CN104360101A - 流速流向自动测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型流速流向自动测量仪及其测量方法，该测量仪包括固定台、中空钢管、面阵CCD和开闭门，所述中空钢管与固定台连接，中空钢管顶部设有注剂口，中空钢管尾部设有开闭门，开闭门与电磁铁连接，面阵CCD固定连接在中空钢管上，面阵CCD采集图像传送到处理器，处理器位于固定台上，固定台下方设有固定板和活动销；本发明的测量方法通过面阵CCD采集两幅不同时刻示踪染剂的图像，通过图像处理，得出流速和流向。本发明的测量仪结构巧妙、成本低；本发明的测量方法随机误差小、自动化程度高，大幅提高了流速矢量测量精度，简单易行。

Description

流速流向自动测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种流速测量仪器及其测量方法，具体涉及一种新型流速流向自动测量仪及其测量方法。

背景技术

流速是矢量参数，包含大小和方向，其中流向具有非常重要的科研价值和工程意义：1)水流运动规律研究，水流结构分析的基础是流场，流场必须含有流向，否则无法获取水流结构，不利于水流运动规律研究；2)所有涉河工程建设，都需要做防洪影响研究，断面流速分布、水流动力轴线和水流顶冲点的变化都依赖于流向分析，因此，流速测量需要同步测量流速大小和流速方向。

常用流速测量仪器有：毕托管、微型旋桨流速仪、热线热膜流速仪(Hot Wire/Hot FilmAnemometry，HWFA)、超声波多谱勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimetry，ADV)、激光多谱勒流速仪(Laser Doppler Velocimetry/Anemometry，LDV/LDA)和粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry，PIV)。毕托管和旋桨流速仪只能进行流速大小测量，无法测量流速方向。HWFA、ADV、LDV和PIV可同时测量流速大小和流速方向，但价格昂贵，难以大规模应用。为完成流向测量，目前主要采用机械流向仪测量，通过人工判断量角器获取流向角度，测量误差大、自动化程度低、同步性差(模型试验需要测量数百个流向点，依靠人工测量，实时性和同步性差)。

因此，有必要发明具有同步实现流速大小和方向的测量仪器。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种流速流向自动测量仪及其测量方法，可以同时测量流速和流向，自动化程度高，成本低。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的流速流向自动测量仪，包括固定台、中空钢管、面阵CCD和开闭门，所述中空钢管与固定台连接，中空钢管顶部设有注剂口，中空钢管尾部设有开闭门和水平孔，开闭门与电磁铁连接，开闭门通过电磁铁的作用带动开闭门上下移动关闭或打开水平孔，面阵CCD固定连接在中空钢管上，面阵CCD采集图像传送到处理器，处理器位于固定台上，固定台下方依次设有活动销、固定板和固定基座。

其中，面阵CCD固定连接于中空钢管，面阵CCD平面与中空钢管成直角，并与开闭门和水平孔位于同一侧，面阵CCD、开闭门和水平孔三者的水平中心线相互平行。所述固定台与固定基座刚性连接，固定板与固定基座相互平行，并与活动销形成T形连接，正转或反转活动销，带动固定板靠近或远离固定基座，从而调节固定板与固定基座之间的距离。流向测量时，开闭门和水平孔侧应位于水流下游。

一种基于上述的新型流速流向自动测量仪的测量方法，包括以下步骤：

1)使固定基座平行于待测流速断面杆，旋转活动销，使固定板与待测流速断面杆紧密连接；

2)控制电磁铁，排斥开闭门，封闭中空钢管水平孔；

3)从注剂口加入示踪染料，示踪染料进入中空钢管；

4)控制电磁铁，吸引开闭门，使中空钢管水平孔打开，记录时间为t₀；

5)示踪染料从水平孔中流出，跟随水流运动；

6)经Δt₁时间，控制电磁铁，排斥开闭门，封闭中空钢管水平孔；同时，控制面阵CCD获取示踪染料图像M₁，再经Δt₂获取示踪染料图像M₂；

7)通过对图像M₁和图像M₂处理，获取示踪染料运动轨迹线顶点坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，图像处理示踪染料图像Δt₂运动距离为S，则流速大小为

V＝S/Δt₂

$S=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2}$

8)M₂中最上游的示踪染料与固定基座的垂直距离经图像处理为L，则示踪染料运动轨迹线与固定基座法线夹角B为

B＝arccos(L/S)

L＝x₂-x₁

B即为该点流速与待测流速断面法线夹角。

在本发明中，以断面为X轴，断面的法线方向为Y轴，水平孔所在的位置为坐标原点。

有益效果：本发明的流速流向自动测量仪及其测量方法，从注剂口加入示踪染料，示踪染料进入中空钢管，控制开闭门，使示踪染料流出并随水流运动，控制开闭门关闭水平孔，并通过面阵CCD采集间隔一定时间的两幅图像，经图像处理得到流速和流向，该方法可同时获取流速和流向，随机误差小、自动化程度高，大幅提高了流速矢量测量精度，该方法简单易行，为流速流向测量提供了新方法；该自动测量仪，利用面阵CCD采集两幅图像，通过处理器处理后得出流速和流向，结构巧妙，成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中开闭门结构示意图；

图3为河流的断面示意图；

图4为图像M₂中最上游示踪染料的轨迹图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的流速流向自动测量仪，包括固定台1、中空钢管5、面阵CCD4和开闭门7，中空钢管5与固定台1通过螺纹连接，中空钢管5顶部设有注剂口3，中空钢管5尾部设有开闭门7和水平孔，开闭门7与电磁铁6连接，开闭门7通过电磁铁6的作用带动开闭门7上下移动关闭或打开水平孔，面阵CCD4固定连接在中空钢管5上，面阵CCD4采集图像传送到处理器2，处理器2位于固定台1上，固定台1下方依次设有活动销10、固定板9和固定基座8，固定台1套接于固定基座8，固定基8用于将流向仪平行固定于流速断面杆。

如图3和图4所示，A点为水平孔所在位置，C点为M₂时A点运动的位置，即经过Δt₁时间关闭水平孔时，水平孔出来的高锰酸钾所在的位置A，经过Δt₂获取高锰酸钾的图像M₂，原来位置A的高锰酸钾经过Δt₂后运动至C点，AC点的距离为S，C点到流速断面的垂直距离为L。

本发明的装置在使用时，具体测量方法步骤包括：

1)使固定基座8平行于待测流速断面杆，旋转活动销10，使固定板9与待测流速断面杆紧密连接，旋转活动销10，推动固定板9向固定基座8靠近，从而依靠固定板9和固定基座8夹持于待测流速断面杆；

2)控制电磁铁6，排斥开闭门7，封闭中空钢管5水平孔；

3)从注剂口3加入高锰酸钾，高锰酸钾进入中空钢管5；

4)控制电磁铁6，吸引开闭门7，使中空钢管5水平孔打开，记录时间为t₀；

5)示踪染料从水平孔中流出，跟随水流运动；

6)经Δt₁时间，控制电磁铁6，排斥开闭门7，封闭中空钢管5水平孔；同时，控制面阵CCD4获取高锰酸钾图像M₁，再经Δt₂获取高锰酸钾图像M₂；

7)通过对图像M₁和图像M₂处理，获取示踪染料运动轨迹线顶点坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，图像处理高锰酸钾图像Δt₂运动距离为S，则流速大小为

V＝S/Δt₂

$S=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2}$

8)M₂中最上游的示踪染料与固定基座8的垂直距离经图像处理为L，则示踪染料运动轨迹线与固定基座8法线夹角B为

B＝arccos(L/S)

L＝x₂-x₁

B即为该点流速与待测流速断面法线夹角。

通过本发明得出流速为V＝S/Δt₂；流向为B＝arccos(L/S)

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.流速流向自动测量仪，其特征在于：包括固定台(1)、中空钢管(5)、面阵CCD(4)和开闭门(7)，所述中空钢管(5)与固定台(1)连接，中空钢管(5)顶部设有注剂口(3)，中空钢管(5)尾部设有开闭门(7)和水平孔，开闭门(7)与电磁铁(6)连接，开闭门(7)通过电磁铁(6)的作用带动开闭门(7)上下移动关闭或打开水平孔，面阵CCD(4)固定连接在中空钢管(5)上，面阵CCD(4)采集图像传送到处理器(2)，处理器(2)位于固定台(1)上，固定台(1)下方依次设有活动销(10)、固定板(9)和固定基座(8)。

2.一种基于权利要求1所述的流速流向自动测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使固定基座(8)平行于待测流速断面杆，旋转活动销(10)，使固定板(9)与待测流速断面杆紧密连接；

2)控制电磁铁(6)，排斥开闭门(7)，封闭中空钢管(5)水平孔；

3)从注剂口(3)加入示踪染料，示踪染料进入中空钢管(5)；

4)控制电磁铁(6)，吸引开闭门(7)，使中空钢管(5)水平孔打开，记录时间为t₀；

5)示踪染料从水平孔中流出，跟随水流运动；

6)经Δt₁时间，控制电磁铁(6)，排斥开闭门(7)，封闭中空钢管(5)水平孔；同时，控制面阵CCD(4)获取示踪染料图像M₁，再经Δt₂获取示踪染料图像M₂；

7)通过对图像M₁和图像M₂处理，获取示踪染料运动轨迹线顶点坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)图像处理示踪染料图像Δt₂运动距离为S，则流速大小为

V＝S/Δt₂

$S=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2}$

8)M₂中最上游的示踪染料与固定基座(8)的垂直距离经图像处理为L，则示踪染料运动轨迹线与固定基座(8)法线夹角B为：

B＝arccos(L/S)

L＝x₂-x₁

B即为该点流速与待测流速断面法线夹角。

3.根据权利要求2所述的流速流向自动测量仪的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中示踪染料为高锰酸钾。