CN104407171A

CN104407171A - 超声波多普勒流向流速仪

Info

Publication number: CN104407171A
Application number: CN201410716599.9A
Authority: CN
Inventors: 夏文军
Original assignee: XIAMEN BOYIDA TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XIAMEN BOYIDA TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2015-03-11

Abstract

本发明公开了一种超声波多普勒流向流速仪，由探头、电缆、水面主机组成；所述的探头通过电缆与水面主机连接，将水下信号输送到水面主机上。所述的探头包括两个换能器、管体、导流头、尾翼、旋吊转子连接器和电路板；所述的导流头固定在管体的前端，尾翼固定在管体的后端，使得管体内腔形成一个密闭的空间，旋吊转子连接器的下端铰接在管体顶面，两个换能器斜向安装在管体前端的两侧，换能器的纵轴线与管体纵轴线形成夹角θ，电路板安装在管体内。由于本发明具有一对分左右布置在探头管体的前方换能器，与管体成一定夹角，用超声波探测流速，测量点在仪器机体前方，不破坏流场，流速采样数据准确。

Description

超声波多普勒流向流速仪

技术领域

本发明涉及水文仪器领域，特别是涉及一种超声波多普勒流向流速仪，其适用于江河、海洋、水文观测站、船只浮标、明渠等水域的流速、流向、水温、深度的测量，也可进行流量计量。

背景技术

目前我国水利水文系统测流主要使用的是传统的机械转子流速仪，由于转子流速仪是靠水流推动叶片（或旋杯）传感器转动从而按一定的关系输出脉冲个数进行换算得出流速值的，但当水流推动传感器转动的同时也破坏了自然流场的型态，所以此类流速仪测得的不是自然流场的流速值，影响了测量精度。当流速太小推力不足于推动叶片转动时就无法测量，所以无法测弱流。由于传感器是转动部件决定了其惧怕泥沙堵塞和水草漂浮物缠绕，会影响测量精度甚至无法测量。惧怕碰撞，容易变形，测量线性较差。超声波多普勒流速仪采用超声换能器，用超声波探测流速，测量点在仪器机体前方，不破坏流场，是较先进的测流技术，是目前世界上在实验室、江河、海洋测流中广泛使用的主要设备。具有测量精度高，量程宽，可测弱流，也可测强流；感应灵敏，分辨率高，不受启动流速限制；响应速度快，可测瞬时流速，也可测平均流速；测量线性，流速检定曲线一般不会变化；无活动磨损部件，不存在泥沙堵塞或水草杂物缠绕等问题；探头坚固耐用，不易损坏，可无人值守长期自动监测、远程传输等优点。可见，超声多普勒流速仪最适合于泥沙悬浮物含量高，水草等漂浮物多的江河水域测流使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波多普勒流向流速仪。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明是一种超声波多普勒流向流速仪，由探头、电缆、水面主机组成；所述的探头通过电缆与水面主机连接，将水下信号输送到水面主机上；所述的探头包括两个换能器、管体、导流头、尾翼、旋吊转子连接器和电路板；所述的导流头固定在管体的前端，尾翼固定在管体的后端，使得管体内腔形成一个密闭的空间；所述的旋吊转子连接器的下端铰接在管体顶面；所述的两个换能器斜向安装在管体前端的两侧，换能器的纵轴线与管体纵轴线形成夹角θ，二只换能器夹角θ的延长线交汇处为流速的信息采样窗口；所述的电路板安装在管体内。

本发明还包括压力传感器、温度传感器、流向传感器和电路板支架；所述的电路板支架安装在管体内，电路板、流向传感器皆安装在电路板支架上，电缆穿过管体顶部的电缆出口与电路板电连接；所述的压力传感器安装在管体内后端的平面上；所述的温度传感器固定安装在管体的上方。

所述的换能器的纵轴线与管体纵轴线的夹角θ为7°~20°。

所述的旋吊转子连接器由旋转吊杆、吊杆侧板、平衡定位栓和吊杆座组成；所述的吊杆座固定在管体的顶面，吊杆座中部具有水平长槽；所述的平衡定位栓以可拆卸的方式穿设固定吊杆座的水平长槽内；所述的吊杆侧板为一叉形件，其两叉臂活动套接在平衡定位栓上，吊杆侧板的上端与旋转吊杆下端连接。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

1、由于本发明具有一对分左右布置在探头管体的前方换能器，与管体成一定夹角，二只传感器夹角θ的延长线交汇处就是流速的信息采样窗口，在导流头前方约十几厘米处，用超声波探测流速，测量点在仪器机体前方，不破坏流场，流速采样数据准确。

2、由于本发明通过超声波探测流速，利用声学多普勒频移法原理测算出流速值，由于超声波的特性和探头构造决定了其反应灵敏，没有启动流速的问题，可以测弱流，解决了测弱流的问题，不破坏流场，不惧怕泥沙水草漂浮物，测量精度高，坚固耐用，可无人值守长时间自动监测使用。可测量多个参数，能满足不同场合的使用要求，现场测量方便快捷。

3、由于本发明旋吊转子连接器起吊缆（绳）和探头的连接作用，使探头能360度灵活转动，确保测量精度。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明探头的轴测图；

图3是本发明探头的立体分解图；

图4是本发明探头的正视图；

图5是本发明探头的俯视图；

图6是图5沿B-B线的剖视图；

图7是图4沿A-A线的剖视图；

图8是本发明的电路框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种超声波多普勒流向流速仪，由探头1、电缆2、水面主机3组成。

所述的探头1通过电缆2与水面主机3连接，将水下信号输送到水面主机3上。

如图2-图7所示，所述的探头1包括两个换能器11、管体12、导流头13、尾翼14、旋吊转子连接器15、电路板16、压力传感器17、温度传感器18、流向传感器19、电路板支架20、铅鱼吊孔21。

所述的旋吊转子连接器15由旋转吊杆151、吊杆侧板152、平衡定位栓153和吊杆座154组成。所述的吊杆座154固定在管体12的顶面，吊杆座154中部具有水平长槽155；所述的平衡定位栓153以可拆卸的方式穿设固定吊杆座154的水平长槽155内，在本实施例中，平衡定位栓153由两个螺母1531和一根螺栓1532构成（如图5所示），螺栓1532间隙穿过吊杆座154的水平长槽155，两个螺母1531分别螺接在螺栓1532的两端而将螺栓1532固定夹持在吊杆座154上；平衡定位栓153可前后移动和定位，起调节探头1平衡的作用，测量时探头1需保持和水平面平行。所述的吊杆侧板152为一叉形件，其两叉臂1521活动套接在平衡定位栓153上，形成铰接，吊杆侧板152的上端与旋转吊杆151下端连接。

所述的管体12为U字形圆筒结构，前端为开口，后端为密闭平面，导流头13固定在管体12的前端，起导流减少水阻力的作用，尾翼14固定在管体12的后端，起定向和稳定探头的作用，安装在管体12前端上的导流头13使得管体12内腔形成一个密闭的空间。所述的旋吊转子连接器15的下端铰接在管体12顶面。所述的两个换能器11斜向安装在管体12前端的两侧，换能器11的纵轴线与管体12纵轴线形成夹角θ（如图5所示），夹角θ为7°~20°，二只换能器11夹角θ的延长线交汇处为流速的信息采样窗口，一只换能器11负责发射声波，另一只换能器11负责接收声波；所述的电路板支架20安装在管体12内，电路板16、流向传感器19皆安装在电路板支架20上，电缆2穿过管体12顶部的电缆出口121与电路板16电连接。所述的压力传感器17安装在管体12内后端的平面上；所述的温度传感器18固定安装在管体11上方的吊杆座154上。所述的铅鱼吊孔21固定在管体12的底面。

如图8所示，所述的电路板16包括功率放大电路161、振荡电路162、高频放大电路163、混频电路164、滤波放大电路165、转换电路166、V/F转换电路167、匹配电路168。

本发明的工作原理：

如图1、图8所示，工作过程是当测量流速时，震荡电路162产生一固定频率的震荡信号f₀，f₀经功率放大电路161进行功率放大后经匹配电路168加到发射换能器上，实现电声转换发射声波出去，声波在水中传播时碰到水中的浮游生物等细小颗粒（统称为散射体，散射体的流动速度视等同于水流速度）时会产生声散射，一部分声散射波会被接收换能器11接收并实现声电转换经匹配电路168匹配传输至高频放大电路163，经多级放大后送混频器进行混频解调出多普勒频移信号Δf_d,Δf_d再经滤波放大整形后经电缆传输至水面主机3进行信号处理、运算，计算出流速值并进行显示、存储、远传。同理在测量水温、流向、深度时分别由软件控制适时打开温度传感器18、流向传感器19和压力传感器17进行水温、流向、深度的参数测量，测量到的参数信号送至各自的转换电路进行信号转换和信号整形，再经电缆2传送至水面主机3进行信号处理、计算，最终分别显示、存储、远传水温、流向和深度的数值。

2、实际测量操作过程

（1）将电缆2接头连接好水面主机3，接好电源，；（2）打开水面主机3电源，先校对时间、输入站点代号，按“确定”完成；（3）长按数字键“9”进行大气压标定，标定后自动返回，将探头1放入水中；（4）选择手动测量或自动测量模式；（5）自动测量模式：根据屏幕提示设定测量间隔时间和采样时间，按“确定”键开始测量，依次同时显示水深、水温、流向、流速测量值，测完定格显示20秒后熄灭，数据自动存储以备查阅和输出，流速仪进入休眠等待状态，等到下一个测量时间到时自动启动重复新一次的测量，如此循环往复；（6）手动测量模式：根据屏幕提示设定采样时间，按“确定”键开始测量水深，当探头1到达工作深度时再次按下“确定”键，流速仪开始测量水温、流向、流速并显示数值，测完定格显示20秒后熄灭，数据自动存储以备查阅和输出，流速仪自动返回测深状态，并显示探头1水深值，再次测量时按下“手动”键，流速仪再次进入新一次的水温、流向、流速测量，如此循环往复。

本发明的重点就在于：1、在一台超声波多普勒流速仪上集合了能测量流速、流向、温度、深度四项参数的功能。深度测量包含压力传感器和声学传感器。2、探头的外观和结构是自行独立设计的，是独有的。特别是二只换能器安装夹角θ，θ为7~20度。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims

1.一种超声波多普勒流向流速仪，由探头、电缆、水面主机组成；所述的探头通过电缆与水面主机连接，将水下信号输送到水面主机上；其特征在于：所述的探头包括两个换能器、管体、导流头、尾翼、旋吊转子连接器和电路板；所述的导流头固定在管体的前端，尾翼固定在管体的后端，使得管体内腔形成一个密闭的空间；所述的旋吊转子连接器的下端铰接在管体顶面；所述的两个换能器斜向安装在管体前端的两侧，换能器的纵轴线与管体纵轴线形成夹角θ，二只换能器夹角θ的延长线交汇处为流速的信息采样窗口；所述的电路板安装在管体内。

2.根据权利要求1所述的超声波多普勒流向流速仪，其特征在于：还包括压力传感器、温度传感器、流向传感器和电路板支架；所述的电路板支架安装在管体内，电路板、流向传感器皆安装在电路板支架上，电缆穿过管体顶部的电缆出口与电路板电连接；所述的压力传感器安装在管体内后端的平面上；所述的温度传感器固定安装在管体的上方。

3.根据权利要求1所述的超声波多普勒流向流速仪，其特征在于：所述的换能器的纵轴线与管体纵轴线的夹角θ为7°~20°。

4.根据权利要求1所述的超声波多普勒流向流速仪，其特征在于：所述的旋吊转子连接器由旋转吊杆、吊杆侧板、平衡定位栓和吊杆座组成；所述的吊杆座固定在管体的顶面，吊杆座中部具有水平长槽；所述的平衡定位栓以可拆卸的方式穿设固定吊杆座的水平长槽内；所述的吊杆侧板为一叉形件，其两叉臂活动套接在平衡定位栓上，吊杆侧板的上端与旋转吊杆下端连接。