CN105974151B - 一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的方法与装置 - Google Patents

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    • G01F23/296—Acoustic waves

Abstract

本发明涉及一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的方法与装置，包括移动测车、探头固定器、超声水位探头、CCD相机云台、CCD相机。导轨设置在水槽两侧边壁的上方，移动测车底部焊接有与导轨相吻合的滑轮，超声水位探头利用探头固定器固定在移动测车的横梁上。CCD相机云台利用紧固件固定于移动测车中心点，CCD相机利用相机云台固定于移动测车中心点位置。本发明优点表现为：与现有的水位及流速测量设备相比，本发明专利利用四个超声水位探头及一台CCD相机即可以方便快捷地同时测量在实验水槽中设置了丁坝模型或方柱圆柱模型下复杂流动的任意剖面流速及剖面上若干个特别流速点的对应水位，并且经济、环保。

Description

一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的方法与装置
【技术领域】
本发明涉及液位及流场测量技术领域，具体地说，是一种同步测量在实验水槽设置了丁坝或方柱圆柱模型的复杂流动中的流速及多点水位的方法与装置。
【背景技术】
在天然情况下，河床总是处在不断地变化和发展过程中。在河流上修建水工建筑物或进行疏浚、整治以后，由于水流结构的改变，河床演变将变得更加迅速和剧烈。水流冲刷河床、使河床变形，河床的变形又促使水流结构发生变化。丁坝作为水工建筑物广泛用于航道整治及海岸工程中，其主要作用是束水导沙、冲刷航槽，或挑流保护河岸。由于修建丁坝后会使水流缩窄，产生坝头分离流和坝尾回旋流，局部流动呈强三维紊动特性，其中，丁坝的局部冲刷一方面危及坝体自身的稳定和安全，另一方面使较多流量集中于坝头。因此当水流中布设丁坝后，丁坝近区的水流结构变化非常复杂，在丁坝的影响下水流每时每刻都在改变。因此，河道修建水工建筑物，就需要对水工建筑物影响下的河道冲刷、淤积等现象做出正确的计算、分析和预测。在科学实验研究中，将丁坝模型引入实验水槽，测量丁坝影响下水流的水位与流速，一般需在丁坝附近沿程固定布设多个超声水位探头和CCD相机，这样导致了实验测量区域的局限性，且在丁坝附近沿程布置多点水位探头比较困难，也不利于获取丁坝周围强紊动的水位数据和CCD相机随机采集的流速数据，因此现有测量方法所得的数据不利于我们对同时间内水流结构的变化情况进行研究分析，而且试验系统较为庞杂，科研设备成本也较高。
综上所述，设计一种能够在实验水槽上方移动，并且只需少数超声水位探头和一台CCD相机即可同步测量出实验水槽中复杂流动的流速及多点水位数据的方法与装置，是目前急需解决的问题，同时装置结构简单、使用方便也是实验室进行装置改造的创新方向。
【发明内容】
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的方法与装置。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的装置，该装置放置在水槽的上方，与水槽两侧边壁的间距相等，其特征在于，所述的装置包括移动测车、探头固定器、超声水位探头、CCD相机云台和CCD相机，所述的移动测车架设于水槽上方且底部焊有与水槽边壁上方导轨相吻合的滑轮，使所述的移动测车可在导轨上移动至任意需测量水位与流速的断面位置，所述的CCD相机云台利用紧固件固定于移动测车的中心点位置，所述的CCD相机通过相机云台设置于移动测车上，所述的超声水位探头利用探头固定器固定在CCD相机云台四周的移动测车的横梁上。
所述的超声水位探头设置为四个，分别利用探头固定器固定于CCD相机四周的移动测车的横梁上。
所述的超声水位探头两两之间的间距及其与CCD相机云台之间的间距都必须大于等于10cm，以防止超声水位探头之间存在干扰。
本发明采取的又一技术方案是：一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的方法，其特征在于，水槽实验中引入丁坝或方柱圆柱模型时，模型附近的水流流动情况会因此变得复杂和紊乱，在模型周围设置四个超声水位探头用于多点水位数据采集，水槽实验时所述的方法包括以下步骤：
a.利用CCD相机云台将CCD相机固定于移动测车上，并调整使CCD相机保持水平；
b.安装四个超声水位探头，测量超声水位探头与CCD相机云台间的距离，进行间距调整，并使所有超声水位探头与CCD相机云台保持在同一轴线上；
c.将安装了超声水位探头与CCD相机的移动测车移动到需要测量的水槽断面处，在水位系统中对超声水位探头进行标定，确定每个超声水位探头电压正常，且基准水位值相同，在流速场系统中对相机拍摄的物理空间进行标定，在一个时间段内设定多次拍摄流速场；
d.启动水泵提升至实验预设流量，将水槽尾门调至实验所设的水位值后，等待20～40min使水位稳定，在水位系统中采集1～2min不同超声水位探头下的水位值，同时利用CCD相机对所在剖面进行连续拍摄，所得即为同一剖面上的流场及丁坝或方柱圆柱模型近区特殊流速点的水位值；
e.将移动测车沿导轨移动至下一断面，重复上述水位值及对应流速值的采集步骤。
对所述的步骤d中同时间段内测量的水位值与流速值取平均值，用于消除外界瞬时干扰或不稳定因素从而得到特定点流速与水位的相关关系。
所述的同时段内多点水位值的采集操作在实验过程中一直进行，直至流速测量结束后方停止。
本发明优点在于：
1、本发明的装置能够在实验水槽上方移动，并且只需少数超声水位探头和一台CCD相机即可同步测量出实验水槽中复杂流动的流速及特殊流速点对应的多点水位数据。
2、本发明方法与装置针对实验水槽中设置了丁坝模型或方柱圆柱模型的情形，在这种情形下测量复杂流动的任意剖面流速及剖面上多个特别流速点的对应水位，可以简化试验系统、操作简便、降低科研设备成本。
【附图说明】
附图1是本发明装置的主视图。
附图2是本发明装置的俯视图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
1、水槽边壁，2、导轨，3、移动测车，4、探头固定器，5、超声水位探头，6、CCD相机云台，7、CCD相机，8、滑轮。
一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的装置，该装置总结构如图1所示，包括移动测车3、探头固定器4、超声水位探头5、CCD相机云台6和CCD相机7。导轨2安装在实验水槽两侧边壁的上方，移动测车3架设于水槽上方且底部焊有与导轨2相吻合的滑轮8，使其可在导轨2上移动至任意需测量水位与流速的断面位置。CCD相机云台6利用紧固件固定于移动测车3中心点位置，超声水位探头5利用探头固定器固定在CCD相机云台6四周的移动测车3的横梁上。CCD相机云台6用于固定放置CCD相机7，超声水位探头5与CCD相机7可以随着移动测车3移动，从而利用固定在装置上的超声水位探头5及CCD相机7同步测量出水槽中复杂流动时流速及特殊流速点对应的多点水位数据。
上述CCD相机云台6设置在移动测车3的中心点位置，即处于水槽宽度的中点位置，便于固定拍摄流场时所需的CCD相机7，以及对其摆放位置进行水平调整，保证CCD相机7拍摄区域在包含丁坝模型周围复杂流动处的水槽内部。
如图2所示，一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的装置，该装置放置在水槽的上方，与水槽两侧边壁的间距相等，本发明所述的装置仅需一个CCD相机云台6设置在移动测车3的中心点位置和4个超声水位探头5以10cm的最小勿扰距离布置在CCD相机云台6四周，使得在实验过程中尽可能在丁坝模型四周于同一时刻获取同一位置的流速与水位。
上述最小勿扰距离10cm使超声水位探头5两两之间及其与CCD相机云台6之间相互无干扰，实际实验操作时，设置的超声水位探头5两两之间的间距及其与CCD相机云台6之间的间距都必须大于等于10cm，才能实现无干扰。
如图2所示，四个超声水位探头5需要根据水槽宽度的大小及CCD相机云台6所在位置以相同距离设置于CCD相机云台6四周，并且两两相对位于同一轴线上。目的是确保超声水位探头5两两之间及其与CCD相机云台之6间互不干扰。当CCD相机7固定于CCD相机云台之6之后，所述的超声水位探头5与CCD相机7均与水槽中的水体无接触，对水体流动无干扰。
试验时，通过移动测车3，固定在移动测车3上的超声水位探头5与CCD相机7可随之在实验水槽上方移动至任意断面，从而只需4个超声水位探头5与1台CCD相机7便可以同步测量到任意剖面中复杂流动的流速及剖面上特别流速点的水位数据。
本装置的工作过程：试验前，首先利用CCD相机云台6将CCD相机7固定于移动测车3上，并调整使CCD相机7保持水平。再根据试验需要，安装四个超声水位探头5，测量超声水位探头5与CCD相机云台6间的距离，进行间距调整，并使其在同一轴线上；其次，将安装了超声水位探头5与CCD相机7的移动测车3移动到需要测量的断面处，在水位系统中对超声水位探头5进行标定，确定每个超声水位探头5电压正常，且基准水位值相同，在流速场系统中对相机拍摄的物理空间进行标定。启动水泵提升至所需流量，将水槽尾门调至实验所设的水位值后，为使其水位稳定等待约30min，在水位系统中采集1～2min不同探头下的水位值，同时利用CCD相机7对所在剖面进行连续拍摄，所得即为同一剖面上的流场及特殊流速点的水位值。移动测车3沿导轨2移动至下一断面，可再利用水位系统与流速场测量系统测量到该剖面上不同位置的水位值与流速值，如此推移，可同步将实验水槽中沿程复杂流动的多点水位值与流速值均测量出来。
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，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的装置，该装置放置在水槽的上方，与水槽两侧边壁的间距相等，其特征在于，所述的装置包括移动测车、探头固定器、超声水位探头、CCD相机云台和CCD相机，所述的移动测车架设于水槽上方且底部焊有与水槽边壁上方导轨相吻合的滑轮，使所述的移动测车可在导轨上移动至任意需测量水位与流速的断面位置，所述的CCD相机云台利用紧固件固定于移动测车的中心点位置，所述的CCD相机通过相机云台设置于移动测车上，所述的超声水位探头利用探头固定器固定在CCD相机云台四周的移动测车的横梁上，所述的超声水位探头设置为四个，分别利用探头固定器固定于CCD相机四周的移动测车的横梁上，且四个超声水位探头需要根据水槽宽度的大小及CCD相机云台所在位置以相同距离设置于CCD相机云台四周，并且两两相对位于同一轴线上。
2.根据权利要求1所述的一种同步测量复杂流动中的流速及多点水位的装置，其特征在于，所述的超声水位探头两两之间的间距及其与CCD相机云台之间的间距都必须大于等于10cm，以防止超声水位探头之间存在干扰。
3.根据权利要求1或2任一项所述的同步测量复杂流动中的流速及多点水位的装置的方法，其特征在于，水槽实验中引入丁坝或方柱圆柱模型时，模型附近的水流流动情况会因此变得复杂和紊乱，在模型周围设置四个超声水位探头用于多点水位数据采集，水槽实验时所述的方法包括以下步骤：
a.利用CCD相机云台将CCD相机固定于移动测车上，并调整使CCD相机保持水平；
b.安装四个超声水位探头，测量超声水位探头与CCD相机云台间的距离，进行间距调整，并使所有超声水位探头与CCD相机云台保持在同一轴线上；
c.将安装了超声水位探头与CCD相机的移动测车移动到需要测量的水槽断面处，在水位系统中对超声水位探头进行标定，确定每个超声水位探头电压正常，且基准水位值相同，在流速场系统中对相机拍摄的物理空间进行标定，在一个时间段内设定多次拍摄流速场；
d.启动水泵提升至实验预设流量，将水槽尾门调至实验所设的水位值后，等待20～40min使水位稳定，在水位系统中采集1～2min不同超声水位探头下的水位值，同时利用CCD相机对所在剖面进行连续拍摄，所得即为同一剖面上的流场及丁坝或方柱圆柱模型近区特殊流速点的水位值；
e.将移动测车沿导轨移动至下一断面，重复上述水位值及对应流速值的采集步骤。
4.根据权利要求3所述的同步测量复杂流动中的流速及多点水位的装置的方法，其特征在于，对所述的步骤d中同时间段内测量的水位值与流速值取平均值，用于消除外界瞬时干扰或不稳定因素从而得到特定点流速与水位的相关关系。
5.根据权利要求3所述的同步测量复杂流动中的流速及多点水位的装置的方法，其特征在于，所述的同时段内多点水位值的采集操作在实验过程中一直进行，直至流速测量结束后方停止。
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