CN111044755B - 一种便携式超声波明渠水位自动跟踪测流装置 - Google Patents
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Abstract
一种便携式超声波明渠水位自动跟踪测流装置，所述装置采用欧标铝型材，顶端安装有液位超声波传感器测量明渠水位高度，导轨内置有双轴心直线导轨机械铝型材，支撑杆与导轨通过固定垫板固定连接；内置有双轴心直线导轨上安装有滑块及丝杆，滑块连接有舵机，通过丝杆上设置的步进电机带动滑块及舵机在丝杆上作上下滑移，舵机连接有测量杆，并控制测量杆的旋转角度，测量杆的两端安装有超声波探头作360度竖直平面旋转测量；本装置结构简单，携带方便，测量精度高，广泛适用于明渠渠道测流，对灌区节水具有重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种明渠超声波测流装置，尤其是一种基于超声波时差法的明渠超声波测流装置。
背景技术
现有技术：公开号为CN206515468U公开的一种“超声波雷达测流***”实用新型专利，包括中心站以及与中心站无线通信的雷达站，雷达站包括监测房、雷达支架、雷达探头，监测房内设有采集控制器和与之连接的电源、无线传输模块，雷达支架设于所监测的水体上方，多个雷达探头固定在雷达支架上并向上游水体的水面发射超声波，各雷达探头均与监测房内的采集控制器连接；该测流***实现了非接触式的在线测量，测量速度快，能保障水文测验技术人员安全以及减少测量仪器的损失，但是造价高，并且不能携带使用，只能测量固定水域的流量，不适宜大面积推广使用。
现有技术：宋艾玲，梁光川.差压式孔板流量计计量不准确度分析[J].钻采工艺,2016(02):114-115.，该测流装置结构简单，造价低廉，但实际推广应用时，由于流量计需要采用差压表测量上下游压力，而差压表连接流量计主管道的缓冲管对灌溉水流泥沙含量有一定要求；由于水流中含有杂质，缓冲管进口前的滤网一旦被堵塞，将会造成读取压力差的较大误差，因此该装置测流精度低，无法准确测量固定水深的水流量。
现有技术：史伏初.一种新型量水设备—农用分流式量水计[J].江苏水利,1985(01):36-38.，是一种新型的量水设备，利用文丘里管作为主管进行过水，在文丘里管上安装支管，支管进口处安装在主管上或与上游水体连接，出口安装在喉管处，支管上安装水表，该装置结构简单，造价低，永久压力损失小，精度足够且稳定，使用寿命长，但是里面的节流元件文丘里管制作难度大，不适合应用推广。
现有技术：买买提明·肉孜.基于无线通讯技术的渠道在线测流***设计[J].水利技术监督,2016,24(03):10-12.，基于无线通讯技术的渠道在线测流***，由压力式流量计、步进电机、机械传动装置、单片机和计算机组成，依据流速面积法，计算机通过无线通讯技术控制单片机，单片机与步进电机相连并控制步进电机在渠道断面水平方向移动，步进电机与水平机械传动机构相连，并控制压力式测流装置移动和升降，通过步进电机控制测流装置移动可以测得断面不同测线的流速，进而求得测流断面的流速，最后将数据传入计算机，经计算可以求得测流断面的流量，该测流***自动化程度高，具有良好的推广应用价值，但是测流设备比较大，不易携带。
因此，研发一种自动化程度高、测流精确、价格低廉、性能稳定、携带方便的测流装置是民用灌区进行流速测量的迫切需要。
发明内容
本发明要解决的具体技术问题是现有的民用灌区测流装置，结构笨大，操作不便，不易携带，无法准确测量民用灌区水流量问题，其目的是提供一种便携式超声波明渠水位自动跟踪测流装置。
为了解决上述问题，本发明采取如下技术方案。
一种用于便携式超声波明渠水位测流方法的测流装置，包括丝杆、步进电机、超声波探头、导轨、液位超声波传感器、舵机、滑块、支撑杆、测量杆及固定垫板；其特征在于：
所述支撑杆是铝型材，顶端安装有液位超声波传感器测量明渠水位高度；导轨是内置有双轴心直线导轨机械铝型材，支撑杆与导轨通过固定垫板固定连接；内置双轴心直线导轨上安装有滑块及丝杆，滑块连接有舵机，通过所述丝杆上设置的步进电机带动滑块及舵机在丝杆上作上下滑移，舵机连接有测量杆，并控制测量杆的旋转角度，测量杆的两端安装有超声波探头作360度竖直平面旋转测量；
测量时，液位超声波传感器先测量明渠水位高度，超声波传感器由探头发出超声波脉冲信号，当脉冲信号遇到被测介质表面就会进行反射，同一探头接收到反射回波时就会将其转换为电信号，此时便可得到从发射至接收到超声脉冲的间隔时间。由于超声波脉冲在空气中以声速传播，且以测得超声波脉冲传播时间，故可测得探头至水面的距离h。已知探头至水底的距离h 1,通过高度差h 1-h计算得水位；
所述测量杆通过滑块上下滑移并在舵机的带动下作360度旋转，智能控制器根据水位高度控制超声波探头位置，并分别置于水面和水底，相向交替发射接收超声波，将采集数据无线传输到监控设备，声波在相同距离顺流与逆流传播存在时间差，根据时差法原理求得流速，再根据流速面积法获得渠道流量。
本发明有如下的进一步特征方案。
一种用于便携式超声波明渠水位测流方法的测流装置，其特征在于：所述测量杆是不锈钢、铝质合金或石墨烯材质的细杆。
一种用于便携式超声波明渠水位测流方法的测流装置，其特征在于：所述步进电机的转速是25rad/s或自行调节。
本发明上述所提供的一种便携式超声波明渠水位自动跟踪测流装置的技术方案，是一种经济适用，测量精度高，结构简单的末级渠道测流装置，解决了现有测流装置不能实时记录，劳动强度大，操作难等局限性；本设计将测流技术与自动控制技术进行了有机的结合，采用超声波传感器来对明渠流量进行实时监测，对外部环境影响小，且容易安装，操作方便，并且可以做到随带随测，不受空间的限制，能够在一定程度上解决末级渠道量水方法存在的弊端，对于民用灌区节水和可持续发展具有重要的现实意义。
附图说明
图1是本发明测流装置的结构示意图。
图2是本发明超声波时差法测流原理图。
图中： 1：丝杆；2：步进电机；3：测量杆；4：舵机；5：滑块； 6：超声波探头；7：液位超声波传感器；8：支撑杆；9：固定垫板；10：导轨。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明。
如附图1-附图2所述，实施上述本发明所提供的一种便携式超声波明渠水位自动测流装置，包括丝杆1、步进电机2、测量杆3、舵机4、滑块5、超声波探头6、液位超声波传感器7、支撑杆8、固定垫板9、导轨10、智能设备控制器以及供电装置。
其中，支撑杆8与导轨10通过固定垫板9固定连接；丝杆1与滑块5相连安装在导轨10上，步进电机2安装在丝杆1上，舵机4与滑块5相连在丝杆1上做上下滑动；测量杆3与舵机4相连，测量杆3两端固定安装有超声波探头6，舵机4控制测量杆3旋转，并实现360度旋转，测量杆3在步进电机2的带动下在丝杆1上做直线运动，二者结合，用于控制超声波探头6的位置，支撑杆8的顶端安装有液位超声波传感器7，用于测量水位；智能设备控制器，用来采集超声波探头测的的数据，并将这些数据以无线的方式传输到监控设备上，供电装置为智能设备控制器供电。
该接触式测流设备，为了尽量减小对水流状态的影响，采用轻质不锈钢测量杆3，本装置主要采用两个超声波探头，通过一根细杆连接，分别放置于水面和水底，相向交替发射接收超声波，声波在相同的距离里顺流及逆流传播必然会存在时间差，根据时差法原理求得流速，再根据流速面积法获得渠道流量。
测流原理：
液位超声波传感器先测量明渠水位高度，超声波传感器由探头发出超声波脉冲信号，当脉冲信号遇到被测介质表面进行反射，同一探头接收到反射回波将其转换为电信号，获得从发射至接收到超声脉冲的间隔时间，由于超声波脉冲在空气中以声速传播，且以测得超声波脉冲传播时间，故可测得探头至水面的距离h，已知探头至水底的距离h 1，通过高度差h 1-h计算得水位；
在水流中，声波在同样距离下进行顺流以及逆流传播，必然存在时差，由此设计出时差法超声波便携式明渠测流装置，水流的流动速度导致超声波传播时间出现差异，因此，当时间差异被测量出来之后，获取流速。
两换能器之间的距离为 L，工作时, 换能器1向换能器2顺水流发射超声脉冲，测出顺水流传过L的传播时间t 12， 换能器2再向换能器1逆水发射超声脉冲，测出逆水传过L的传播时间t 21：
；
式中，L为两个换能器之间的距离，C为超声波在静止媒介中的传播速度，因为V<<C,将上式改写成：
；
所以流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
具体使用时，将测流装置置于测量水域上方，支撑杆8放置水底，打开电源，利用超声波探头6测得该水面的液位，此时步进电机2工作，在步进电机2的带动下，滑块5控制测量杆3上下运动，舵机4控制测量杆3旋转一定的角度，使测量杆3与沿水流方向呈一定角度放置，保证超声波探头6分别置于水面与水底，根据液位的不同，自动调节测量杆3的位置，可以进行多次不同位置的测量。
超声波传感器将其输出的模拟量信号通过A/D转换为单片机可以识别的数字信号，通过单片机程序运行，一方面可以将采集到的数据通过液晶显示屏显示，另一方面可以通过通讯接口传输到GPRS终端，实现上位机的在线监测。
末级渠道时差法超声波自动测流装置，先利用一个超声波探头测得液位，然后根据测得的液位自动调节测量杆的位置，使其转动一定的角度，保证一个探头在水面，一个在水底，两个超声波换能器相向发射超声波，根据时差法原理从而得到这条测线上的流速V，寻求该测线上的流速与断面平均流速之间的关系，对流速v进行修正，得到断面平均流速，再计算出该液位下的截面面积A，根据流速面积法算出流量，大大提高了测流的精度。
结合传感器技术及计算机技术，本发明依据超声波时差法原理，利用超声波传感器和智能控制器自动测量明渠流量，操作简单易行，适用于小型标准化矩形渠道，真正意义上实现了自动测流，并且测量结果经过无线传输可实现远距离读取和存储，对我国的中小型灌区的标准矩形渠道自动测流有一定的实用价值和推广价值。
Claims (1)
1.一种便携式超声波明渠水位自动跟踪测流装置，包括丝杆、步进电机、超声波探头、导轨、液位超声波传感器、舵机、滑块、支撑杆、测量杆及固定垫板；其特征在于：
所述支撑杆（8）是铝型材，顶端安装有液位超声波传感器（7）测量明渠水位高度；导轨（10）是内置双轴心直线导轨机械铝型材，支撑杆（8）与导轨（10）通过固定垫板（9）固定连接；内置有双轴心直线导轨（10）上安装有滑块（5）及丝杆（1），滑块（5）连接有舵机（4）；通过所述丝杆（1）上设置的步进电机（2）带动滑块（5）及舵机（4）在丝杆（1）上作上下滑移测量；所述舵机（4）连接有测量杆（3），并控制测量杆（3）的旋转角度；所述测量杆（3）的两端安装有超声波探头（6）作360度竖直平面旋转测量；
测量时，所述液位超声波传感器（7）发射超声波至水面，通过高度差计算得水位，获得明渠水位高度；所述测量杆（3）通过滑块（5）上下滑移并在舵机（4）的带动下作360度旋转，单片机根据水位高度控制超声波探头位置，此时步进电机（2）工作，在步进电机（2）的带动下，滑块（5）控制测量杆（3）上下运动，舵机（4）控制测量杆（3）旋转一定的角度，使测量杆（3）与沿水流方向呈一定角度放置，保证超声波探头（6）分别置于水面与水底，超声波探头换能器相向交替发射接收超声波，根据液位的不同，自动调节测量杆（3）的位置，进行多次不同位置的测量；
两个超声波探头换能器之间的距离为 L，工作时, 换能器1向换能器2顺水流发射超声脉冲，测出顺水流传过L的传播时间t 12， 换能器2再向换能器1逆水发射超声脉冲，测出逆水传过L的传播时间t 21 ：
;
式中，L为两个换能器之间的距离，C为超声波在静止媒介中的传播速度，因为V<<C,将上式改写成：
;
所以流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比；
超声波传感器将其输出的模拟量信号通过A/D转换为单片机识别数字信号，通过单片机程序运行，将采集到的数据通过液晶显示屏显示，再通过通讯接口传输到GPRS终端，实现上位机在线监测，根据时差法原理及流速面积法，最终程序自动算出渠道断面流量并在液晶显示屏上显示出来；
其中，所述测量杆（3）是不锈钢、铝质合金或是石墨烯材质的细杆；
所述步进电机（2）的转速是25rad/s或自行调节。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |