量的特點(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結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中:1、水位測控計算機(jī)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、激光器；4-3、(XD相機(jī)；4-4、相機(jī)卡；4-5、PIV計算機(jī)。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種周期性明渠非恒定流非接觸式紊動結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)，由水位測控計算機(jī)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(jī)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，用于發(fā)出測量控制信息并接收并顯示各模塊的測量數(shù)據(jù)；
[0024]水深非接觸式測量模塊2，連接水位測控計算機(jī)模塊1并受其控制，用于采集水深信號，獲得對應(yīng)的水位數(shù)據(jù)上傳水位測控計算機(jī)模塊1 ;
[0025]流量測量模塊3，連接水位測控計算機(jī)模塊1并受其控制，并將測得的流量信息上傳水位測控計算機(jī)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(jī)模塊1并受其控制，用于獲得同步平面流場息。
[0027]進(jìn)一步，除水位計外，水深非接觸式測量模塊2采用超聲探頭進(jìn)行水深測量，水位測控計算機(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連接位測控計算機(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，流量測量模塊3中變頻器3-2與水位測控計算機(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(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的實時電壓值傳輸至水位測控計算機(jī)模塊1。
[0031]進(jìn)一步，垂面流場非接觸式測量模塊4采用PIV技術(shù)測量流場分布。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計算機(jī)4_5構(gòu)成，用于獲得同步平面流場?目息。其中:`
[0032]同步控制器4-1連接水位測控計算機(jī)模塊1，接收水位測控計算機(jī)模塊1的TTL電平信號控制非接觸式測量模塊4動作；
[0033]激光器4-2連接同步控制器4-1，當(dāng)同步控制器4-1動作時，脈沖激光光源通過球面鏡和柱面鏡形成脈沖片光源，照亮流場中需要測量的流動區(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動作時，與片光源垂直方向拍攝的CCD相機(jī)記錄下流動區(qū)域中示蹤粒子的圖象并上傳；
[0035]相機(jī)卡4-4連接PIV計算機(jī)4-5，相機(jī)卡4-4存儲互照片，圖象送入PIV計算機(jī)4_5并數(shù)字化后，對判別區(qū)域內(nèi)數(shù)字化圖象矩陣進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到已知時間間隔內(nèi)示蹤粒子的位移，由此可以獲得流場中各點(diǎn)的速度信息。
[0036]當(dāng)需要進(jìn)行流速測量的時候，本試驗系統(tǒng)中的水位測控計算機(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(jìn)行水位測量和，流量測量模塊3進(jìn)行流量采集，同時水位測控計算機(jī)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(fā)出TTL電平信號，啟動同步控制器4-1觸發(fā)激光器4-2和CCD相機(jī)4-3進(jìn)行流速測量，并記錄采樣數(shù)據(jù)，做到水位和流速測量的同步性，每一次流速采樣都對應(yīng)著明確的水位采樣和時間。
[0037]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，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結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)，其特征在于，所述周期性明渠非恒定流非接觸式紊動結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)由水位測控計算機(jī)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(gòu)成；水位測控計算機(jī)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，用于發(fā)出測量控制信息并接收并顯示各模塊的測量數(shù)據(jù)；水深非接觸式測量模塊，連接水位測控計算機(jī)模塊并受其控制，用于采集水深信號，獲得對應(yīng)的水位數(shù)據(jù)上傳水位測控計算機(jī)模塊；流量測量模塊，連接水位測控計算機(jī)模塊并受其控制，并將測得的流量信息上傳水位測控計算機(jī)模塊；垂面流場非接觸式測量模塊，連接水位測控計算機(jī)模塊并受其控制，用于獲得同步平面流場信息。
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結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)，其特征在于，所述水深非接觸式測量模塊除水位計外采用超聲探頭進(jìn)行水深測量，水位測控計算機(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結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)，其特征在于，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(jī)的調(diào)速設(shè)備，變頻器連接位測控計算機(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結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)，其特征在于，所述流量測量模塊中變頻器與水位測控計算機(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結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)，其特征在于，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(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的實時電壓值傳輸至水位測控計算機(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結(jié)構(gòu)測控系統(tǒng)，其特征在于，所述垂面流場非接觸式測量模塊采用PIV技術(shù)測量流場分布。由同步控制器，激光器，CCD相機(jī)，相機(jī)卡，PIV計算機(jī)構(gòu)成，用于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(jī)模塊，接收水位測控計算機(jī)模塊的TTL電平信號控制非接觸式測量模塊動作；激光器連接同步控制器，當(dāng)同步控制器動作時，脈沖激光光源通過球面鏡和柱面鏡形成脈沖片光源，照亮流場中需要測量的流動區(qū)域；CCD相機(jī)連接同步控制器，當(dāng)同步控制器動作時，與片光源垂直方向拍攝的CCD相機(jī)記錄下流動區(qū)域中示蹤粒子的圖象并上傳；相機(jī)卡連接PIV計算機(jī)，相機(jī)卡存儲互照片，圖象送入PIV計算機(jī)并數(shù)字化后，對判別區(qū)域內(nèi)數(shù)字化圖象矩陣進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到已知時間間隔內(nèi)示蹤粒子的位移，由此可以獲得流場中各點(diǎn)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(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, 張鵬 申請人:重慶交通大學(xué)