CN103134942B - 一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种河工模型试验中含沙浓度和浑水流速垂线分布的实时测量装置，属于水利水电工程河工模型试验领域。该装置由含沙浓度实时测量系统和浑水流速实时测量系统耦合集成。其中，含沙浓度实时测量系统由激光器、透镜组、导光纤维、高分辨率微距照相机组成；浑水流速实时测量系统包括集成式测流管、虹吸管、充水管、高分辨率微小畸变照相机构成。将两套系统耦合集成，即两套系统安装在同一个测架上，使用计算机和同步器控制两套系统同步实时测量。本发明具有自动化程度高、精度高、对复杂试验条件适应能力强等优点，填补了含沙浓度和浑水流速垂线分布同步实时测量仪器的空白，具有重要的生产应用和推广价值。

Description

一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置

技术领域

本发明属于河工模型试验领域，特别涉及含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置。

背景技术

在重要的水利水电工程规划、建设过程中，均需要进行河工模型试验，试验过程中的浑水流速和含沙浓度是需要测量的重要参数。浑水流速与含沙浓度相互之间有密切关系，在沿水深的垂线上，各点的浑水流速与含沙浓度都不相同。目前的测量方法均是单独测量含沙浓度或者浑水流速，还没有在试验过程中直接实时同步测量含沙浓度与浑水流速垂线分布的成熟设备。现有实时测量含沙浓度的方法都是单点测量方法，例如超声多普勒法与红外测沙法是单点测量方法，均无法得到同一时刻含沙浓度的垂线分布；压差传感器方法只能得到测点以上整个水体中的平均含沙浓度。对于浑水流速测量，现有的多数方法(如旋桨流速仪、激光流速仪、粒子图像测速仪等)都难以在含沙浓度较高的浑水中应用，超声多普勒流速仪虽然可以用于浑水流速的测量，但从探头到测量区域有4～5cm的盲区，这一高度与多数试验条件下的全水深相当，难以在河工模型试验的水流中应用。因此，急需发明一种河工模型试验的含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置，以满足河工模型试验中高精度的测量要求。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置，用于河工模型试验的含沙浓度和浑水流速测量。它利用光学原理和力学原理分别设计含沙浓度测量系统和浑水流速测量系统，能够分别得到较高精度的含沙浓度和浑水流速垂线分布，并将含沙浓度测量系统和浑水流速测量系统耦合集成，实现含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量。可以得出含沙浓度和泥沙级配与浑水流速的关系,还可以测量含沙浓度与浑水流速随时间的变化过程，得到浑水流体的低频漩涡结构。

为实现上述目的，本发明的一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置，该装置包括带有测针的自动测架、浑水流速测量系统、含沙浓度测量系统、测针、计算机和同步器；浑水流速测量系统安装在自动测架的一侧，含沙浓度测量系统安装在自动测架另一侧；水流速度测量系统、含沙浓度测量系统的下端均插入河工模型的浑水水流的水面以下；浑水流速测量系统与含沙浓度测量系统分别通过数据线与计算机和同步器连接。

所述含沙浓度测量系统结构包括多根导光纤维、激光器、透镜组与第一照相机组成； 多根导光纤维并排竖直排列成一行，每根导光纤维由处于中心的入射光纤与围绕入射光纤的反射光纤组成；导光纤维下端为入水端，多根导光纤维的入水端按竖直方向由低到高排列；多根导光纤维的上端为检测端，检测端包括由多根导光纤维的入射光纤组成的入射光纤集和多根导光纤维的反射光纤组成反射光纤集；入射光纤集和反射光纤集分别对准激光器和第一照相机；检测端、激光器和第一照相机均固定在自动测架上。

所述浑水流速测量系统包括多条L形的测流管和数量相等的显示水位的玻璃管及两倍数量的软管，1个玻璃直管、一个连通管、一个虹吸管、一个注水管，以及一个第二照相机；其中，玻璃直管和多个显示水位玻璃管分别与连通管的下端通过软管相连，每个显示水位玻璃管的下端通过软管与一个测流管的上端口相连；连通管上端同时连接虹吸管和注水管，虹吸管上设有虹吸阀门，注水管上设置注水阀门；多个测流管的下端口按竖直方向由低到高排列。多个显示水位的竖直玻璃管并排成一排，多个显示水位玻璃管的正对方向安装第二照相机，用于拍摄各显示水位玻璃管内的水位变化。

本发明具有如下优点:

本发明由于将含沙浓度测量系统和浑水流速测量系统耦合集成，通过同步器控制两系统同步测量，实现含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量。采用多组导光纤维配备照相机实时测量含沙浓度的垂线分布，浓度测量结果为流速测量的校正提供依据。本发明采用多个测流管集成，可以测量浑水流场中的垂线流速分布，测流管数量根据需要选择，灵活组装；测点间距根据试验目的设定，灵活调节。经过标定，可以得到浑水流场的含沙浓度和泥沙级配与浑水流速的关系,还可以测量含沙浓度与浑水流速随时间的变化情况，得到浑水流动低频漩涡结构。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2a为本发明的含沙浓度测量系统结构示意图，图2b为图2a的横截面A-A图，图2c为导光光纤11结构图，图2d为圆形光纤集16，图2e为矩形光纤集17；

图3为本发明的浑水流速测量系统结构示意图；

图4为多测流管测量垂线流速分布示意图，图4a为侧视图，图4b为正视图，图4c为横截面B-B图；

图5为含沙浓度标定装置结构示意图；

图6为响应频率标定装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明的一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置，如图1所示，该装置包括安装有测针7的自动测架4、浑水流速测量系统5、含沙浓度测量系统6、计算机1 和同步器3。浑水流速测量系统5安装在自动测架4的一侧，含沙浓度测量系统6安装在自动测架4另一侧，测针7安装在自动测架4中间；水流速测量系统5、含沙浓度测量系统6的下端均插入河工模型的浑水水流的水面以下，测针7则将下端针尖接触水面以测量自动测架4相对于水面的高度。浑水流速测量系统5与含沙浓度测量系统6分别通过数据线2与计算机1和同步器3连接。

上述装置的工作原理为：将所述含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置架设在河工模型上，移动至待测量位置，调整自动测架水平；调整含沙浓度测量系统6中入水端的中心与浑水流速测量系统5中入水口的中心在同一高度；计算机1发出触发指令给同步器3，同步器3接收触发指令后向浑水流速测量系统5和含沙浓度测量系统6同时发出采样指令，浑水流速测量系统5和含沙浓度测量系统6收到采样指令后同步采集测量数据，并将测量数据通过数据线2传输至计算机1处理和保存。

上述含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置中的含沙浓度测量系统6实施例结构如图2所示，包括多根导光纤维11、激光器8、透镜组9与第一照相机10组成；检测端15、激光器8和第一照相机10一起固定在自动测架4上，导光纤维11下端为入水端12，多根导光纤维11的入水端12按竖直方向由低到高排列（测试时入水端12与水流平行）；多根导光纤维11的上端为检测端15，检测端15包括由多根导光纤维的入射光纤组成的入射光纤集16与多根导光纤维的反射光纤组成反射光纤集17，分别对准激光器8和第一照相机10，如图2（a）。多根导光纤维并排排列成一行，如图2（b）所示。每根导光纤维11由处于中心的入射光纤13与围绕入射光纤13的反射光纤14组成，如图2c所示。在检测端15，将多根导光纤维11的入射光纤13单独抽出，合并后用胶布紧密缠绕形成圆形入射光纤集16（使激光束直径与圆形直径相应），如图2d所示；将多根导光纤维11的反射光纤14单独抽出，按照一定顺序组合成矩形反射光纤集17（使照相机画面范围与矩形面积相应），计算机记录下每根导光纤维11的反射光纤14在矩形光纤集17中的位置，如图2e所示。

上述含沙浓度测量系统6的工作原理为：激光器8产生激光束，激光束经过透镜组9后垂直照射圆形入射光纤集16中，并导入各入射光纤13，从入水端12进入浑水水流中，照亮入水端12前方的局部水体。激光经过水体中的泥沙颗粒反光，由反射光纤14接收并传输到检测端15的矩形反射光纤集17。高分辨率微距照相机10拍摄矩形反射光纤集17的图像，由数据线2传回计算机。

上述含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置中的浑水流速测量系统5实施例结构如图3所示，包括多条L形的测流管25（图中仅画出一条测流管25作为示意图），多个软管24、1个玻璃直管28和多个显示水位玻璃管18、一个连通管23、一个虹吸管22、一个注水管21，以及第二照相机27。其中，测流管25是圆滑弯曲90度的不锈钢管，软管24、玻璃直管28和显示水位玻璃管18的内径相同。每根测流管25与水流平行，管口26正对来流。玻璃直管28和多个显示水位玻璃管18分别与连通管23的下端通过软管24 相连，直管28下端向下垂直插入水面以下1～5mm(保证始终淹没的最小插入深度)，每个显示水位玻璃管18的下端通过软管24与一个测流管25的上端相连。连通管23上部同时连接虹吸管22和注水管21，虹吸管22上设有虹吸阀门20，注水管21上设置注水阀门19。多条测流管25的管口26按竖直方向由低到高排列。多个显示水位玻璃管18并排排列成一行，便于集中拍摄。正对多个显示水位玻璃管18的方向安装第二照相机27，用于拍摄各显示水位玻璃管18内的液面变化。

当具有一定速度的浑水进入测流管25的管口26后，速度迅速减小至0，浑水的动能转化为测流管内竖直水柱的势能，因此，显示水位玻璃管18内的液面高低与管口26处的流速有确定的关系。

本实施例各部件的具体实现方式分别说明如下：

如图1所示，本实施例中计算机1为联想ErazerT430型分体台式计算机，其中安装尼康数码单镜反光相机远程控制程序。同步器3采用北京科天健图像技术有限公司生产的FLC-II型同步控制器。数据线2为购买同步器3、第一照相机10与第二照相机27时配备的连接线。自动测架4采用北京枫翔世纪科技有限责任公司生产的ZDIII型测架。

如图2所示，本实施例中含沙浓度测量系统6中的导光纤维11外径4mm，入射光纤13直径为1mm，反射光纤14外径为3.5mm。10根导光纤维11组合并排排列，横截面A-A宽4mm，长40mm。10根导光纤维11的入水端12沿垂线由下向上等间距排列，入水端12各导光纤维11的中心间距均为10mm，也可以根据需要不等距排列。激光器8为532nm固体激光器，功率为8瓦，透镜组9由焦距100mm的双凸球面透镜与焦距25mm的双凹球面透镜组合而成，使出射的激光束能射入到入射光纤集16的全部入射光纤中。第一照相机10为尼康D800数码单镜反光相机，采用相机镜头为尼康AF-S VR105mm f/2.8GIF-ED高分辨率微距镜头。

如图3所示，本实施例中浑水流速测量系统5中共有10根测流管25，采用外径2mm的圆滑弯曲90度的薄壁不锈钢管。10根测流管25垂直方向按上下顺序排列，如图4a所示。10根测流管25顺序排成3排，中间4根，两侧3根组合为水平横截面为椭圆柱型排列；横向交错排列以减少横向的宽度。集成后以薄壁不锈钢管做外套29，如图4c所示；其横截面长9mm、宽6mm，约为标准毕托管的尺寸。左右两排测流管25的管口26与中间排的管口26在同一条垂线上，管口26沿垂线由下向上等间距排列，各管口26中心间距为10mm，如图4b所示。10根测流管25分别通过软管24与10根精密玻璃管18相连，显示水位玻璃管18为内径3mm、外径5mm、内径公差为0.1mm的精密玻璃管。10根精密玻璃管18紧密并列为一排，便于第二照相机27拍摄液面变化。直管28为内径3mm、外径5mm的玻璃管，直管28下端插入水面以下约2mm。连通管23为内径3mm的倒Y型玻璃管，其中一支与直管28连接，另一支通过软管与10根显示水位玻璃管18连通。连通管23上段与内径为3mm的虹吸管22和内径为3mm的注水管21连接，虹吸管22上设有虹吸阀门20，注水管21上设置注水阀门19。第二照相机27采用尼康D800数码单镜 反光相机，采用相机镜头为尼康Micro200mm f/4IF高分辨率微小畸变镜头。第二照相机27固定在自动测架4上，调整安装位置使其能够完整拍摄10根精密玻璃管18内的液面变化。

本发明提出基于上述含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置的测量方法实施例，包括对测量系统的标定和含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量两部分；

对测量系统的标定具体包括：

1）对含沙浓度测量系统6进行标定： 

11）采用的含沙浓度标定装置实施例结构如图5所示，该装置采用一个直径300mm、高1500mm的有机玻璃圆筒30，在圆筒30下部三分之一处打孔，水平安装含沙浓度测量系统6，令10个入水端12在同一水平面上。在圆筒31相同高度的对称位置打取样孔31。标定时将已知浓度和级配的试验沙浆搅拌均匀后注入筒中，等试验沙浆稳定后开始标定；

12）打开含沙浓度测量系统6的激光器8，照射入射光纤集16，通过入射光纤集16将激光导引至每根导光纤维11的入水端12，照亮入水端12前方的局部试验沙浆，经过试验沙浆中的泥沙颗粒反光，由反射光纤14接收并传输到检测端15的反射光纤集17（试验沙浆中含沙浓度越高，反射后进入反射光纤14的光量就越多，因此反射光纤集17处的亮度与水体中的含沙浓度正相关，亮度分布则与泥沙级配相关）；

13）使用计算机1在不同时刻发出触发指令给同步器3，同步器3接收触发指令后向含沙浓度测量系统6发出采样指令，接到采样指令后，第一照相机10对反射光纤集17进行拍摄，记录反射光纤集17的图像灰度值；

14）在含沙浓度测量系统6进行数据采集的相同时刻从取样孔31取样，烘干、称重并进行颗分，得出含沙浓度与泥沙级配；随着时间变化，采样位置的含沙浓度和泥沙级配发生改变，根据不同时刻含沙浓度测量系统6得到的图像灰度信息与取样孔32处得到的实际含沙浓度与泥沙级配，标定得出该特定沙样的含沙浓度与图像平均灰度值的相关关系，及泥沙级配与图像灰度分布的关系；将标定好的关系式存储在计算机1中；

2）对浑水流速测量系统5进行标定： 

21）标定显示水位玻璃管18的物理分辨率：将浑水流速测量系统5安装在自动测架4后，用一支量程为15cm的游标卡尺置于显示水位玻璃管18处，游标卡尺刻度面朝向第二照相机27；由计算机1发出触发指令，采集得到卡尺的图像；本实施例中，计算得到第二照相机27拍摄显示水位玻璃管18内液面时的物理分辨率为0.00706mm/Pixel。

22）标定测流管25对水流紊动的幅频响应特性：（由于测流管25细长，管中的压力传递会有一定的迟滞，较高频率的紊动会在测流管25中衰减，需要标定测流管25对水流紊动的幅频响应特性），采用的标定装置实施例结构示意如图6，该标定装置为带有活塞32的密封容器33，密封容器33内充满水。标定方法为：将浑水流速测量系统5的测流管25放入标定装置33中；将浑水流速测量系统5的虹吸阀门20打开，对密封容器中施加一定的压力，保持与测流管25连接的显示水位玻璃管18内为自由水面。按已知的频率和振 幅往复驱动活塞32，由活塞32的面积与精密玻璃管18的总面积之比得出显示水位玻璃管18内水位与振幅成正比的升降幅度（当频率很低时，该比值满足体积守恒原理。当频率加大后，水面升降幅度会衰减，直至某一高频率时，水面将不再明显升降）通过改变频率和振幅，建立振幅、频率与衰减系数之间的关系；将标定好的关系式存储在计算机1中；

3）将标定好的含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置用于实际测量，具体包括以下步骤：

31）将所述含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置架设在河工模型上（浑水最大含沙量为20kg/m³），移动至待测量位置，调整自动测架4水平；调整含沙浓度测量系统6中最低一个入水端12的中心与浑水流速测量系统5中最低一个管口26的中心在同一高度；调整自动测架4的高度到合适位置，使玻璃直管28下端向下垂直插入水面以下1～2mm处，用测针7测量水面相对自动测架4底面的高度H₁，测量含沙浓度测量系统6中最低一个入水端12中心相对自动测架4底面的高度H，则最低测点位置处的水深h为h=H-H₁，根据各测点安装的间距，可以得出各测点的水深；

32）打开浑水流速测量系统5的注水阀门19往连通管23内注水，同时打开虹吸阀门20抽真空，保证测流管25内注满清水并具有一定的虹吸高度，使第二照相机27能拍摄到显示水位玻璃管18中的液面，关闭注水阀门19，让连通管23内的水位缓慢下降，使少量水体从测流管25的管口26流出（保证管口26不进泥沙）；关闭虹吸阀门20，显示水位玻璃管18与玻璃直管28的水位差Dh即为需要测量的流速水头，经含沙浓度校正后可得出测点的流速；

33）打开含沙浓度测量系统6的激光器8，照射入射光纤集16，通过入射光纤集16导入每个导光纤维11的入水端12，照亮各入水端12前方的局部水体。使用计算机1发出触发指令给同步器3，同步器3接收触发指令后向浑水浓度测量系统5与含沙浓度测量系统6同时发出采样指令，浑水浓度测量系统5与含沙浓度测量系统6开始同步采样；

34）将同一时刻浑水浓度测量系统5与含沙浓度测量系统6拍摄的图像调出；首先根据第一照相机10对反射光纤集17拍摄的图片，得到每根导光纤维11的反射光纤14的平均灰度值与灰度分布，代入步骤14中确定的标定关系，得到各入射端12处的含沙浓度与泥沙级配；将10个入射端12的结果曲线回归拟合即为采样时刻含沙浓度的垂线分布；

35）根据第二照相机27对显示水位玻璃管18内液面拍摄的图片，识别出每个显示水位玻璃管18内的液面曲线，使用一元多次函数拟合所得液面曲线，对拟合函数微分得出极值，作为液面水位，以达到亚像素精度。根据显示水位玻璃管18内的液面水位与玻璃直管28内液面水位得到压差Dh；具体方法如下：

已知水深为h时相应的静水压强为：

P_T＝γ_mh                        (1) 

γ_m为该点以上直至水面的浑水平均容重。设测流管25管口26前的流速为U，其动水压强为：

$P_D={\mathrm{\γ}}_C\frac{U^2}{2g}---\left(2\right)$

γ_C为该点处浑水的平均容重，g为重力加速度。

测点的总压强P为：

P＝P_D+P_T＝γ(h+Dh)                     (3) 

实际测得的压差为Dh；γ为清水容重；

则测流管25管口26前的实际流速U可由下式得到：

$U=\sqrt{\frac{2g}{{\mathrm{\γ}}_C}[\mathrm{\γ}(h+\mathrm{Dh})-{\mathrm{\γ}}_{m}h]}---\left(4\right)$

从已由含沙浓度测量系统得出的含沙浓度的垂线分布，即能计算测流管25管口26处的含沙浓度和其上水体的平均含沙浓度，进而得出测流管25管口26处的浑水容重γ_C和平均容重γ_m，再由(4)式计算测流管25管口26处的流速。

36）将10个测流管口26的结果回归拟合即为采样时刻浑水流速的垂线分布。对各个时刻的图片做相同的处理即得到每个采样时刻的含沙浓度垂线分布与浑水流速的垂线分布随时间的变化过程。

本实施例中，河工模型中的测量流场的实测最大流速为1.0m/s，加上浑水的附加压力(一般河工模型试验的最大含沙量为20kg/m³)，则最大压差Dh＝5.2cm。采用分辨率7360×4912的高分辨率微小畸变照相机27的长度方向拍摄显示水位玻璃管28内液面水位，测量压差的实际物理分辨率为Δh＝52/7360=0.00706mm/Pixel，则流速测量的下限值为：

$\mathrm{\ΔU}=\sqrt{2g\×\mathrm{\Δh}}=\sqrt{2\×980\×0.000706}=1.18\mathrm{cm}/s---\left(5\right)$

当模型流速为10cm/s时，动水头为0.051cm，所得流速的误差范围为：

$U_{+}=\sqrt{2\×980\×(0.051+0.000706)}=10.07\mathrm{cm}/s---\left(6\right)$

$U_{-}=\sqrt{2\×980\×(0.051-0.000706)}=9.93\mathrm{cm}/s---\left(7\right)$

测量流速误差为0.14cm/s。满足河工模型试验的精度要求。

Claims (3)

1.一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置，该装置包括带有测针的自动测架、浑水流速测量系统、含沙浓度测量系统、计算机和同步器；浑水流速测量系统安装在自动测架的一侧，含沙浓度测量系统安装在自动测架另一侧；浑水流速测量系统、含沙浓度测量系统的下端均插入河工模型的浑水水流的水面以下；浑水流速测量系统与含沙浓度测量系统均分别通过数据线与计算机连接，且浑水流速测量系统与含沙浓度测量系统均分别通过数据线与同步器连接,计算机通过数据线和同步器连接；

所述含沙浓度测量系统结构包括多根导光纤维、激光器、透镜组及第一照相机；多根导光纤维并排排列成一行，每根导光纤维由处于中心的入射光纤与围绕入射光纤的反射光纤组成；导光纤维下端为入水端，多根导光纤维的入水端按竖直方向由低到高排列；多根导光纤维的上端为检测端，检测端包括由多根导光纤维的入射光纤组成的入射光纤集和多根导光纤维的反射光纤组成反射光纤集；入射光纤集和反射光纤集分别对准激光器和第一照相机；检测端、激光器和第一照相机均固定在自动测架上。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述浑水流速测量系统包括多条L形的测流管，多个软管，一个玻璃直管和多个显示水位玻璃管，一个连通管、一个虹吸管、一个注水管，以及一个第二照相机；其中，玻璃直管和多个显示水位玻璃管分别与连通管的下端通过软管相连，每个显示水位玻璃管的下端通过软管与一个测流管的上端口相连；连通管上端同时连接虹吸管和注水管，虹吸管上设有虹吸阀门，注水管上设置注水阀门；多个测流管的下端口按竖直方向由低到高排列；多个显示水位的竖直玻璃管并排成一排，多个显示水位玻璃管的正对方向安装第二照相机，用于拍摄各显示水位玻璃管内的水位变化。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于，该装置还包括含沙浓度标定装置、标定显示水位玻璃管的物理分辨率的量规及测流管对水流紊动的幅频响应特性的标定装置。