CN104019805A - 一种高含沙浑水异重流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高含沙浑水异重流检测方法，通过高含沙浑水异重流的检测系统实现异重流数据信息的检测，包含如下步骤：a)电机通过转盘运转来带动测量支撑杆的上下运作，实现库区内不同水深的数据信号检测；b)数据处理模块和单片机控制模块对数据信号进行处理，通过差值运算判断异重流的产生；c)单片机控制模块将数据信号结果通过无线GPRS传输至上位机监控系统，并进行实时显示；d)检测结束，进行反冲洗。本发明利用四波束技术和超声波束面积比值法，对库区内水的含沙量进行检测，并对超声波声速C_S、含沙量浓度V_C、环境温度T进行数据融合处理，测量得出的数据更准确，数据可靠性更高。

Description

一种高含沙浑水异重流检测方法

技术领域

本发明涉及高含沙浑水检测领域，具体涉及一种高含沙浑水异重流检测方法。

背景技术

我国是一个洪涝灾害严重的国家，修建水库是人类减少洪涝灾害的一项重要工程措施。但在河流特别是多沙河流上修建水库，由于大坝的挡水作用，水流流速降低，上游来沙在库区的淤积速率增加，造成有效的库容减少，水库寿命缩短。在水库中挟有大量细泥沙的洪水进入水库壅水区后，浑水中的粗泥沙不能继续为水流所挟带，淤积在水库的进口部位，含有细颗粒泥沙的浑水，则与库内清水形成一定的密度差，由此产生压力的差别，开始潜入水库底部，形成库区高含沙浑水异重流。潜入点标志着异重流已经开始形成。在某些情况下，异重流会带来很大危害。但如果合理利用异重流特性，在水库减淤，给水排水工程设计与运用等方面可获得很大效益。在多沙河流上修建蓄水水库和水电站时，设置底孔，合理运用在库底运动的浑水异重流可把泥沙排走，减少水库淤积，是水库减淤的主要措施。

异重流是两种密度不同的流体因密度差异而产生的相对流动，又称密度流。水利工程中常见的异重流现象有：湖泊、水库及河流、渠道中的浑水异重流；河口段的盐水楔异重流；火电厂取、排水口附近的温差异重流等。

在实际的水库排水排沙管理中，为了掌握“蓄清排浑”的最佳时机，有效减少高含沙水库的泥沙淤积，需要对异重流发生、增长、稳定、消退的全过程进行跟踪监测。在异重流测量工作中，以前主要靠估计采样水深，多次试探取样，人工判断浑水层深度和厚度。该方法测量精度低，劳动强度大，测量时间长，容易延误“蓄清排浑”的最佳时机。目前有根据光电传感器原理和泥沙颗粒的阻光效应采取的光电式清浑水界面探测方法，在小浪底水库异重流测量中，取得了良好的应用效果。但由于光电传感器测量含沙量量程小，此方法只能测出清浑水含沙量临界值，不能连续测量高含沙量及其垂直分布情况。因此，为了更好地跟踪监测异重流变化过程，有必要实现异重流的实时跟踪监测，为黄河流域库区的排水排沙起到监督与管理服务。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题和不足，提供一种操作方便、测量数据精准，能够检测到库区不同深度的高含沙浑水异重流数据信息的检测方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种高含沙浑水异重流的检测方法，通过高含沙浑水异重流的检测系统实现异重流的深度、含沙量、流速和温度的数据信息的检测，所述高含沙浑水异重流的检测系统包含测量支撑杆，由下至上依次安装在测量支撑杆上的流速检测仪、超声波含沙量传感器、深度传感器、水温传感器，电源模块，及分别与电源模块连接的数据处理模块及单片机控制模块，所述测量支撑杆的上部通过线缆固定在转盘上，转盘与支架横杆的一端转动连接，支架横杆的另一端与电机连接，所述电机安装在支撑架上；高含沙浑水异重流的检测方法包含如下步骤：a).电机通过转盘运转来带动测量支撑杆的上下运作，实现库区内不同水深的数据信号检测；集装在测量支撑杆上的流速检测仪、超声波含沙量传感器、深度传感器、水温传感器采集库区内的水流速、含沙量、水深度、水温度的数据信号；b).数据处理模块和单片机控制模块对接收到的数据信号进行处理，通过差值运算判断异重流的产生，若产生异重流，则进入下一步骤，否则，返回步骤a)；c).单片机控制模块将水流速、含沙量、水深度、水温度的数据信号结果通过无线GPRS传输至上位机监控系统，上位机监控系统获取异重流产生的深度、含沙量、流速和温度的数据信息，并进行实时显示；d).检测结束，控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直上升，到达顶端，测量结束，进行反冲洗。

根据上述的高含沙浑水异重流的检测方法，所述步骤a)中的超声波含沙量检测模块采用四波束技术，即利用四个发射器和四个检测器，每个发射器发送的超声波束经过折射后被对应的四个检测器接收，并产生波路，得到数据矩阵，通过对数据矩阵的分析，实现对水体中悬浮含沙量浓度的检测。

根据上述的高含沙浑水异重流的检测方法，所述步骤a)包含如下步骤：首先，进行高含沙浑水异重流系统的初始化；然后，通过单片机控制模块控制电机运转，驱动转盘来控制测量支撑杆上升到顶端，获取水体深度的初始位置信息；其次，通过控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直下降，通过深度传感器获取深度信息、温度传感器获取温度信息、流速检测仪获取流速信息、超声波含沙量传感器获取含沙量信息。

根据上述的高含沙浑水异重流的检测方法，所述步骤b)中的差值运算包含如下内容：将由步骤a)获得的当前深度的含沙量和上一深度的含沙量进行差值运算，并判断差值是否大于异重流产生的阈值U₀，如果差值大于异重流产生的阈值U₀，记录异重流产生的深度、含沙量、流速和温度数据信息，进入步骤c)中通过无线GPRS传输至上位机监控系统，并进行实时显示；否则，返回步骤a)，继续通过控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直下降，测量当前深度的数据信号。

根据上述的高含沙浑水异重流的检测方法，所述超声波含沙量传感器采用四波束技术，即利用四个发射器和四个检测器，每个发射器发送的超声波束经过折射后被对应的四个检测器接收，并产生波路，得到数据矩阵，通过对数据矩阵的分析，实现对水体中悬浮含沙量浓度的检测。

根据上述的高含沙浑水异重流的检测方法，所述超声波含沙量传感器基于超声波在液固两相介质中传播发生衰减的原理，采用“超声波束面积比值法”，即

I_x＝I₀e^-2αx

其中I₀为超声波声源的强度，I_x为超声波接收点的信号强度，x为发射元件与接收元件间的距离；α为衰减系数,受水和悬浮粒子吸收的影响；衰减系数α决定回波脉冲所包络的面积A，其面积A与衰减系数α有如下关系：

$A={\∫}_0^{\∞}{V}_{\mathrm{pi}}{e}^{\mathrm{\αx}}\mathrm{dx}=\frac{V_{\mathrm{Pi}}}{\mathrm{\α}},$

其中V_Pi为第i个超声波声压幅值；衰减系数α为：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2x}\ln \frac{A_1}{A_2}$

其中A₁为第一回波脉冲以后所包络的面积；A₂为第二回波脉冲以后所包络的面积，x为超声波含沙量传感器的发射器和检测器之间的距离。

根据上述的高含沙浑水异重流的检测方法，所述步骤a)中超声波含沙量传感器基于超声波声场中的电力和流体动力的相互作用，考虑浑水悬浮液中的超声波声速C_S和悬浮粒子的含沙量浓度S_C的影响，并进行环境温度T和水体流速V的数据融合处理，其数据融合公式为：S_C＝S₀+K₁×T+K₂×V+K₃×C_S，其中，S₀为环境温度为零度时的悬浮粒子的含沙量浓度；T为实际环境温度，V为水体流速，S_C为环境温度T时的悬浮粒子的含沙量浓度，K₁为环境温度补偿参数，设定环境温度补偿参数K₁取值0.607，K₂为水体流速的融合参数，可在实验中进行率定，K₃为超声波声速C_S的融合参数。

根据上述的高含沙浑水异重流的检测方法，所述数据处理模块包含信号调理模块、A/D转换模块，所述信号调理模块与信号检测系统相连接，采集流速检测模块、超声波含沙量检测模块、深度传感器、水温传感器传输的信号，信号调理模块与A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块与单片机控制模块相连接。根据上述的高含沙浑水异重流的检测方法，所述信号检测系统还包含固定在测量支撑杆上的多通道信号处理系统，流速检测模块，超声波含沙量检测模块，深度传感器，水温传感器分别通过多通道信号处理系统与信号调理模块连接。

本发明具有以下优点：

本发明实现将流速检测仪、超声波含沙量传感器、深度传感器、水温传感器集成到测量支撑杆上，电机通过转盘运转来带动测量支撑杆的上下运作，实现库区内不同水深的数据信号检测，并利用四波束技术和超声波束面积比值法，对库区内水的含沙量进行检测，基于超声波声场中的电力和流体动力的相互作用，考虑浑水悬浮液中的超声波声速C_S和悬浮粒子的含沙量浓度V_C的影响，并进行环境温度T的数据融合处理，测量得出的数据准确，在悬浮液含沙量浓度较大的情况下，考虑到悬浮液中的声速和悬浮粒子的体积浓度，检测得到的数据更精准，数据可靠性更高。

附图说明

图1是本发明中的高含沙浑水异重流的检测系统的结构示意图；

图2是本发明高含沙浑水异重流的检测方法的流程示意图；

图3是本发明的单片机控制模块电路图；

图4是本发明的电源模块电路图；

图5是本发明的信号调理模块电路图；

图6是本发明的A/D转换模块电路图。

具体实施方式

图中标号1为流速检测仪，2为深度传感器，3为超声波含沙量传感器，4为水温传感器，5为测量支撑杆，6代表转盘，7为支架横杆，8为GPRS天线，9为水平面，10为电机，11为支撑架，12为上位机，13为控制系统，14为测试船。

实施例一：参见图1～6所示，一种高含沙浑水异重流的检测方法，通过高含沙浑水异重流的检测系统实现异重流的深度、含沙量、流速和温度的数据信息的检测，所述高含沙浑水异重流的检测系统包含测量支撑杆，由下至上依次安装在测量支撑杆上的流速检测仪、超声波含沙量传感器、深度传感器、水温传感器，电源模块，及分别与电源模块连接的数据处理模块及单片机控制模块，所述测量支撑杆的上部通过线缆固定在转盘上，转盘与支架横杆的一端转动连接，支架横杆的另一端与电机连接，所述电机安装在支撑架上；高含沙浑水异重流的检测方法包含如下步骤：a).电机通过转盘运转来带动测量支撑杆的上下运作，实现库区内不同水深的数据信号检测；集装在测量支撑杆上的流速检测仪、超声波含沙量传感器、深度传感器、水温传感器采集库区内的水流速、含沙量、水深度、水温度的数据信号；b).数据处理模块和单片机控制模块对接收到的数据信号进行处理，通过差值运算判断异重流的产生，若产生异重流，则进入下一步骤，否则，返回步骤a)；c).单片机控制模块将水流速、含沙量、水深度、水温度的数据信号结果通过无线GPRS传输至上位机监控系统，上位机监控系统获取异重流产生的深度、含沙量、流速和温度的数据信息，并进行实时显示；d).检测结束，控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直上升，到达顶端，测量结束，进行反冲洗。

所述步骤a)中的超声波含沙量检测模块采用四波束技术，即利用四个发射器和四个检测器，每个发射器发送的超声波束经过折射后被对应的四个检测器接收，并产生波路，得到数据矩阵，通过对数据矩阵的分析，实现对水体中悬浮含沙量浓度的检测。

所述步骤a)包含如下步骤：首先，进行高含沙浑水异重流系统的初始化；然后，通过单片机控制模块控制电机运转，驱动转盘来控制测量支撑杆上升到顶端，获取水体深度的初始位置信息；其次，通过控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直下降，通过深度传感器获取深度信息、温度传感器获取温度信息、流速检测仪获取流速信息、超声波含沙量传感器获取含沙量信息。

所述步骤b)中的差值运算包含如下内容：将由步骤a)获得的当前时刻t的深度h_t的含沙量S(h_t)和上一时刻t-1的深度h_t-1的含沙量S(h_t-1)进行差值运算，计算公式为：

U＝S(h_t)-S(h_t-1)

S(h_t)为当前时刻t的深度h_t的含沙量；S(h_t-1)为上一时刻t-1的深度h_t-1的含沙量；U为差值。判断差值U是否大于异重流产生的阈值U₀，如果差值U小于U₀，则判断为异重流没有产生，控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直下降，进入步骤a)；如果差值U大于或等于U0，则判断为异重流已经产生，记录异重流产生的深度、含沙量、流速和温度数据信息，进入步骤c)中通过无线GPRS传输至上位机监控系统；上位机监控系统获取异重流产生的深度、含沙量、流速和温度的数据信息，并进行实时显示。

所述步骤d)中，当步骤c)完成后，表明此处的异重流检测结束，控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直上升，到达顶端；系统对检测设备和传感器进行反冲洗；如果在此处一直没有检测到异重流产生，则步骤a)中单片机控制模块控制电机运转到预设的一定深度H时，则电机驱动测量支撑杆停止下降，并通过深度传感器获取深度信息、温度传感器获取温度信息、流速检测仪获取流速信息、超声波含沙量传感器获取含沙量信息；然后单片机控制模块控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直上升，到达顶端，测量结束，进行反冲洗动作。

所述超声波含沙量传感器采用四波束技术，即利用四个发射器和四个检测器，每个发射器发送的超声波束经过折射后被对应的四个检测器接收，并产生波路，得到数据矩阵，通过对数据矩阵的分析，实现对水体中悬浮含沙量浓度的检测。根据上述的高含沙浑水异重流的检测方法，所述超声波含沙量传感器基于超声波在液固两相介质中传播发生衰减的原理，采用“超声波束面积比值法”，即

I_x＝I₀e^-2αx

其中I₀为超声波声源的强度，I_x为超声波接收点的信号强度，x为发射元件与接收元件间的距离；α为衰减系数,受水和悬浮粒子吸收的影响；衰减系数α决定回波脉冲所包络的面积A，其面积A与衰减系数α有如下关系：

$A={\∫}_0^{\∞}{V}_{\mathrm{pi}}{e}^{\mathrm{\αx}}\mathrm{dx}=\frac{V_{\mathrm{Pi}}}{\mathrm{\α}},$

其中V_Pi为第i个超声波声压幅值；衰减系数α为：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2x}\ln \frac{A_1}{A_2}$

其中A₁为第一回波脉冲以后所包络的面积；A₂为第二回波脉冲以后所包络的面积，x为超声波含沙量传感器的发射器和检测器之间的距离。

所述的超声波含沙量传感器基于超声波声场中的电力和流体动力的相互作用，考虑浑水悬浮液中的超声波声速C_S和悬浮粒子的含沙量浓度V_C的影响，悬浮粒子的含沙量浓度S_C越高则超声波的传播速度C_S就越快，而悬浮粒子的含沙量浓度S_C又与环境温度T和含沙水体的流速V存在着密切关系，必须要进行环境温度T和水体流速V进行多传感器数据融合处理，其数据融合公式为：

S_C＝S₀+K₁×T+K₂×V+K₃×C_S

其中，S₀为环境温度为零度时的悬浮粒子的含沙量浓度；T为实际环境温度，V为水体流速，S_C为温度T时的悬浮粒子的含沙量浓度，K₁为温度补偿参数，设定温度补偿参数K₁取值0.607；K₂为流速V的融合参数，可在实验中进行率定，K₃为超声波声速C_S的融合参数。

所述数据处理模块包含信号调理模块、A/D转换模块，所述信号调理模块与信号检测系统相连接，采集流速检测模块、超声波含沙量检测模块、深度传感器、水温传感器传输的信号，信号调理模块与A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块与单片机控制模块相连接。所述信号检测系统还包含固定在测量支撑杆上的多通道信号处理系统，流速检测模块，超声波含沙量检测模块，深度传感器，水温传感器分别通过多通道信号处理系统与信号调理模块连接。

本发明实现将流速检测仪、超声波含沙量检测模块、深度传感器、水温传感器集成到测量支撑杆上，电机通过转盘运转来带动测量支撑杆的上下运作，实现库区内不同水深的数据信号检测，并利用四波束技术和超声波束面积比值法，对库区内水的含沙量进行检测，测量数据准确，在悬浮液含沙量浓度较大的情况下，考虑到悬浮液中的声速、悬浮液本身的流速和悬浮粒子的体积浓度，进行多传感器数据融合，检测得到的数据更精准，数据可靠性更高。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种高含沙浑水异重流的检测方法，其特征在于：通过高含沙浑水异重流的检测系统实现异重流的深度、含沙量、流速和温度的数据信息的检测，所述高含沙浑水异重流的检测系统包含测量支撑杆，由下至上依次安装在测量支撑杆上的流速检测仪、超声波含沙量传感器、深度传感器、水温传感器，电源模块，及分别与电源模块连接的数据处理模块及单片机控制模块，所述测量支撑杆的上部通过线缆固定在转盘上，转盘与支架横杆的一端转动连接，支架横杆的另一端与电机连接，所述电机安装在支撑架上；高含沙浑水异重流的检测方法包含如下步骤：a).电机通过转盘运转来带动测量支撑杆的上下运作，实现库区内不同水深的数据信号检测；集装在测量支撑杆上的流速检测仪、超声波含沙量传感器、深度传感器、水温传感器采集库区内的水流速、含沙量、水深度、水温度的数据信号；b).数据处理模块和单片机控制模块对接收到的数据信号进行处理，通过差值运算判断异重流的产生，若产生异重流，则进入下一步骤，否则，返回步骤a)；c).单片机控制模块将水流速、含沙量、水深度、水温度的数据信号结果通过无线GPRS传输至上位机监控系统，上位机监控系统获取异重流产生的深度、含沙量、流速和温度的数据信息，并进行实时显示；d).检测结束，控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直上升，到达顶端，测量结束，进行反冲洗。

2.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测方法，其特征在于：所述步骤a包含如下步骤：首先，进行高含沙浑水异重流系统的初始化；然后，通过单片机控制模块控制电机运转，驱动转盘来控制测量支撑杆上升到顶端，获取水体深度的初始位置信息；其次，通过控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直下降，通过深度传感器获取深度信息、温度传感器获取温度信息、流速检测仪获取流速信息、超声波含沙量传感器获取含沙量信息。

3.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测方法，其特征在于：所述步骤b)中的差值运算包含如下内容：将由步骤a)获得的当前深度的含沙量和上一深度的含沙量进行差值运算，并判断差值是否大于异重流产生的阈值U₀，如果差值大于异重流产生的阈值U₀，记录异重流产生的深度、含沙量、流速和温度数据信息，进入步骤c)中通过无线GPRS传输至上位机监控系统，并进行实时显示；否则，返回步骤a)，继续通过控制电机运转，驱动测量支撑杆垂直下降，测量当前深度的数据信号。

4.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测方法，其特征在于：所述步骤a)中超声波含沙量传感器采用四波束技术，即利用四个发射器和四个检测器，每个发射器发送的超声波束经过折射后被对应的四个检测器接收，并产生波路，得到数据矩阵，通过对数据矩阵的分析，实现对水体中悬浮含沙量浓度的检测。

5.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流的检测方法，其特征在于：所述步骤a)中超声波含沙量传感器基于超声波在液固两相介质中传播发生衰减的原理，采用“超声波束面积比值法”，即：I_x＝I₀e^-2ax，其中，I₀为超声波声源的强度，I_x为超声波接收点的信号强度，x为发射元件与接收元件间的距离，α为衰减系数,受水和悬浮粒子吸收的影响；衰减系数α决定回波脉冲所包络的面积A，其面积A与衰减系数α有如下关系： $A={\∫}_0^{\∞}{V}_{\mathrm{pi}}{e}^{\mathrm{\αx}}\mathrm{dx}=\frac{V_{\mathrm{Pi}}}{\mathrm{\α}},$ 其中,V_pi为第i个超声波声压幅值；衰减系数α为：其中，A₁为第一回波脉冲以后所包络的面积；A₂为第二回波脉冲以后所包络的面积，x为超声波含沙量传感器的发射器和检测器之间的距离。

6.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流的检测方法，其特征在于：所述步骤a)中超声波含沙量传感器基于超声波声场中的电力和流体动力的相互作用，考虑浑水悬浮液中的超声波声速C_S和悬浮粒子的含沙量浓度S_C的影响，并进行环境温度T和水体流速V的数据融合处理，其数据融合公式为：S_C＝S₀+K₁×T+K₂×V+K₃×C_S，其中，S₀为环境温度为零度时的悬浮粒子的含沙量浓度；T为实际环境温度，V为水体流速，S_C为环境温度T时的悬浮粒子的含沙量浓度，K₁为环境温度补偿参数，K₂为水体流速的融合参数，K₃为超声波声速C_S的融合参数。

7.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流的检测方法，其特征在于：所述数据处理模块包含信号调理模块、A/D转换模块，所述信号调理模块与信号检测系统相连接，采集流速检测模块、超声波含沙量检测模块、深度传感器、水温传感器传输的信号，信号调理模块与A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块与单片机控制模块相连接。

8.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流的检测方法，其特征在于：所述信号检测系统还包含固定在测量支撑杆上的多通道信号处理系统，流速检测模块，超声波含沙量检测模块，深度传感器，水温传感器分别通过多通道信号处理系统与信号调理模块连接。