CN106771341A - 流速传感器、流速流向测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种流速传感器、流速流向测定装置及方法。第一流水构件内径大于和空心管的内径，使得较大断面的液体流经较小直径的空心管，将液体流速进行放大，从而使得感应器能较为准确的测出液体流速信号。流速流向测定装置使用姿态传感器及多个流速传感器，分别采集方位信号与流速信号，处理后得到液体的流向参数和流速参数。应用于地下水测速领域，解决了现有的测速设备实用性低和对环境污染大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质参数监测领域，具体而言，涉及一种流速传感器、流速流向测定装置及方法。
背景技术
地下水钻孔空间较为狭小，一般钻孔直径63mm-159mm或更小，地下水流速极为缓慢，如孔隙含水层地下水渗透流速为数米/天(0.01mm/s)或更低。现有的水流水速测量装置主要有旋桨式测速仪、多普勒测速仪、超声波流速仪、成像技术流速仪、放射性伽马仪等。由于地下水钻孔空间狭小，旋浆式流速仪直径大于10cm，难以满足钻孔空间的使用需求；超声波流速仪和多普勒流速仪一般要求流速大于20cm/s，而地下水流速极为缓慢，不能满足地下水渗透流速测量要求；成像技术流速仪利用水中悬浮颗粒成像，进行图像识别并测定地下水流速，但地下水一般极为干净，很少有可以达到成像的悬浮颗粒，实用性受到极大的影响；采用放射性物质示踪方法的伽马仪测定地下水渗透流速，常用的示踪剂为放射性I131(半衰期8.3天)作为示踪剂，对人体安全和地下水污染极大，并由此产生一系列环境问题，目前国家明令禁止任何使用放射性同位素示踪方法。因此，目前没有一种兼具实用性和环保性的地下水流速流向测量仪器。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种流速传感器、流速流向测定装置及方法，以提供一种兼具实用性和环保性的地下水流速流向测量仪器及方法。
第一方面，提供一种流速传感器，流速传感器包括用于流经液体的空心管，空心管两端分别为第一端和第二端；第一端设置有第一流水构件，第二端设置有第二流水构件，第一流水构件的内径大于空心管内径；流速传感器还包括数据输出单元、可在第一端和第二端之间移动的活动件、用于采集活动件位移时间参数的第一感应器和第二感应器，数据输出单元分别与第一感应器和第二感应器耦合,数据输出单元用于输出活动件位移时间参数。
在本发明较佳的实施例中，第一端设置有用于限制活动件移出空心管腔体的第一限位件，第二端设置有用于限制活动件移出空心管腔体的第二限位件。
在本发明较佳的实施例中，活动件为磁性材质，第一端设置有用于使活动件复位的第一电磁铁和/或第二端设置有用于使活动件复位的第二电磁铁。
在本发明较佳的实施例中，空心管第一端和第二端之间设置有第三电磁铁，在第三电磁铁靠近第一端的一侧设置有第三感应器，在第三电磁铁靠近第二端的一侧设置有第四感应器，第三感应器和第四感应器分别与数据输出单元耦合。
在本发明较佳的实施例中，空心管为透明材质，第一感应器、第二感应器、第三感应器以及第四感应器均为光电传感器。
第二方面，提供一种流速流向测定装置，包括数据采集模块、处理器以及人机交互模块；人机交互模块包括输出设备和输入设备，输出设备、输入设备均与处理器耦合；数据采集模块包括姿态传感器以及多个流速传感器。流速传感器包括用于流经液体的空心管，空心管两端分别为第一端和第二端；第一端设置有第一流水构件，第二端设置有第二流水构件，第一流水构件的内径大于空心管内径；流速传感器还包括数据输出单元、可在第一端和第二端之间移动的活动件、用于采集活动件位移时间参数的第一感应器和第二感应器，数据输出单元分别与第一感应器和第二感应器耦合,数据输出单元用于输出活动件位移时间参数。流速传感器和姿态传感器分别与处理器耦合。
在本发明较佳的实施例中，多个流速传感器中至少一个流速传感器与至少另一个流速传感器之间设置有夹角。
第三方面，提供一种流速流向测定装置，包括数据采集模块、处理器以及人机交互模块；人机交互模块包括输出设备和输入设备，输出设备、输入设备均与处理器耦合；数据采集模块包括姿态传感器以及多个流速传感器。流速传感器包括用于流经液体的空心管，空心管两端分别为第一端和第二端；第一端设置有第一流水构件，第二端设置有第二流水构件，第一流水构件的内径大于空心管内径；流速传感器还包括数据输出单元、可在第一端和第二端之间移动的活动件、用于采集活动件位移时间参数的第一感应器和第二感应器，数据输出单元分别与第一感应器和第二感应器耦合,数据输出单元用于输出活动件位移时间参数。第一端设置有用于限制活动件移出空心管腔体的第一限位件，第二端设置有用于限制活动件移出空心管腔体的第二限位件。活动件为磁性材质，第一端设置有用于使活动件复位的第一电磁铁和/或第二端设置有用于使活动件复位的第二电磁铁。空心管第一端和第二端之间设置有第三电磁铁，在第三电磁铁靠近第一端的一侧设置有第三感应器，在第三电磁铁靠近第二端的一侧设置有第四感应器，第三感应器和第四感应器分别与数据输出单元耦合。上述流速传感器和姿态传感器分别与处理器耦合。
在本发明较佳的实施例中，多个流速传感器中至少一个流速传感器与至少另一个流速传感器之间设置有夹角。
第四方面，一种流速流向测定方法，涉及上述流速流向测定装置，方法包括：数据采集模块采集位移时间参数信号和方位信号，流速传感器经由数据输出单元将采集到的位移时间参数信号传输至处理器，姿态传感器经由数据输出单元将采集到的方位信号传输至处理器；处理器根据位移时间参数信号和方位信号计算出流速参数和流向参数；处理器控制人机交互模块输出流速参数和流向参数。
相较于现有技术，本发明提供一种流速传感器、流速流向测定装置及方法。第一流水构件内径大于空心管内径，使得较大断面的液体流经较小直径的空心管，将液体流速进行放大，从而使得感应器能较为准确的测出液体流速信号。流速流向测定装置使用姿态传感器及多个流速传感器，分别采集方位信号与流速信号，处理后得到液体的流向参数和流速参数。应用于地下水测速领域，解决了现有的测速设备实用性低和对环境污染大的问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的一种流速传感器的结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的另一种流速传感器的结构示意图。
图3为本发明第一实施例提供的再一种流速传感器的结构示意图。
图4为本发明第一实施例提供的流速传感器中第一感应器、第二感应器与数据输出单元的连接结构框图。
图5为本发明第二实施例提供的一种流速传感器的结构示意图。
图6为本发明第二实施例提供的流速传感器中第一感应器、第二感应器、第三感应器、第四感应器与数据输出单元的连接结构框图。
图7为本发明第三实施例提供的一种流速流向测定装置的结构框图。
图8为本发明第三实施例提供的一种流速流向测定装置中流速传感器的相对位置关系示意图。
图9为本发明第三实施例提供的另一种流速流向测定装置中流速传感器的相对位置关系示意图。
图10为本发明第三实施例提供的再一种流速流向测定装置中流速传感器的相对位置关系示意图。
图11为本发明第四实施例提供的流速流向测定方法的流程图。
图标：100-流速传感器；110-空心管；102-第一端；104-第二端；106-第一流水构件；108-第二流水构件；112-第一限位件；114-第二限位件；116-第一感应器；118-第二感应器；122-第一电磁铁；124-第二电磁铁；126-活动件；128-数据输出单元；200-流速传感器；210-空心管；202-第一端；204-第二端；206-第一流水构件；208-第二流水构件；212-第一限位件；214-第二限位件；216-第一感应器；218-第二感应器；224-第二电磁铁；226-第三电磁铁；228-第三感应器；232-第四感应器；234-活动件；236-数据输出单元；300-流速流向测定装置；310-数据采集模块；312-流速传感器；320-处理器；330-人机交互模块；402-存储器；403-存储控制器；405-网络模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供一种流速传感器、流速流向测定装置及方法，主要应用于液体测速、测向，特别是流速极为缓慢的地下水测速、测向。下面对流速传感器、流速流向测定装置及方法通过具体实施例进行详细说明。
第一实施例
请参考图1，本发明实施例提供了一种流速传感器100，包括空心管110、活动件126、第一限位件112、第二限位件114、第一流水构件106、第二流水构件108、第一感应器116、第二感应器118、第一电磁铁122、第二电磁铁124以及数据输出单元128。
空心管110两端分别为第一端102和第二端104。假定第一端102作为液体流入端，则第一端102设置有第一流水构件106，第二端104设置有第二流水构件108。第一流水构件106包括通孔，该通孔直径即为第一流水构件106内径，第一流水构件106内径大于空心管110内径，使得较大截面的液体能通过较小孔径的空心管110，从而放大了液体流速，便于测量。第二流水构件108包括用于流经液体的通孔。
需要说明，第一流水构件106和第二流水构件108中，位于液体流入一端的第一流水构件106内径大于空心管110内径，液体流出一端的第二流水构件108的内径可大于、小于或者等于空心管110内径。当第二流水构件108的内径大于空心管110内径时，液体也可从第二端104流入，第一端102流出。
空心管110内部设置有活动件126，该活动件126能随着液体的流动，相对空心管110的径向发生位移。为防止活动件126移出空心管110腔体，在空心管110第一端102设置有第一限位件112，在空心管110第二端104设置有第二限位件114。在一种实施方式中，第一限位件112为空心螺母，该空心螺母的内径小于空心管110内径，也小于活动件126直径，使得活动件126无法从第一端102移出；第二限位件114为空心螺母，该空心螺母的内径小于空心管110内径，也小于活动件126直径，使得活动件126无法从第二端104移出。除此之外，空心螺母也可为其他结构，只要能限制活动件126移出空心管110，也不限制液体通过即可，如网状结构等。
空心管110长度为固定值，则活动件126随着液体移动的距离为固定值，若获得活动件126位移的时间，则可计算出空心管110内液体流动的速度。根据空心管110直径与用于流入液体的第一流水构件106或第二流水构件108内径之比，可计算出实际液体流动速度。
因此，获得活动件126移动一定距离所耗费的时间，即采集位移时间参数。在空心管110外侧设置有第一感应器116和第二感应器118，分别采集活动件126通过第一感应器116对应的空心管110位置的时间以及活动件126通过第二感应器118对应的空心管110位置的时间。第一感应器116和第二感应器118间距离一定。在一种实施方式中，空心管110为玻璃、亚克力、塑料等透明材料制成，则第一感应器116、第二感应器118可为光电传感器。此外，第一感应器116和第二感应器118可以为红外传感器及其他传感器，这里感应器的种类及空心管110的材质均只是一种实施方式而已，并不对本发明的保护范围产生限定。
在实际的使用中，需要手动恢复活动件126的位置，以防止活动件126位于第二端104而液体从第一端102流至第二端104时，无法测量液体流速的问题。为了方便使用，可使用磁性材料制作活动件126，优选的，该磁性材质为具有强磁性的铷磁铁，在空心管110外侧设置电磁铁，通过为电磁铁通电，使得活动件126移动到初始位置。
图1为一种实施方式，在空心管110外侧靠近第二端104处设置有第二电磁铁124，当为第二电磁铁124通电时，利用第二电磁铁124与活动件126之间的同极斥力，使得活动件126位移至靠近第一端102处。
请参考图2，相应地，也可在空心管110外侧靠近第一端102处设置第一电磁铁122，当为第一电磁铁122通电时，利用第一电磁铁122与活动件126之间的异极吸引力，使得活动件126位移至靠近第一端102的第一电磁铁122处。
请参考图3，为增强对活动件126施加的磁力，还可同时设置第一电磁铁122和第二电磁铁124，当对第一电磁铁122和第二电磁铁124通电时，利用第一电磁铁122与活动件126之间的异极吸引力，利用第二电磁铁124与活动件126之间同极斥力，使得活动件126更快、更稳定地位移至靠近第一端102的第一电磁铁122处。
需要说明，当液体从第二端104流入，第一端102流出时，只需改变上述第一电磁铁122、第二电磁铁124的电流方向，即可改变电磁铁极性，使得活动件126复位至靠近第二端104处。
请参考图4，设置数据输出单元128，用于输出第一感应器116、第二感应器118、采集到的位移时间参数。数据输出单元128可为与第一感应器116、第二感应器118耦合的通讯接口，如485通讯接口、232通讯接口等，也可为与第一感应器116、第二感应器118耦合的通讯模块，如GSM模块、蓝牙模块、GPRS模块等。
实验表明，5mm内径中空管，活动件126(铷磁铁直径5mm，长度2.7mm)，在地下水渗流速度1m/天(0.01mm/s)，实际误差小于3％，足以满足地下水流速检测要求。
整体而言，本实施例提供的流速传感器100包括较大内径的第一流水构件106、第二流水构件108，还包括较小内径的空心管110，能够使原截面较大的液体于较小内径的空心管110内流动，放大液体流速；在空心管110内设置活动件126，利用第一感应器116和第二感应器118测定活动件126通过的时间，可计算出空心管110内液体流速，进而计算实际液体流速；活动件126由磁性材料制成，设置第一电磁铁122和/或第二电磁铁124，可便捷地复位活动件126；设置数据输出单元128，可输出第一感应器116和第二感应器118采集到的活动件126的位移时间参数。此外，应用于地下水测速，该流速传感器100具有较好的实施效果。
第二实施例
请参考图5，本实施例提供了一种流速传感器200，该流速传感器200包括空心管210、活动件234、第一限位件212、第二限位件214、第一流水构件206、第二流水构件208、第一感应器216、第二感应器218、第一电磁铁、第二电磁铁224以及数据输出单元236，还包括第三电磁铁226、第三感应器228以及第四感应器232。
空心管210两端分别为第一端202和第二端204。第一端202设置有第一流水构件206，第二端204设置有第二流水构件208。第一流水构件206包括通孔，该通孔直径即为第一流水构件206内径，第一流水构件206内径大于空心管210内径；第二流水构件208包括通孔，该通孔直径即为第二流水构件208内径，第二流水构件208内径大于空心管210内径。不论液体从第一流水构件206流入，还是从而第二流水构件208流入，均可使得较大截面的液体能通过较小孔径的空心管210，从而放大了液体流速，也便于测量。
空心管210内部设置有活动件234，该活动件234能随着液体的流动，相对空心管210的径向发生位移。为防止活动件234移出空心管210腔体，在空心管210第一端202设置有第一限位件212，在空心管210第二端204设置有第二限位件214。在一种实施方式中，第一限位件212为空心螺母，该空心螺母的内径小于空心管210内径，也小于活动件234直径，使得活动件234无法从第一端202移出；第二限位件214为空心螺母，该空心螺母的内径小于空心管210内径，也小于活动件234直径，使得活动件234无法从第二端204移出。除此之外，空心螺母也可为其他结构，只要能限制活动件234移出空心管210，也不限制液体通过即可，如网状结构等。
若已知活动件234随着液体移动的距离，若获得活动件234位移的时间，则可计算出空心管210内液体流动的速度。再根据空心管210直径与用于进水的第一流水构件206或第二流水构件208的内径之比，可计算出液体实际的流动速度。
在空心管210外侧设置第一感应器216、第二感应器218，第一感应器216和第二感应器218之间的距离不变，当活动件234通过第一感应器216时，第一感应器216发送信号；当活动件234通过第二感应器218时，第二感应器218发送信号。两个感应器发送的信号之间具有时间间隔，因而可以获得活动件234通过第一感应器216和第二感应器218之间所需的时间。
在使用流速传感器200之前，应对活动件234进行复位操作，以防止活动件234位于第二端204，而液体从第一端202流至第二端204；或者活动件234位于第一端202，而液体从第二端204流至第一端202，液体流速无法测量的问题。这里使用磁性材料制作活动件234，优选的，该磁性材质为具有强磁性的铷磁铁，在空心管210外侧设置电磁铁，通过为电磁铁通电，使得活动件234移动到初始位置。
在对流速缓慢的液体进行测速时，难以直接观测出液体流向，比如液体从第二端204流入，第一端202流出时，可能将活动件234复位至第一端202，导致无法测速，应重新复位。
因此，在一种实施方式中，相较于在第一实施例的流速传感器100中仅设置第一电磁铁和第二电磁铁124，本实施例的流速传感器200设置有第一电磁铁、第二电磁铁224以及第三电磁铁226。第三电磁铁226设置于第一电磁铁和第二电磁铁224之间。此外，在第三电磁铁226靠近第一端202的一侧设置有第三感应器228，在第三电磁铁226靠近第二端204的一侧设置有第四感应器232。
通过第一电磁铁、第二电磁铁224、第三电磁铁226的配合，可将活动件234复位至第三电磁铁226处，当液体从第一端202流入，通过第四感应器232和第二感应器218获得活动件234的位移时间参数；当液体从第一端202流入，通过第一感应器216和第三感应器228获得活动件234的位移时间参数。这样，不论液体从第一端202流入还是从第二端204流入，均可测量液体流速。
需要说明，这里第三电磁铁226为必要组件，第一电磁铁、第二电磁铁224可任意设置，即均不设置、任意择一设置或者均设置共四种实施方式。
在一种实施方式中，空心管210为玻璃、亚克力、塑料等透明材料制成，则第一感应器216、第二感应器218、第三感应器228以及第四感应器232可为光电传感器。此外，第一感应器216和第二感应器218也可以为红外传感器及其他传感器，这里感应器的种类及空心管210的材质均只是实施方式而已，并不对本发明的保护范围产生限定。
请参考图6，设置数据输出单元236，用于输出第一感应器216、第二感应器218、第三感应器228、第四感应器232采集到的位移时间参数。数据输出单元236可为与第一感应器216、第二感应器218、第三感应器228、第四感应器232耦合的通讯接口，如485通讯接口、232通讯接口等，也可为与第一感应器216、第二感应器218、第三感应器228、第四感应器232耦合的通讯模块，如GSM模块、蓝牙模块、GPRS模块等。
实验表明，5mm内径中空管，活动件234(铷磁铁直径5mm，长度2.7mm)，在地下水渗流速度1m/天(0.01mm/s)，实际误差小于3％，足以满足地下水流速检测要求。
整体而言，本实施例提供的流速传感器200包括较大内径的第一流水构件206、第二流水构件208，还包括较小内径的空心管210，能够使原截面较大的液体于较小内径的空心管210内流动，从而放大液体流速；在空心管210内设置活动件234，活动件234由磁性材料制成，设置第一电磁铁和/或第二电磁铁224，还设置位于第一电磁铁和第二电磁铁224之间的第三电磁铁226，可便捷地将活动件234复位于第三电磁铁226处；在第三电磁铁226两侧分别设置第三感应器228和第四感应器232，当液体从第一端202流入，可利用第一感应器216、第三感应器228测定活动件234通过的时间，当液体从第二端204流入，可利用第二感应器218、第四感应器232测定活动件234通过的时间，进而计算出空心管210内液体流速，最终计算实际液体流速；设置数据输出单元236，可输出第一感应器216、第二感应器218、第三感应器228、第四感应器232采集到的活动件234的位移时间参数。应用于地下水流测速，该流速传感器200具有较好的实施效果。
第三实施例
图7示出了一种流速流向测定装置300。流速流向测定装置300包括存储器402、存储控制器403和网络模块405，还包括数据采集模块310、处理器320以及人机交互模块330。
存储器402、存储控制器403、处理器320、网络模块405、数据采集模块310、人机交互模块330各元件之间直接或间接地电连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间可以通过一条或多条通讯总线或信号总线实现电连接。所述流速流向测定方法分别包括至少一个可以以软件或固件(firmware)的形式存储于存储器402中的软件功能模块，例如流速流向测定装置300包括的软件功能模块或计算机程序。
存储器402可以存储各种软件程序以及模块，如本申请实施例提供的装置及方法对应的程序指令/模块。处理器320通过运行存储在存储器402中的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本申请第四实施例中的流速流向测定方法。存储器402可以包括但不限于随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(ReadOnly Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。
网络模块405用于接收以及发送网络信号。上述网络信号可包括无线信号或者有线信号。
数据采集模块310包括姿态传感器以及多个流速传感器312，流速传感器312和姿态传感器分别与处理器320耦合。
流速传感器312有多种摆放方式。多个流速传感器312中至少一个流速传感器312与至少另一个流速传感器312之间设置有夹角。下面给出几种实施方式。
请参考图8和图9，在一种实施方式中，设置四个流速传感器312，令姿态传感器指向0°，则四个流速传感器312的进水方向分别为0°、90°、180°以及270°。
请参考图10，在一种实施方式中，设置八个流速传感器312，令姿态传感器指向0°，则八个流速传感器312的进水方向分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°。设置八个流速传感器312所获得的时间参数更多，较之设置四个流速传感器312，可得出更加准确的液体流速流向计算结果。
此外，可设定与姿态传感器指向有一定夹角的方向为0°，还可改变流速传感器312的数量及方向。上述两种方式仅使得流速流向的算法较为简单，并不对专利保护范围产生限定。
流速传感器312可采用第一实施例中的流速传感器100，也可采用第二实施例中的流速传感器200。第一实施例中流速传感器100的数据输出单元128用于与处理器320耦合，或者第二实施例中流速传感器200的数据输出单元236用于与处理器320耦合。耦合方式可以是有线连接，也可以是无线连接。为了说明方便，后文所述流速传感器312及其组件均可指代第一实施例中的流速传感器100及其组件，也可指代第二实施例中的流速传感器200及其组件，将不再标号具体说明。但需要说明，后文所述流速传感器312及其组件应全为第一实施例中的流速传感器100及其组件，或者全为第二实施例中的流速传感器200及其组件。
人机交互模块330包括输出设备和输入设备，输出设备、所述输入设备均与处理器320耦合。耦合方式可以为无线连接或有线连接。输出设备可以提供一个与用户之间进行交互的界面(例如用户操作界面)或用于显示图像数据给用户参考。例如，可以显示流速信息。输出设备可以为装置本身的显示装置，如CRT、LED、ELD、电子纸以及电子墨水、PDP、LCD、TFT、OLED、SED等显示器，也可以为装置本身的语音播报设备，如扬声器等，此外，还可以为具有如蓝牙、WiFi、GPRS、GSM等硬件模块的移动终端等。输入设备可以为触摸屏、实体按键、进行语音输入的麦克风等，还可以为具有如蓝牙、WiFi、GPRS、GSM等硬件模块的移动终端等。输入设备主要用于进行对流速传感器312的复位进行操作，输出设备主要输出经处理器320处理后的液体流速和流向参数。
处理器320可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器320可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器320(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
处理器320包括多个模拟差分信号采集输入端口，一个数字信号采集端口，多个I/O输出端口。每个模拟差分信号采集端口分别与流速传感器312的感应器耦合，数字信号采集端口与姿态传感器耦合，I/O输出端口与输入设备、输出设备耦合。
此外，处理器320还可设置无线通信模块，如蓝牙、GPRS、GSM、WiFi等，实现与输入设备、输出设备的无线连接。
处理器320接收数据采集模块310发送的位移时间参数信号以及方位信号，并根据内置算法，计算每一路位移时间参数信号对应的液体流速参数；根据各个方向的流速参数，可计算出实际流速参数；根据多个方向流速参数和方位信号，根据内置算法，计算出实际的流向参数。
处理器320与人机交互模块330耦合，发送计算出的流速和流向参数到输出设备并控制输出设备输出流速参数和流向参数，接收输入设备输入的操作指令，并控制流速传感器312中电磁铁的电流通断和电流方向。
整体而言，本实施例提供了一种流速流向测定装置300，包括数据采集模块310、处理器320和人机交互模块330，数据采集模块310包括采集方位信号的姿态传感器和采集位移时间参数的多个流速传感器312，人机交互模块330包括输入设备和输出设备，姿态传感器和多个流速传感器312分别与处理器320耦合，输入设备、输出设备分别与处理器320耦合。数据采集模块310采集位移时间参数信号、方位信号并传输至处理器320，处理器320对时间参数信号、方位信号进行处理后，得到液体流速信号和流向信号，并控制输出设备输出流速信号和流向信号；输入设备传输复位信号至处理器320，处理器320控制流速传感器312中电磁铁的电流通断和方向，实现复位。
第四实施例
请参考图11，本实施例提供了一种流速流向测定方法，涉及到第三实施例中的流速流向测定装置。包括：
步骤S510：数据采集模块采集位移时间参数信号和方位信号，流速传感器经由数据输出单元将采集到的位移时间参数信号传输至处理器，姿态传感器经由数据输出单元将采集到的方位信号传输至处理器。
步骤S520：处理器根据位移时间参数信号和方位信号计算出流速参数和流向参数。
下面以第三实施例中图9表示的流速流向测定装置为例，介绍根据位移时间参数信号和方位信号计算流速参数和流向参数的具体步骤。
首先介绍流速测定。当一定流量流体通过不同的断面时，其流速会发生相应的变化，流速变化比率为通过断面面积之比。地下水渗透流速较为缓慢(一般为0.01mm/s或更小)。
水流通过流速传感器的流水构件处时，进水口时的孔径为D，通过空心管管内径为d，水流通过中空管流速V与通过流水构件的流速v之比K＝V/v＝D2/d2，因此通过此结构将测量的流速放大K倍。
由于测量流速放大到足够的大时，其可推动中空管内活动件移动，通过测量活动件单位时间运动的距离，确定中空管内水流速度V，从而确定地下水渗流速度v＝V/K，即地下水渗透流速v＝V/K＝V/(D2/d2)。从而计算出至少一个不为0的地下水渗透流速v，每一个v都与相应的流速传感器对应。
下面介绍方向测定。水流流速为矢量V，其可以分解V1、V2流速矢量，V1、V2即为上面求得的流速。
假设水流流向介于图9中任意两个进水口相邻的流速传感器之间，并与0°方向流速传感器间夹角呈θ进入仪器，两个流速传感器的流速为V1和V2，V1和V2为矢量，因此V＝V1+V2，即水流速V＝√(V12+V22)。水流方向与1#流速传感器夹角θ＝arctan(V2/V1)。
通过姿态传感器，确定的0°方向流速传感器与正北方向夹角为Φ，那么地下水流向α＝Φ+θ+180°(当α>360°时，α＝α-360°)。
由于不同的姿态传感器方位表示方法不一样，流速传感器的数量和位置也不一致，流向计算方法可根据上述原理适当调整。
步骤S530：处理器控制人机交互模块输出流速和流向参数。
除此之外，人机交互模块也能对流速传感器进行控制，使得流速传感器中的活动件复位，便于测速。人机交互模块发送控制信号至处理器，处理器控制流速传感器进行处理。
综上所述，本发明提供一种流速传感器、流速流向测定装置300及方法。第一流水构件内径大于空心管内径，使得较大断面的液体流经较小直径的空心管，将液体流速进行放大，从而使得感应器能较为准确的测出液体流速信号。流速流向测定装置300使用姿态传感器及多个流速传感器312，分别采集方位信号与流速信号，处理后得到液体的流向参数和流速参数。应用于地下水测速领域，解决了现有的测速设备实用性低和对环境污染大的问题。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种流速传感器，其特征在于，所述流速传感器包括用于流经液体的空心管，所述空心管两端分别为第一端和第二端；所述第一端设置有第一流水构件，所述第二端设置有第二流水构件，所述第一流水构件的内径大于所述空心管内径；
所述流速传感器还包括数据输出单元、可在所述第一端和所述第二端之间移动的活动件、用于采集所述活动件位移时间参数的第一感应器和第二感应器，所述数据输出单元分别与所述第一感应器和第二感应器耦合,所述数据输出单元用于输出所述活动件位移时间参数。
2.根据权利要求1所述的流速传感器，其特征在于，所述第一端设置有用于限制所述活动件移出所述空心管腔体的第一限位件，所述第二端设置有用于限制所述活动件移出所述空心管腔体的第二限位件。
3.根据权利要求2所述的流速传感器，其特征在于，所述活动件为磁性材质，所述第一端设置有用于使所述活动件复位的第一电磁铁和/或所述第二端设置有用于使所述活动件复位的第二电磁铁。
4.根据权利要求3所述的流速传感器，其特征在于，所述空心管第一端和第二端之间设置有第三电磁铁，在所述第三电磁铁靠近所述第一端的一侧设置有第三感应器，在所述第三电磁铁靠近所述第二端的一侧设置有第四感应器，所述第三感应器和所述第四感应器分别与所述数据输出单元耦合。
5.根据权利要求4所述的流速传感器，其特征在于，所述空心管为透明材质，所述第一感应器、所述第二感应器、所述第三感应器以及所述第四感应器均为光电传感器。
6.一种流速流向测定装置，其特征在于，包括数据采集模块、处理器以及人机交互模块；
所述人机交互模块包括输出设备和输入设备，所述输出设备、所述输入设备均与所述处理器耦合；
所述数据采集模块包括姿态传感器以及多个权利要求1中所述的流速传感器，所述流速传感器和所述姿态传感器分别与所述处理器耦合。
7.根据权利要求6所述的流速流向测定装置，其特征在于，多个所述流速传感器中至少一个所述流速传感器与至少另一个所述流速传感器之间设置有夹角。
8.一种流速流向测定装置，其特征在于，包括数据采集模块、处理器以及人机交互模块；
所述人机交互模块包括输出设备和输入设备，所述输出设备、所述输入设备均与所述处理器耦合；
所述数据采集模块包括姿态传感器以及多个权利要求4中所述的流速传感器，所述流速传感器和所述姿态传感器分别与所述处理器耦合。
9.根据权利要求8所述的流速流向测定装置，其特征在于，多个所述流速传感器中至少一个所述流速传感器与至少另一个所述流速传感器之间设置有夹角。
10.一种流速流向测定方法，其特征在于，应用于权利要求6-9中任意一项所述的流速流向测定装置，所述方法包括：
数据采集模块采集流速信号和方位信号，所述流速传感器经由所述数据输出单元将采集到的位移时间参数信号传输至所述处理器，所述姿态传感器经由所述数据输出单元将采集到的方位信号传输至所述处理器；
所述处理器根据所述位移时间参数信号和所述方位信号计算出流速参数和流向参数；
所述处理器控制所述人机交互模块输出所述流速参数和流向参数。
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| GR01 | Patent grant | ||
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