一種農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種灌區(qū)明渠自動(dòng)測流裝置及其測流方法，具體而言，是將自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型的擺桿置入明渠中，水流沖擊擺桿使其偏轉(zhuǎn)一定角度，通過光電編碼器的脈沖信號(hào)采集擺桿偏轉(zhuǎn)的角度，將此角度與之前建立的數(shù)學(xué)模型相對(duì)比，得出農(nóng)田灌區(qū)明渠渠道的流量。
【背景技術(shù)】
[0002]流量檢測在農(nóng)田水利及水文測驗(yàn)行業(yè)中具有重要的地位，它是測試技術(shù)的重要組成部分。要實(shí)現(xiàn)對(duì)明渠流量的實(shí)時(shí)檢測，關(guān)鍵在于流量檢測系統(tǒng)能否及時(shí)準(zhǔn)確地檢測流量值。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，明渠流量的檢測裝置及其方法也越來越多。我國一貫運(yùn)用的明渠流量測量方法以流速面積法、堰槽法、水位流量關(guān)系法為主，也有試驗(yàn)性的溶液法測流，聲學(xué)法測流也逐漸成為新的一種測流手段。
[0003]明渠測量中以傳統(tǒng)的三角堰測流為主，主要是利用堰上水頭與流量的關(guān)系來計(jì)算渠道流量大小。三角堰測流量計(jì)算表達(dá)式:Q = Ch5/2，其中C表示相關(guān)渠道系數(shù)可查表求得，h為堰上水頭，本測流操作簡單，未知參數(shù)只有h，易于求出渠道流量，但是當(dāng)水位比較高時(shí)水面波動(dòng)較大，對(duì)水位的高度測量精度達(dá)不到相應(yīng)高度，從而對(duì)流量計(jì)算存在誤差。
[0004]隨著聲波的引入對(duì)明渠測流注入新的技術(shù)，主要利用超聲波探頭去測量測線上相應(yīng)點(diǎn)的流速，在利用水利學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可以用一點(diǎn)法、三點(diǎn)法、五點(diǎn)法等計(jì)算求得截面上個(gè)測線流速，對(duì)截面劃分后通過測線流速求得截面流速平均流速，利用公式Q = AV即流速面積法，算的斷面流量。該測量方法相對(duì)比較復(fù)雜，但它能夠比較準(zhǔn)確的反映出水的流動(dòng)情況，流量測量值相對(duì)比較準(zhǔn)確。
[0005]目前也有一系列電磁流量計(jì)的使用，主要也是依據(jù)“流速一水位”算法，通過微處理器的實(shí)時(shí)計(jì)算，準(zhǔn)確測量出水流的速度，進(jìn)而求出流量值，但因電磁流量計(jì)在明渠測量中有著較為廣泛的應(yīng)用。但因其價(jià)格昂貴、安裝與調(diào)試比其它流量計(jì)復(fù)雜且要求更嚴(yán)格等缺點(diǎn)，使其不能更加廣泛的運(yùn)用。
[0006]上述現(xiàn)有能夠檢測渠道流量的裝置及方法，其不足之處仍然是受到測量環(huán)境以及使用者的經(jīng)濟(jì)條件等方面的約束，使其應(yīng)用范圍受到限制，基于此開發(fā)研究一種結(jié)構(gòu)簡單，測流快速便捷，成本低廉，應(yīng)用范圍廣且不受水流測量環(huán)境的影響的農(nóng)田灌溉明渠自動(dòng)測流裝置及其方法是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)明渠測流方法及原理，要想準(zhǔn)確計(jì)算出斷面流量，需要測量出斷面測點(diǎn)流速以及水位相關(guān)參數(shù)，只要水里有障礙物，水的流態(tài)都會(huì)發(fā)生巨大的變化，從而導(dǎo)致測點(diǎn)流速的不準(zhǔn)確，影響流量測量結(jié)果，當(dāng)水位較高時(shí)水面波動(dòng)比較大，水位測量精度要求達(dá)不到，也會(huì)大大影響流量計(jì)算結(jié)果，目前對(duì)水位變化以及測點(diǎn)流速把握很難，往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生測量誤差，影響測量流量。
[0008]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用。
[0009]上述目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0010]—種農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用，其所述應(yīng)用是基于農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流的應(yīng)用；
[0011]所述農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)一灌區(qū)明渠測流裝置模型固定于被測渠道上方，通過控制儲(chǔ)水池里水位變化來控制渠道水位，待水位穩(wěn)定后形成不同流量的均勻流，不同流量對(duì)應(yīng)有裝置的不同偏轉(zhuǎn)角，角度通過光電編碼器傳輸至單片機(jī)，流量由三角堰或者流量計(jì)測出，將獲得的一系列數(shù)值擬合成一條角度和流量的函數(shù)曲線，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)來確定此函數(shù)曲線，建立角度流量數(shù)學(xué)模型，將建立不同渠道數(shù)學(xué)模型寫入單片機(jī)程序，用與實(shí)際待測渠道測出角度值相比，從而輸出待測渠道流量值；
[0012]所述實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流的應(yīng)用是將一灌區(qū)明渠測流裝置模型固定于被測渠道上方，將擺桿置入明渠中，水流沖擊擺桿使其偏轉(zhuǎn)一定角度，通過光電編碼器脈沖信號(hào)采集擺桿偏轉(zhuǎn)角度，將擺桿偏轉(zhuǎn)角度與之前建立的數(shù)學(xué)模型相比較，得出農(nóng)田灌區(qū)明渠渠道流量；
[0013]所述灌區(qū)明渠測流裝置模型是由測流裝置和控制系統(tǒng)構(gòu)成；其測量裝置是由對(duì)稱設(shè)置的渠道卡座上固定有升降支架支撐有檢測臺(tái)構(gòu)成一門字型結(jié)構(gòu)，并架設(shè)于農(nóng)田灌區(qū)明渠渠道上；在檢測臺(tái)的一端安裝有紅外線測距儀I，另一端安裝有控制儀表盒，步進(jìn)電機(jī)I和步進(jìn)電機(jī)II設(shè)置于檢測臺(tái)的兩端，并通過絲桿連接轉(zhuǎn)動(dòng)；在絲桿上通過編碼器安裝支架安裝有擺桿及其光電編碼器、紅外線測距儀II和水平儀；其控制系統(tǒng)是在儀表控制盒中設(shè)置有單片機(jī)、信號(hào)采集與傳輸電路、電源、測試及模式選擇按鈕和液晶顯示器，并通過線連接控制有紅外線測距儀1、紅外線測距儀I1、光電編碼器及升降支架。
[0014]其中，所述農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型的明渠道是U型、梯型和矩型中的一種。
[0015]實(shí)施本發(fā)明上述所提供的一種農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的優(yōu)點(diǎn)與積極效果如下。
[0016]本發(fā)明克服了現(xiàn)有農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流裝置及方法受到測量環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)條件等方面的約束，使得測流裝置結(jié)構(gòu)簡單，測流測流方法快速便捷，成本低廉，應(yīng)用范圍廣且不受水流測量環(huán)境的影響，更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0017]本發(fā)明通過建立數(shù)學(xué)模型，利用水流沖擊擺桿使其偏轉(zhuǎn)一定角度來檢測農(nóng)田灌區(qū)明渠流量，而且自動(dòng)測流主要通過單片機(jī)技術(shù)處理實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)技術(shù)作為微電子時(shí)代的一種新型技術(shù)手段，因其具有體積小、價(jià)格低、功能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、可靠性高以及使用方便靈活等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，用于農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流中，提高了測流精度，實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)連續(xù)檢測，且價(jià)格低廉，便于灌區(qū)推廣應(yīng)用。
[0018]本發(fā)明將測流技術(shù)與傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合。采用角度偏轉(zhuǎn)來對(duì)農(nóng)田明渠進(jìn)行流量的實(shí)時(shí)檢測，減少了人力物力的投入，對(duì)外部環(huán)境影響小且易于安裝維護(hù)，對(duì)現(xiàn)代化的明渠流量檢測行業(yè)的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0019]圖1是本農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是本農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用的控制電路框圖。
[0021]圖中:1:渠道卡座；2:升降支架；3:檢測臺(tái)；4:步進(jìn)電機(jī)I ;5:紅外測距儀I ;6:絲桿；7:控制儀表盒；8:液晶顯示屏；9:渠道模式選擇按鈕；10:測量開關(guān)；11:儀表盒卡座；12:步進(jìn)電機(jī)II ;13:固定螺絲；14:編碼器安裝支架；15:光電編碼器；16:聯(lián)軸器；17:擺桿;18:水平儀;19:紅外測距儀II ο
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作出進(jìn)一步的詳細(xì)說明，使本專業(yè)的技術(shù)人員能夠按照【具體實(shí)施方式】作出本發(fā)明所述的農(nóng)田明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型，而且能夠應(yīng)用所述農(nóng)田明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型測出待測渠道流量、數(shù)字顯示并遠(yuǎn)程監(jiān)控。
[0023]具體實(shí)施一種本農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流數(shù)學(xué)模型。須在實(shí)驗(yàn)室建立的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的U型、梯形或矩形渠道中，將一種灌區(qū)明渠測裝置流數(shù)學(xué)模型固定在渠道上方，通過控制儲(chǔ)水池里水位的變化來控制渠道中的水位，不同的水位穩(wěn)定后形成不同流量的均勻流。不同的流量對(duì)應(yīng)著裝置不同的角度偏轉(zhuǎn)，角度通過光電編碼器傳輸至單片機(jī)，流量用三角堰或者流量計(jì)測出，把得到的一系列數(shù)值擬合成一條關(guān)于角度和流量的函數(shù)曲線。通過反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)來確定此函數(shù)曲線的可靠性，即可建立角度流量的數(shù)學(xué)模型。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際渠道測量驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的可靠性，這種新穎的數(shù)學(xué)模型也確立了一種全新的測流方法，且數(shù)學(xué)模型為發(fā)明者前期在實(shí)驗(yàn)室的大量工作，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)者和使用者帶來任何麻煩。數(shù)學(xué)模型編入控制系統(tǒng)程序中，使用者只需簡單操作即可。
[0024]具體實(shí)施一種農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流模型的應(yīng)用是將一灌區(qū)明渠測流裝置模型固定于被測渠道上方，并將測流裝置的擺桿置入明渠中，水流沖擊擺桿使其偏轉(zhuǎn)一定角度，通過光電編碼器的脈沖信號(hào)采集擺桿偏轉(zhuǎn)的角度，將此角度與之前建立的數(shù)學(xué)模型相對(duì)比，得出農(nóng)田灌區(qū)明渠渠道的流量。
[0025]具體實(shí)施一種農(nóng)田灌區(qū)明渠自動(dòng)測流的裝置模型，包括測量系統(tǒng)、控