CN100381794C - 超声波水流量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波水流量测量系统，包括水流计、超声波测厚仪、传动装置和控制系统；其中所述超声波测厚仪设置在传动装置上，控制系统接收水流计和超声波测厚仪发出的信号，传动装置接收控制系统的控制信号。本发明超声波水流量测量系统，是通过传动系统带动超声波测厚仪，测量出不规则截面的水域上的若干采样点的水深值，并通过水流计测出水流速度，然后通过控制系统计算出该水域的截面面积后，再得到水流量。采用本测量系统，不仅操作简单，测量数据准确，而且自动化程度高。

Description

超声波水流量测量系统

技术领域

本发明涉及水利、农业等领域的水流量计量装置，特别是涉及一种超声波水流量测量系统。

背景技术

水流计广泛应用于农业、水利等领域，用于测量水流速度。为了获取某水域的水流量，一般都是利用水流计测出该水域的水流速度，再测量出该水域的截面面积，再利用公式Q＝SV计算所得，其中S是水流过的面积，V是水流过的速度。对于截面形状规则水域的水流量，只要测出水流的速度，就能非常方便地计算出来。对于规则截面的水面，传统的测量方法一般是用普通的流速计测量出管线中水的流速和某一位置的水深，进一步通过水深求出截面面积，再通过上述公式就可求得该区域内的水流量。但是对于某些地方的截面不规则的水域，如山区小溪，常常由于地理环境等各种条件限制，测量水流量比较困难。如何直接方便地测量不规则截面水域的水流量是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种能够方便快捷测量不规则截面形状水域的超声波水流量测量系统。

为实现上述目的，发明一种超声波水流量测量系统，包括水流计、超声波测厚仪、传动装置和控制系统；其特征在于，所述超声波测厚仪设置在传动装置上，且在被测水面之上移动，控制系统接收水流计和超声波测厚仪发出的信号，传动装置接收控制系统的控制信号，其中，超声波测厚仪测量各采样点i的水深h_i，单片机则利用公式： $S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}(h_i+h_{i-1})\mathrm{\Δd},$ 即可以得到该截面的面积S，其中公式中的h_i为第i个采样点的水深值，n为采样点数，Δd为采样间距；然后，单片机根据水流计测到的水流速量V，再利用公式Q＝SV计算该水域的水流量Q。

进一步，所述传动装置包括电机、两个支架、主动轮、从动轮、钢丝绳、滑块和导轨，导轨的两端分别安装在两个支架上，主动轮和从动轮也分别设置在两个支架上，钢丝绳绕在主动轮和从动轮上，滑块安装在导轨上并与钢丝绳相连，电机的输出轴与主动轮相连；所述超声波测厚仪带有测头，该测头安装在滑块上。

进一步，所述控制系统包括单片机系统、人机交互设备、电机驱动电路和串口电平转换电路；其中，人机交互设备负责接收用户指令并传输给单片机系统，单片机系统不仅控制电机驱动电路驱动电机进行相应动作，并且通过串口电平转换电路读取超声波测厚仪和水流计的测量结果，然后单片机系统将测量结果进行运算并输送至人机交互设备以供显示。

本发明超声波水流量测量系统，是通过传动系统带动超声波测厚仪，测量出不规则截面的水域上的若干采样点的水深值，并通过水流计测出水流速度，然后通过控制系统计算出该水域的截面面积后，根据公式得到水流量。采用本测量系统，不仅操作简单，测量数据准确，而且自动化程度高。

附图说明

图1为待测的不规则截面的水域的示意图；

图2为本发明超声波水流量测量系统的流程图；

图3为传动装置的结构示意图。

具体实施方式

图1中，待测水渠3的截面为不规则形状，将宽度为L的水面1按照间距Δd划分，将该水渠3的不规则截面曲线2离散成n个采样点。

图2为本发明超声波水流量测量系统的流程图，超声波水流量测量系统包括水流计、超声波测厚仪、传动装置、单片机系统、显示屏LCD、键盘、电机驱动电路和串口电平转换电路；键盘负责将接收的用户指令传输给单片机系统，单片机系统不仅控制电机驱动电路驱动电机进行相应动作，并且通过串口电平转换电路读取超声波测厚仪和水流计的测量结果，然后单片机系统将测量结果进行运算并输送至液晶显示屏。

图3中，传动装置包括两个支架5、支架5上分别安装有主动轮7和从动轮8，导轨6的两端部固定在支架5上，钢丝绳9绕在主动轮7和从动轮8上，在钢丝绳9上安装有滑块10，滑块10带有固定杆11，在固定杆11的端部安装有超声波测厚仪的测头4，步进电机12的输出轴与主动轮7相连。其中，支架5和固定杆11的高度可以调节。

工作时，单片机通过控制电机驱动电路驱动步进电机12，步进电机12的轴与传动装置的主动轮7配合，带动其旋转，主动轮7与从动轮8通过钢丝绳9带动滑块10在导轨6上水平移动，与滑块10相连接的固定杆11使测头4可以在水面上移动。由于单片机对步进电机12的控制作用，超声波测厚仪的测头4每前进一定距离，就可以把水面高度反射波信号输入至超声波测厚仪而变为水面高度信号，再经过单片机的数据处理得到水渠的截面积。同时水流计将测量的水流速度值通过串口电平转换输入至单片机，通过单片机的计算就可以得到该水域的水流量值，并且通过显示屏LCD显示出结果。

单片机可选用AT89C51，显示屏LCD采用青云创新公司的LCM16032ZK中文液晶显示模块，键盘直接接至单片机的P1口，步进电机12选用北京精工成机电设备公司的42BYG228型4相混合式步进电机，该电机步距角为0.9度，滑轮半径设计为16mm，单片机每发出100个脉冲，测头4在测量线上行进2.5mm。步进电机12的驱动电路选用驱动模块SMD-401，并且附加光电隔离电路与单片机系统连接，提高单片机I/O口的驱动能力，降低驱动电路与单片机系统之间的干扰。超声波测厚仪和水流计的测量结果由RS-232串口输出，由于接口电路和单片机接口芯片为TTL或CMOS电平，在单片机与超声波测深仪和水流计通信时需要进行电平转换，以便与RS-232C标准的电平匹配。采用MAX232芯片完成电平转换，可在5V单电源的情况下保证转换电平符合RS-232标准。

超声波测厚仪在测量各采样点i的水深h_i后，单片机则利用公式： $S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}(h_i+h_{i-1})\mathrm{\Δd},$ 即可以得到该截面的面积S，其中公式中的h_i为第i个采样点的水深值，n为采样点数，Δd为采样间距。然后，单片机根据水流计测到的水流速量V，再利用公式Q＝SV计算该水域的水流量Q。

采用本测量系统进行不规则截面水域的水流量测量，不仅操作简单，方便快捷，测量数据准确，而且自动化程度高。

Claims (3)

1.一种超声波水流量测量系统，包括水流计、超声波测厚仪、传动装置和控制系统；其特征在于，所述超声波测厚仪设置在传动装置上，且在被测水面之上移动，控制系统接收水流计和超声波测厚仪发出的信号，传动装置接收控制系统的控制信号，其中，超声波测厚仪测量各采样点i的水深h_i，单片机则利用公式： $S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}(h_i+h_{i-1})\mathrm{\Δd},$ 即可以得到该截面的面积S，其中公式中的h_i为第i个采样点的水深值，n为采样点数，Δd为采样间距；然后，单片机根据水流计测到的水流速量V，再利用公式Q＝SV计算该水域的水流量Q。

2.根据权利要求1所述的超声波水流量测量系统，其特征在于，所述传动装置包括电机、两个支架、主动轮、从动轮、钢丝绳、滑块和导轨，导轨的两端分别安装在两个支架上，主动轮和从动轮也分别设置在两个支架上，钢丝绳绕在主动轮和从动轮上，滑块安装在导轨上并与钢丝绳相连，电机的输出轴与主动轮相连；所述超声波测厚仪带有测头，该测头安装在滑块上。

3.根据权利要求2所述的超声波水流量测量系统，其特征在于，所述控制系统包括单片机系统、人机交互设备、电机驱动电路和串口电平转换电路；其中，人机交互设备负责接收用户指令并传输给单片机系统，单片机系统不仅控制电机驱动电路驱动电机进行相应动作，并且通过串口电平转换电路读取超声波测厚仪和水流计的测量结果，然后单片机系统将测量结果进行运算并输送至人机交互设备以供显示。

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