CN107044875B - 一种流量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流量测量方法，将测量断面划分为n个测量区域，获取每个测量区域的断面面积Sn，获取测速垂线上的平均流速Vpn，获取测量断面的边坡系数m，基于所述断面面积Sn、所述测速垂线上的平均流速Vpn以及边坡系数m获取所述测量断面的平均流速Q。与现有技术相比，本发明具有操作方便、测量周期短、测量精度高、不受液体成分限制等优点。

Description

一种流量测量方法
技术领域
本发明属于泥浆、水等液体流量测量技术领域，具体涉及一种流量测量方法。
背景技术
现有的对渠道表面流速进行测量的便携式测量仪，根据雷达模块所发射的雷达波以及波浪反射回来的雷达波即可计算出表面流速，能够以非接触方式测量表面流速，不受液面条件的影响，即使在高速水流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥浆的情况下均可实现精准测量。
但是，上述现有技术每次只能测量单个表面流速，流速数据必须存储后续分析，不能立即现场得出结果，不具备将多个表面流速综合计算出断面流量等数据信息的功能，为了满足用户的使用需求，本发明提出了一种流量测量方法。
发明内容
针对上述现有技术的缺点或不足，本发明要解决的技术问题是提供一种操作方便、测量周期短、测量精度高、不受液体成分限制的流量测量方法。
为解决上述技术问题，本发明具有如下构成：
一种流量测量方法，将测量断面划分为n个测量区域，获取每个测量区域的断面面积Sn，获取测速垂线上的平均流速Vpn，获取测量断面的边坡系数m，基于所述断面面积Sn、所述测速垂线上的平均流速Vpn以及边坡系数m获取所述测量断面的平均流速Q。
获取所述测量断面的表面平均流速V水，基于所述表面平均流速V水获取测速垂线上的平均流速Vpn。
由所述表面平均流速V水获取所述测速垂线上的平均流速Vpn的计算公式为，
其中，B为测量断面的底部宽度，H为测量断面的水深。
获取所述测量断面的表面流速V，基于所述表面流速V获取表面平均流速V水。
获取雷达波的入射角θ，获取从空中向液体表面发射的雷达波f与反射回去的雷达波f′之间的多普勒频差fd，基于所述入射角θ以及多普勒频差fd获取测量断面的表面流速V。
基于所述入射角θ以及多普勒频差fd获取测量断面的表面流速V的计算公式为：
其中，多普勒频差fd＝|f-f′|，c为雷达波在空气中的传播速度。
获取相邻测量点之间的宽度Wn以及水深H，基于所述宽度Wn以及水深H获取每个测量区域的断面面积Sn。
所述断面面积Sn采用积分面积计算法获取。
所述测量断面的平均流速Q满足如下公式：
Q＝m*S1*Vp1+S2*(Vp2+Vp1)/2+S3*(Vp2+Vp3)/2+……+S(n-1)*(Vp(n-2)+Vp(n-1))/2+m*Sn*Vpn。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明采用非接触式测量系统对断面流量进行测量，操作方便、测量周期短、测量精度高、不受液体成分限制，应用前景广阔，可以根据测量断面的表面流速最终输出测量断面的实时断面流量。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1：本发明中梯形渠道断面的流量测量示意图；
图2：本发明中手持式表面流速仪的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
本发明流量的测量方法，首先通过从空中向液面发射35GHz频率的雷达波f，渠道液体表面将雷达波反射回雷达接收天线，因为渠道中的液体有流速，因此反射回去的雷达波f′与发射的雷达波f之间存在一个多普勒频差fd：
fd＝|f-f′|，
获取雷达波的入射角θ，基于所述入射角θ以及所述多普勒频差fd获取测量断面的表面流速V，
通过所述测量断面的表面流速V获取表面平均流速V水。手持式表面流速仪(见下文描述)对某个区域的水面进行60秒或90秒的连续测量，然后得到此处水面的表面平均流速V水，如将单位时间内测量的表面流速V，去掉最大值和最小值，然后取中间值的平均值，即可得到所述表面平均流速V水。
通过所述测量断面的表面平均流速V水获取测速垂线上的平均流速Vpn。首先根据待测断面的形状信息，底部及边坡材质，渠道坡度等信息，运用计算流体力学的方法建立三维水动力学数学模型，分析不同待测渠道的底部宽度B、边坡系数m、水深H、糙率和坡度条件下断面的流速分布特征，并据此探索表面特征点流速与平均流速的关系。根据不同影响因素的组合确定计算工况，并运用量纲分析与曲线拟合相关性分析等理论研究表面平均流速V水与平均流速Vpn的关系，得出给定断面不同形状、尺寸以及糙率条件下，
其中，B为测量断面的底部宽度，H为测量断面的水深。
获取相邻测量点之间的宽度Wn以及水深H，基于所述宽度Wn以及水深H可获取每个测量区域的断面面积Sn，常见的渠道断面如矩形断面、梯形断面、U型或三角形断面等规则形状，当所述渠道断面为不规则形状时，所述断面面积Sn可采用积分面积计算法获取，下文所述的非接触式测量系统支持特殊形状描点输入。
如图1所示，将测量断面划分为n个测量区域，通过上述测量方法获取每个测量区域的断面面积Sn，并获取测速垂线上的平均流速Vpn，获取测量断面的边坡系数m，基于所述断面面积Sn、所述测速垂线上的平均流速Vpn以及边坡系数m获取所述测量断面的平均流速Q。
所述测量断面的边坡系数m的取值是根据边坡的材质决定的，例如，土渠的边坡系数m为0.65-0.7，石头渠道的边坡系数m为0.8，光滑渠道的边坡系数m为0.9。
所述测量断面的平均流速Q满足如下公式：
Q＝m*S1*Vp1+S2*(Vp2+Vp1)/2+S3*(Vp2+Vp3)/2+……+S(n-1)*(Vp(n-2)+Vp(n-1))/2+m*Sn*Vpn。
如图1所示，当所述测量区域的划分个数为7且截面为梯形结构时，所述测量断面的平均流速Q满足如下公式：
Q＝m*S1*Vp1+S2*(Vp2+Vp1)/2+S3*(Vp2+Vp3)/2+……+S6*(Vp5+Vp6)/2+m*S7*Vp7。
所述测量区域的划分个数可以根据实际渠道的截面类型，进行合理划分。
本申请一种流量测量方法的实际应用场景如图2所示，非接触式流量测量系统包括手持式表面流速仪以及手机或平板电脑组成，所述手持式表面流速仪与手机或平板电脑通过WIFI、蓝牙等方式实现无线通信。
手持式表面流速仪包括雷达模块、MCU模块、显示模块以及电池手柄模块。
所述雷达模块，用于向渠道液面发送雷达波f，并接收来自所述渠道液面反射回来的雷达波f′，根据所述雷达波f以及所述雷达波f′以产生一多普勒频差fd，其中fd＝|f-f′|。
所述雷达模块包括天线、收发机和信号放大板，其中，所述天线和所述收发机用于发送发射的雷达波f并接受经液面反射回来的雷达波f′，从而产生多普勒频差fd，所述信号放大板接收所述频差并进行放大和滤波，从而输出所述多普勒频差信号。
所述MCU模块，与所述雷达模块相连接，所述MCU模块用于获取发射的雷达波与入射液面的雷达入射角θ，并结合所接收的所述多普勒频差fd，输出一表面流速V，且所述表面流速V满足，
其中，c为雷达波在空气中的传播速度。
所述MCU模块包括信号处理单元和通信单元，所述信号处理单元对所述多普勒频差信号进行放大和采用，并计算得到所述表面流速V和表面平均流速V水，经表面平均流速V水计算测速垂线上的平均速度Vpn，并计算流体的断面流量Q，
Q＝m*S1*Vp1+S2*(Vp2+Vp1)/2+S3*(Vp2+Vp3)/2+……+S(n-1)*(Vp(n-2)+Vp(n-1))/2+m*Sn*Vpn；
所述通信单元通过光耦、串行接口或并行接口与所述雷达模块以及所述显示模块进行数据传输和控制，所述通信单元优选为WIFI、蓝牙等无线通讯方式。
所述显示模块，与所述MCU模块相连接，用于显示所述表面流速V、表面平均流速V水、测速垂线上的平均流速Vpn以及测量得到的断面流量Q等。
所述显示模块包括按键、显示屏和驱动板，用户通过所述按键进行开关操作和/或参数设置，所述参数包括渠道类型、渠道宽度B、水深H、边坡系数等；所述驱动板包括中文字库，用于将所述表面流速转化为中文字符或数字，并且对所述显示屏进行驱动；所述显示屏用于显示所述中文字符或数字，如表面流速V、表面平均流速V水、测速垂线上的平均流速Vpn以及测量得到的断面流量Q等。
所述电池手柄模块与所述雷达模块、所述MCU模块以及所述显示模块电性耦接，以提供上述各模块的工作电压；所述电池手柄模块具有可充电锂电池组和充放电管理板，所述充放电管路板用于控制所述可充电锂电池组的充电和放电操作。
在本实施例中，安装在手机或平板电脑上的计算机应用程序(APP)包括：手持式表面流速仪的参数设置、流速参数曲线显示、断面参数输入、流量计算、断面及流量情况；在手机或平板电脑上的计算机应用程序(app)内输入断面参数，例如渠道类型(梯形、矩形、U型或三角形等)，渠道底部宽度B，渠高H、相邻测量点之间的间隔Wn等。
具体工作流程如下所示：首先手持式表面测速仪测量渠道内水深H以及进行60秒或90秒连续测量各个垂线的表面流速V，然后获得此处水面的表面平均流速V水；然后手机或平板电脑等移动终端根据手持式表面测速仪测量的数据实时计算断面流量Q；最后手机或平板电脑等移动终端将所述断面流量Q上传至远程服务器。
所述非接触式流量测量系统以非接触方式对流体断面的流量进行测量，不受液面条件的影响，在高速水流、浑水、漂浮物甚至泥石流、泥浆的情况下均能进行测量。
本发明流量测量方法操作便捷、测量周期短、测量精度高、不受液体成分限制，应用场景广阔。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种流量测量方法，其特征在于，
将测量断面划分为n个测量区域，
获取每个测量区域的断面面积Sn，
获取测速垂线上的平均流速Vpn，
获取测量断面的边坡系数m，
基于所述断面面积Sn、所述测速垂线上的平均流速Vpn以及边坡系数m获取所述测量断面的平均流速Q。
2.根据权利要求1所述的流量测量方法，其特征在于，获取所述测量断面的表面平均流速V水，基于所述表面平均流速V水获取测速垂线上的平均流速Vpn。
3.根据权利要求2所述的流量测量方法，其特征在于，
由所述表面平均流速V水获取所述测速垂线上的平均流速Vpn的计算公式为，
其中，B为测量断面的底部宽度，H为测量断面的水深。
4.根据权利要求2或3所述的流量测量方法，其特征在于，获取所述测量断面的表面流速V，基于所述表面流速V获取表面平均流速V水。
5.根据权利要求4所述的流量测量方法，其特征在于，
获取雷达波的入射角θ，
获取从空中向液体表面发射的雷达波f与反射回去的雷达波f＇之间的多普勒频差fd，
基于所述入射角θ以及多普勒频差fd获取测量断面的表面流速V。
6.根据权利要求5所述的流量测量方法，其特征在于，基于所述入射角θ以及多普勒频差fd获取测量断面的表面流速V的计算公式为：
其中，多普勒频差fd，fd＝|f-f′|，c为雷达波在空气中的传播速度。
7.根据权利要求1所述的流量测量方法，其特征在于，获取相邻测量点之间的宽度Wn以及水深H，基于所述宽度Wn以及水深H获取每个测量区域的断面面积Sn。
8.根据权利要求7所述的流量测量方法，其特征在于，所述断面面积Sn采用积分面积计算法获取。
9.根据权利要求1或2或3或5或6或7或8所述的流量测量方法，其特征在于，所述测量断面的平均流速Q满足如下公式：
Q＝m*S1*Vp1+S2*(Vp2+Vp1)/2+S3*(Vp2+Vp3)/2+……+S(n-1)*(Vp(n-2)+Vp(n-1))/2+m*Sn*Vpn。
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