CN105954538A - 多普勒超声测速装置和其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多普勒超声测速装置和其使用方法，该装置包括：外壳、探头、上盖、支架和多普勒超声测速器，外壳的下端装有支架，外壳的上端装有上盖，在外壳内装有多普勒超声测速器，在支架上装有探头，探头通过信息线与多普勒超声测速器的输入端相连，它还包括：电子罗盘，外壳的内壁上有水平的第一凸台，电子罗盘固定在第一凸台，电子罗盘通过信息线与多普勒超声测速器的输入端相连，支架与电子罗盘放置的位置垂直，其使用方法是将探头和电子罗盘所测数据传输给多普勒超声测速器，经其校正后得到标准坐标系下的三维速度，本发明可以节省人工微调设备安装的操作；多台设备同步测试时，保证同一个坐标系下的测量；并且提高流速测量的准确度和精度。

Description

多普勒超声测速装置和其使用方法

技术领域

本发明涉及了一种多普勒超声测速装置和其使用方法，特别是涉及了一种可以自动校正的多普勒超声测速装置和其使用方法。

背景技术

声学多普勒流速仪，运用多普勒原理，对距离探头一定距离的采样点进行流速测量。超声多普勒流速仪是应用声学多普勒效应原理制成的测流仪，采用超声换能器探测流速。超声多普勒流速仪为水下测量仪器。该设备可测量水流三个方向的流速。

预获得准确的水流三个方向的流速，则要求声学多普勒流速仪的三维坐标系与所测水流环境的坐标系保持一致。使设备的坐标系与水流环境坐标系保持一致，通常采用的方法是手工调整，手工调整设备在三个方向的角度，使设备的坐标系与水流环境坐标系一致。该方法有以下缺点：

1、手工调整设备的位置，将会在三个方向上引入人为调整的误差。导致测速准确性降低

2、每次初步安装设备后，均需要进行手工细微调整，其工作量较大。

3、如果多个设备同时测量同一个水流不同位置的流速，则各个设备相对环境坐标系均有误差，对于整体流速的评估引入累积误差。

发明内容

本申请发明的目的是通过在设备中安装电子罗盘，对已初步安装的设备进行安装姿态的自校正，保证计算的流速映射到环境坐标系中，即提高流速测量的准确度和精度。

为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：

本发明的一种多普勒超声测速装置，它包括：外壳、探头、上盖、支架和多普勒超声测速器，外壳的下端装有支架，外壳的上端装有上盖，在外壳内装有多普勒超声测速器，在支架上装有探头，探头通过信息线与多普勒超声测速器的输入端相连，其中：它还包括：电子罗盘，外壳的内壁上有水平的第一凸台，电子罗盘固定在第一凸台，电子罗盘通过信息线与多普勒超声测速器的输入端相连，支架与电子罗盘放置的位置垂直。

本发明的一种多普勒超声测速装置，其中：所述的支架包括主管和至少两个分支管，分支管位于接近主管的端部，它们沿着主管的圆周均匀分布，分支管中心线与主管垂直中心线的夹角c在30°至85°的范围内，在每个分支管内均开有通向主管的穿线孔，在靠近每个分支管的端部有一个与上述穿线孔相通的凹槽，凹槽内装有探头，与探头相连的信息线通过穿线孔和主管与多普勒超声测速器的输入端相连，分支管的外形为流线型。

本发明的一种多普勒超声测速装置，其中：所述分支管为3个。

本发明的一种多普勒超声测速装置，其中：所述多普勒超声测速器上还装有液晶屏，在与该液晶屏对应的外壳上开有观察口，以便用户从观察口读出所测的流速，多普勒超声测速器的输出端通过信息线将所测流速输出。

本发明的一种多普勒超声测速装置，其中：在外壳的内壁上还有第二凸台，所述多普勒超声测速器通过第二凸台固定在外壳内。

本发明的一种多普勒超声测速装置的使用方法，其中：它包括以下步骤：

(a)将多普勒超声测速装置的探头放置在流动的河流中；

(b)探头在水流环境坐标系下，将河流水的流速传输给多普勒超声测速器，得到三维速度V_X’、V_y’和V_z’；

(c)电子罗盘(8)将其所处的位置与标准坐标系的夹角α、β和γ传输给多普勒超声测速器；

(d)多普勒超声测速器根据以下公式得到校正后的三维速度V_X、V_y和V_z

$\left[\begin{array}{c}{V}_X\\ V_Y\\ V_Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ -\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& -\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_X^{\′}\\ V_Y^{\′}\\ V_Z^{\′}\end{array}\right]$

(e)多普勒超声测速器通过液晶屏或输出端将校正后的三维速度V_X、V_y和V_z显示或输出。

本发明的多普勒超声测速装置与现有的多普勒超声测速装置相比，具有以下优点：

1)节省人工微调设备安装的操作；

2)多台设备同步测试时，保证同一个坐标系下的测量；

3)提高流速测量的准确度和精度。

附图说明

图1为本发明的多普勒超声测速装置的剖面示意图，为了简化起见，将图2的分支管顺时针旋转了60°；

图2为图1支架的仰视图；

图3为本发明的多普勒超声测速装置中多普勒超声测速器、探头和电子罗盘之间连接关系的示意图；

图4为电子罗盘所处的水流环境坐标系X’、Y’、Z’与标准坐标系X、Y、Z之间的夹角α、β和γ。

在图1至图3中，标号1为主管；标号2为穿线孔；标号3为分支管；标号4为凹槽；标号5为探头；标号6为外壳；标号7为第一凸台；标号8为电子罗盘；标号9为液晶屏；标号10为第二凸台；标号11为；标号12为多普勒超声测速器；标号13为上盖。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的多普勒超声测速装置包括：外壳6、探头5、电子罗盘8、上盖13、支架和多普勒超声测速器12，外壳6的下端装有支架，外壳6的上端装有上盖13，在外壳6内装有多普勒超声测速器12，在支架上装有探头5，探头5通过信息线与多普勒超声测速器12的输入端相连，外壳6的内壁上有水平的第一凸台7，电子罗盘8固定在第一凸台7，电子罗盘8通过信息线与多普勒超声测速器12的输入端相连，支架与电子罗盘8放置的位置垂直。在外壳6的内壁上还有第二凸台10，所述多普勒超声测速器12通过第二凸台10固定在外壳6内。多普勒超声测速器12上还装有液晶屏9，在与该液晶屏9对应的外壳6上开有观察口11，以便用户从观察口11读出所测的流速，多普勒超声测速器12的输出端通过信息线将所测流速输出。

如图1和图2所示，支架包括主管1和至少两个分支管3，分支管3位于接近主管1的端部，它们沿着主管1的圆周均匀分布，分支管3为3个，分支管3中心线与主管1垂直中心线的夹角c在30°至85°的范围内，在每个分支管3内均开有通向主管1的穿线孔2，在靠近每个分支管3的端部有一个与上述穿线孔2相通的凹槽4，凹槽4内装有探头5，与探头5相连的信息线通过穿线孔2和主管1与多普勒超声测速器12的输入端相连，分支管3的外形为流线型。

本发明多普勒超声测速装置的使用方法，它包括以下步骤：

(a)将多普勒超声测速装置的探头5放置在流动的河流中；

(b)探头5在水流环境坐标系下，将河流水的流速传输给多普勒超声测速器12，得到三维速度V_X’、V_y’和V_z’；

(c)电子罗盘8将其所处的位置与标准坐标系的夹角α、β和γ传输给多普勒超声测速器12；

(d)多普勒超声测速器12根据以下公式得到校正后的三维速度V_X、V_y和V_z

$\left[\begin{array}{c}{V}_X\\ V_Y\\ V_Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ -\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& -\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_X^{\′}\\ V_Y^{\′}\\ V_Z^{\′}\end{array}\right]$

(e)多普勒超声测速器12通过液晶屏9或输出端将校正后的三维速度V_X、V_y和V_z显示或输出。

当只有二个探头5时，只要将V_z’和γ均设置为0，仍然可以使用上述的校正公式得到二维速度V_X和V_y。

上述实施方式说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，可以对上述实施方式进行任何修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种多普勒超声测速装置，它包括：外壳(6)、探头(5)、上盖(13)、支架和多普勒超声测速器(12)，外壳(6)的下端装有支架，外壳(6)的上端装有上盖(13)，在外壳(6)内装有多普勒超声测速器(12)，在支架上装有探头(5)，探头(5)通过信息线与多普勒超声测速器(12)的输入端相连，其特征在于：它还包括：电子罗盘(8)，外壳(6)的内壁上有水平的第一凸台(7)，电子罗盘(8)固定在第一凸台(7)，电子罗盘(8)通过信息线与多普勒超声测速器(12)的输入端相连，支架与电子罗盘(8)放置的位置垂直。

2.如权利要求1所述的多普勒超声测速装置，其特征在于：所述的支架包括主管(1)和至少两个分支管(3)，分支管(3)位于接近主管(1)的端部，它们沿着主管(1)的圆周均匀分布，分支管(3)中心线与主管(1)垂直中心线的夹角c在30°至85°的范围内，在每个分支管(3)内均开有通向主管(1)的穿线孔(2)，在靠近每个分支管(3)的端部有一个与上述穿线孔(2)相通的凹槽(4)，凹槽(4)内装有探头(5)，与探头(5)相连的信息线通过穿线孔(2)和主管(1)与多普勒超声测速器(12)的输入端相连，分支管(3)的外形为流线型。

3.如权利要求2所述的多普勒超声测速装置，其特征在于：所述分支管(3)为3个。

4.如权利要求3所述的多普勒超声测速装置，其特征在于：所述多普勒超声测速器(12)上还装有液晶屏(9)，在与该液晶屏(9)对应的外壳(6)上开有观察口(11)，以便用户从观察口(11)读出所测的流速，多普勒超声测速器(12)的输出端通过信息线将所测流速输出。

5.如权利要求4所述的多普勒超声测速装置，其特征在于：在外壳(6)的内壁上还有第二凸台(10)，所述多普勒超声测速器(12)通过第二凸台(10)固定在外壳(6)内。

6.如权利要求1至5任一权利要求所述的多普勒超声测速装置的使用方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(a)将多普勒超声测速装置的探头(5)放置在流动的河流中；

(b)探头(5)在水流环境坐标系下，将河流水的流速传输给多普勒超声测速器(12)，得到三维速度V_X’、V_y’和V_z’；

(c)电子罗盘(8)将其所处的位置与标准坐标系的夹角α、β和γ传输给多普勒超声测速器(12)；

(d)多普勒超声测速器(12)根据以下公式得到校正后的三维速度V_X、V_y和V_z

$\left[\begin{array}{c}{V}_X\\ V_Y\\ V_Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ -\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& -\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_X^{\′}\\ V_Y^{\′}\\ V_Z^{\′}\end{array}\right]$

(e)多普勒超声测速器(12)通过液晶屏(9)或输出端将校正后的三维速度V_X、V_y和V_z显示或输出。