CN110199178B - 用于补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于使用探针进行水深测量的设备，该设备的特征为信号处理器，该信号处理器被配置为：接收信令，该信令包含关于从由压力传感器感测到的压力所确定的水深测量值的信息，该压力传感器被包含在被浸入流水中的探针中，并且该信令还包含关于依赖于速度的偏移的信息，该依赖于速度的偏移被确定并且取决于流水的速度；以及通过由依赖于速度的偏移而校正水深测量值，来确定对应的信令，以便补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应，该对应的信令包含关于流水的已校正的水深测量值的信息。

Description

用于补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月6日提交的临时专利申请序列号no.62/430,477(911-023.7-1/N-YSI-0037US)的权益，其通过引用被整体地并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于测量(例如，在河流或溪流中的)水深的技术；并且更具体说涉及一种用于使用压力传感器测量水深的技术。

背景技术

在流水中利用压力传感器执行的水压测量受水流速度的影响，并且这需要被加以校正，以确定正确的水深。已知的使用压力传感器用来测量(例如，在河流或溪流中的)水深的技术并不对水流速度做出校正。鉴于此，本领域中需要更好的方式来测量(例如，在河流或溪流中)，尤其是在使用压力传感器的情况下。

发明内容

概括地说，对由配备有声学多普勒测速仪和压力传感器的仪器来执行的水压测量的校正是与水流速度直接相关的。存在两个参数，即动压力和阻力系数，需要确定这两个参数，以便恰当地校正由该仪器测得的压力。

本发明以由本专利申请的受让人先前开发的技术为基础，例如该项技术作为市场上被称为

手持式

的产品出售。作为示例，请读者参考

技术手册(2009年3月)，该技术手册在本领域中是已知的，并且阐述了固件版本3.7和软件版本2.30的技术细节，其通过引用被整体地并入本文。本发明以该项技术为基础，例如通过引入和并入用于通过补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应，来进行水深测量的新技术，例如与本文中所公开的一致。使用由本发明的受让人出售的产品(例如，被称为FlowTracker2^TM)的这项新技术，来实施本发明。

具体的实施例

根据一些实施例，本发明可以包括用于使用探针进行水深测量的设备或可以采取用于使用探针进行水深测量的设备的形式，该设备的特征为信号处理器，该信号处理器被配置为：

接收信令，该信令包含关于从由压力传感器感测到的压力所确定的水深测量值的信息，该压力传感器被包含在被浸入流水中的探针中，并且该信令还包含关于依赖于速度的偏移的信息，该依赖于速度的偏移被确定并且取决于流水的速度；以及

通过由依赖于速度的偏移而校正水深测量值，来确定对应的信令，以便补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应，该对应的信令包含关于流水的已校正的水深测量值的信息。

本发明可以包括以下特征中的一个或多个特征：

信号处理器可以被配置为：通过基于压力校正系数补偿动压力分量，来确定依赖于速度的偏移，以顾及水深测量的伯努利效应，例如其中可以由以下关系来定义动压力分量：

pv²/2，

其中p代表流体密度，并且v代表动水的流体速度。

设备可以包括探针或采取探针的形式，该探针具有包含在其中的压力传感器。

压力传感器可以包括非通气式压力传感器。

根据一些实施例，设备可以包括声学多普勒测速仪(ADV)或可以采取声学多普勒测速仪(ADV)的形式，该ADV具有内置式探针或压力传感器，以用于感测压力来进行水深测量，例如，该ADV可以采取受让人的FlowTracker2的形式，例如，与本文中所阐述的一致。

方法

根据一些实施例，本发明可以包括一种用于使用探针进行水深测量的方法，该方法的特征为：

利用信号处理器接收信令，该信令包含关于从由压力传感器感测到的压力所确定的水深测量值的信息，该压力传感器被包含在被浸入流水中的探针中，并且该信令还包含关于依赖于速度的偏移的信息，该依赖于速度的偏移被确定并且取决于流水的速度；以及

利用信号处理器，通过由依赖于速度的偏移而校正水深测量值，来确定对应的信令，以便补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应，该对应的信令包含关于流水的已校正的水深测量值的信息。

计算机可读存储介质

根据本发明的一些实施例，本发明还可以采取计算机可读存储介质的形式，该计算机可读存储介质具有计算机可执行部件，以用于执行上述方法的步骤。计算机可读存储介质还可以包括上文所阐述的特征中的一个或多个特征。

附图说明

附图不一定按比例绘制，其包括如下的图1至图5：

图1是根据本发明的一些实施例的设备的框图，该设备具有被配置为实施信号处理的信号处理器。

图2是容器的图，该容器中具有流体和处于高度h的点，可以针对该点进行静态水压测量。

图3是用于样品的传感器压力的图。

图4是示出一连串样品的测得的压力和计算机压力的图。

图5是示出一连串样品的测得的压力和校正的压力的图。

为了减少附图中的混乱，附图中的每个图不一定包括其中所示的每个元件的每个附图标记。

具体实施方式

图1

作为示例，图1以设备10的形式示出了本发明，该设备例如包括探针，以用于使用压力传感器P和水流速度确定模块20进行水深测量。根据本发明的一些实施例，设备10可以包括信号处理器10a，该信号处理器被配置为：

接收信令，该信令包含关于从由压力传感器感测到的压力所确定的水深测量值的信息，该压力传感器被包含在被浸入流水中的探针中，并且该信令还包含关于依赖于速度的偏移的信息，该依赖于速度的偏移被确定并且取决于流水的速度；以及

基于接收到的信令，通过由依赖于速度的偏移而校正水深测量值，来确定对应的信令，以便补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应，该对应的信令包含关于流水的已校正的水深测量值的信息。

信号处理器10a可以被配置为提供包含关于流水的已校正的水深测量值的信息的对应的信令，例如以供进一步处理。

信号处理功能的实施方式

作为示例，并且如本领域技术人员将了解，可以使用硬件、软件、固件或其组合来实施信号处理器10a的功能。在典型的软件实施方式中，信号处理器10a将包括一个或多个基于微处理器的架构，所述架构具有例如至少一个信号处理器或微处理器(类似元件10a)。本领域技术人员将能够利用合适的程序代码来对此类基于微控制器或基于微处理器的实施方式进行编程，以在没有过度实验的情况下执行本文中所公开的信号处理功能，例如使用本文中所公开的方法或算法中的一种或多种方法或算法。

例如，信号处理器10a可以例如由本领域技术人员在没有过度实验的情况下被配置为接收信令，该信令包含关于从由压力传感器感测到的压力所确定的水深测量值的信息，该压力传感器被包含在浸入流水中的探针中，并且该信令还包含关于依赖于速度的偏移的信息，该依赖于速度的偏移被确定并且取决于流水的速度，这与本文中所公开的一致。作为示例，该信令可以被存储在存储器模块装置、电路或部件(例如，类似元件10b)中，如下文所描述的。

作为另外的示例，信号处理器10a可以例如由本领域技术人员在没有过度实验的情况下被配置为：基于接收到的信令并且与本文中所公开的一致，通过由依赖于速度的偏移而校正水深测量值，来确定对应的信令，以便补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应，该对应的信令包含关于流水的已校正的水深测量值的信息。

本发明的范围并不旨在限于使用现在已知的抑或将来开发的技术的任何特定实施方式。本发明的范围旨在包括将(多个)信号处理器10a的功能实施为独立处理器、信号处理器或信号处理器模块、以及单独的处理器或处理器模块、以及其某种组合。根据一些实施例，信号处理器10a可以被配置为压力传感器P的一部分，或者被配置为形成设备10的一部分的另一个理器或处理模块的一部分。本发明的范围并不旨在限于信号处理器10a可以形成何电路、部件或其他元件的一部分。

作为示例，信号处理器或信号处理模块10a还可以包括例如其他信号处理器电路或部件(通常被指示为10b)，包括例如将由本领域技术人员了解的随机存取存储器或存储器模块(RAM)和/或只读存储器(ROM)、输入/输出装置和控制件、以及连接它们的数据和地址总线、和/或至少一个输入处理器和至少一个输出处理器。

作为另外的示例，信号处理器10a和其他信号处理器电路或部件(通常被指示为10b)可以包括信号处理器和包括计算机程序代码的至少一个存储器的某种组合，或可以采取信号处理器和包括计算机程序代码的至少一个存储器的某种组合的形式，其中信号处理器和至少一个存储器被配置为引起系统实施本发明的功能，例如对接收到的信令作出响应并基于接收到的信令来确定对应的信令。

图2至图5：方法

作为示例，基本方法可以包括以下各者：

i)动压力的校正

如本领域技术人员将了解，当测量水柱内的特定点处的水压时，水压或总压力是等式3:1中给出的静水压力(P)和动压力(Pd)之和。

P₀＝P+P_d(等式3:1-总压力)

当停滞(水流速度为零)水存在时，动压力(Pd)分量可以从总压力(P₀)中被排除，因此静水压力(P)等于总压力(P₀)。可以在等式3:2中针对停滞水改写等式3:1中的总压力，

P₀＝P(等式3:2–总压力-停滞水)

与图2中所示的一致，静水压力(P)由水深(h)、重力加速度(g)和水密度(ρ)定义，在等式3:3中给出如下：

P＝ρgh(等式3:3–静水压力)，

其中：ρ-水\液体密度，

g-重力加速度，以及

h-传感器上方的水\液体高度。

如本领域技术人员还将了解，当水流动时，动压力与水流速度直接相关，并且在计算总压力(P₀)时需要加以顾及(account for)。动压力(Pd)由水密度(ρ)和水流速度(V)定义，在等式3:4中给出如下：

P_d＝0.5ρV²(等式3:4-动压力)

ii)阻力/校正系数

如本领域技术人员将了解的，可以通过将阻力\校正系数应用于所计算的动压力，来校正阻力对压力测量的影响。可以改写等式3.1中的总压力(P₀)，以设计出包含阻力\校正系数的校正的压力(Pc)，例如使用等式3.5，得出：

P_c＝P_m+0.5ρ(aV)²(等式3:5–校正的压力)，

其中：Pm-测得的压力，

ρ-水\液体密度，

a-阻力\校正系数，并且(如本领域技术人员将了解，阻力\校正系数是从校准确定的，并且是一种仪器或仪器范围系列所独有的；并且阻力\校正系数与仪器的几何形状相关，且相对压力位置与速度测量传感器或模块(类似元件20(见图1))相关。)

V-测得的水流速度。

作为示例，可以从特定头部\仪器\探针的实验数据计算阻力\校正系数。如果安排数据压力和速度数据，则例如等式3.6得出：

P_c＝P_m+cV²(等式3:6–校正的压力–系数“c”)，

其中：Pc-校正的压力，

Pm-在某些速度下测得的压力读数，

c＝0.5ρa²，并且

V-由水流速度传感器或模块(类似元件20)测得的水速。

为了校准的目的，技术人员可以设计一种设置，其中压力传感器的深度保持恒定，并且允许同时改变传感器周围的水/液体的速度。还可以控制水/液体温度连同控制盐度，因此控制密度。

在上文所描述的设置中通过改变水/液体速度进行多次测量并使用线性回归，可以确定最佳的“c”拟合。求解系数“c”，例如使用等式3.7得出：

(等式3:7–系数“c”)。

由于环境受到控制，因此可以在等式3.8中如下计算“a”：

(等式3:8–阻力\校正系数)

其中：c-最佳拟合c，以及

ρ–水/液体密度。

实验数据

在控制状态下，在拖曳水池中研究由于水流速度对测得的水压的影响所引起的动压力校正。在测试开始之前，拖曳水池中的水状态是停滞的，没有可见的外部影响。在整个测试期间，仪器被安装在拖曳车(towing cart)上的固定位置处。图3中图解地示出了在拖曳水池测试期间收集的水压数据。由线R突出显示的数据指示车在不同速度轮次(run)之前和之间处于静止(例如，模拟停滞水)。如图3中所示，当拖曳车处于静止时测得的水压或总压力为大约10.446dBar。每个速度轮次代表水速比前一轮次增加0.3ft/s(英尺/秒)，初始轮次从1.2ft/s开始。在图3中，看到由标签1.31234ft/s、1.64042ft/s、1.9685ft/s和2.29659ft/s所标识的不同dBar读数，这些dBar读数示出了水流速度对压力测量的影响。

通过使用以下等式3:9计算理论压力或计算的压力，来验证在阻力\校正系数下概述的方法。应用等式3.9，可以通过使用常数Pc并逐步遍历在测试期间使用的速度轮次，来模拟测得的压力。作为示例，图4示出了该模拟压力与实际测得的压力的比较。

等式3.9如下：

P_com＝P_c-0.5ρ(aV)²(等式3:8–计算的压力)

其中：Pc-校正的压力，以及

P_com-计算的压力。

通过使用以上等式3:5(下文重复该等式)计算校正的压力，来验证在阻力\校正系数下概述的方法。图5中示出和给出了作为原始压力传感器读数的“测得的压力”与“校正的压力”之间的比较。

P_c＝P_m+0.5ρ(aV)²(等式3:5–校正的压力)。

过程

1.作为示例，用于补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应的方法可以包括以下各者：

a)一种用于补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应的方法(例如，使用并置或紧密定位的2D/3D点多普勒水流速度测量、测得的或用户输入的温度和计算的水密度数据)可以包括以下各情况：

i)其中校准仪器，使得恰当的水流速度阻力系数与在速度测量点处测得的水流速度成比例，并且计算在该效应的补偿点处的实际水流速度；

ii)其中收集在水流速度测量点处的水流速度的所记录或实时测量的数据；以及

iii)其中收集在水压测量点处的压力的所记录或实时测量的数据；以及

iv)其中收集水温的所记录的、实时测得的或用户指定的数据；以及

v)其中收集水密度的所记录的、实时测得的或用户指定的数据，或者

1)其中收集水盐度的所记录的、实时测得的或用户指定的数据，以及

2)收集仪器海拔高度的所记录的、实时测得的或用户指定的数据，以及

3)实时计算和记录或使用水密度；

vi)其中实时或在后处理中使用所收集的样品数据，包含水流速度、温度、密度和压力；以及

vii)其中基于上文所描述的数据来计算动压力校正。

b)用于补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应的方法(例如，使用并置或紧密定位的2D/3D剖面化信元(profiled cell)速度测量、测得的或用户输入的温度和计算的水密度数据)可以包括以下各情况：

i)其中校准仪器，使得恰当的水流速度阻力系数与在速度测量点处测得的水流速度成比例，并且计算在该效应的补偿点处的实际水流速度；并且

ii)其中收集在水流速度测量点处的水流速度的所记录或实时测量的数据；以及

iii)其中收集在水压测量点处的压力的所记录或实时测量的数据；以及

iv)其中收集水温的所记录的、实时测得的或用户指定的数据；以及

v)其中收集水密度的所记录的、实时测得的或用户指定的数据；或者

1)其中收集水盐度的所记录的、实时测得的或用户指定的数据，以及

2)其中收集仪器海拔高度的所记录的、实时测得的或用户指定的数据，以及

3)实时计算和记录或使用水密度；

vi)其中实时或在后处理中使用所收集的样品数据，包含水流速度、温度、密度和压力；

vii)其中基于上文所描述的数据来计算动压力校正。

2)一种用于补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应并计算恰当的仪器深度的方法可以包括以下各者：

a)实施针对上文1中的一种或多种方法所进行的所有步骤；以及b)其中基于样品压力数据和计算的动压力校正，来实时计算和记录或使用校正的压力；

c)其中压力传感器的与安装夹具偏移的所记录的、用户指定的数据；以及

d)其中针对大气压力的压力传感器校准的所记录的、用户指定的时间间隔；以及

e)其中请求将仪器\压力传感器从水中移除出来；以及

f)其中收集所记录的、实时测得的大气压力以校准压力传感器；以及

g)其中请求将仪器\压力传感器降低到底部；以及

h)其中总水压\深度的所记录的、实时测得的或用户指定的数据；以及

i)其中请求将仪器\压力传感器调整到所计算的测量深度；以及

j)其中仪器深度在水中的所记录的、实时测得的或用户指定的数据。

3.一种用于补偿动水中的压力传感器上的文丘里效应(例如，通过计算恰当的仪器深度并收集水剖面)的方法可以包括以下各者：

a)实施针对方法1中的一者或多者所进行的所有步骤；以及

b)实施针对方法2所进行的所有步骤；以及

c)其中基于样品压力数据和计算的动压力校正，来实时计算和记录或使用校正的压力；

d)其中压力传感器的与安装夹具偏移的所记录的、用户指定的数据；以及

e)其中针对大气压力的压力传感器校准的所记录的、系统指定的时间间隔，或者在仪器上方的根据竖直声学多普勒波束的总水深；以及f)其中在请求的情况下，通过将仪器\压力传感器从水中移除出来、或通过使用在仪器上方的根据竖直声学多普勒波束的总水深来进行压力传感器校准；以及

g)其中收集所记录的、实时测得的大气压力或在仪器上方的根据竖直声学多普勒波束的总水深，以校准压力传感器；以及

h)其中请求将仪器\压力传感器安装到通道的底部；以及

i)其中所记录的、实时测得的总水压\深度；以及

j)其中所记录的、计算的信元大小和具有根据校正的压力数据的水剖面的信元的数目。

算法

在设备10中开发了用于硬件/软件实施方式的算法的示例，例如包括在市场上以名称FlowTracker2^TM

出售的产品(例如，如上文所描述的)，以针对动压力补偿用于确定水深的压力传感器测量值，例如与下文所描述的一致：

动压力是每单位体积流体的动能，并且影响由设备10的内部压力传感器在流水中执行的压力传感器测量。影响压力传感器测量的动压力范围与水流速度直接相关。本文中描述了关于设备10的压力传感器测量的动压力校正。

在流体动力学中，总压力(P₀)被如下定义为静态压力(P)和动压力(Pd)之和：

P₀＝P+P_d(等式4:9–总压力)。

在设备10中实施的内部压力传感器提供了对总压力(P0)的精确测量。从压力计算深度需要知道静态压力(P)。对于静止的或缓慢的动水，动压力(Pd)可忽略不计，因此静态压力(P)和总压力(P0)非常接近。出于所有实际目的，在这些情况下使用如由压力传感器测得的总压力(P0)来代替静态压力(P)提供了良好的转换。

然而，对于更快的流水，忽略动压力(Pd)不是一个选项，并且将在压力-深度转换中导致显著误差。动压力校正对于确保恰当的深度计算至关重要。

动压力(Pd)被定义为：

P_d＝0.5×水密度×水速²(等式4:10–动压力)

等式4:11中所需的参数包括以下各者：

1)作为示例，水密度可以近似得出，或者在被称为FlowTracker2^TM的产品的情况下，其可以根据盐度数据(例如，使用字段中的用户条目)、纬度和海拔高度(来自集成式GPS)精确计算得出，

2)作为示例，水速可以由设备(例如，ADV(FlowTracker2^TM的主要功能是测量水流速度(见元件20(图1))，因此该功能被嵌入产品中，如本领域技术人员将了解的)提供。为了产生精确的水速，Adv水速(测得的水速)通过恒定的“头部阻力系数”(a)进行校正，a描述了由ADV头部引入的在压力传感器周围的流动扰动，并且对于不同的头部形状(例如，2D或2D/3D)来说不同，例如本领域技术人员将了解的。

等式4:12可以用于例如如下确定校正的水速：

水速＝Adv水速×a(等式4:11–校正的Adv水速)

如果将等式4:12代入等式4:11中，则可以使用等式4:13如下计算动压力：

P_d＝0.5×水密度×(Adv水速×a)²(等式4:12–使用Adv水速的动压力)

在知道动压力(Pd)和总压力(P0)的情况下-然后，可以计算静态压力，例如通过如下使用等式4:14：

P＝P₀-P_d(等式4:13–静态压力)

如果将等式4:13代入等式4:14中，则可以在等式4:15中例如如下定义用于校正由设备10的内部压力传感器测得的压力的最终等式：

P＝P₀－0.5×水密度×(Adv水速×a)²(等式4:14–校正的压力)

根据本发明，校正的压力可以用于例如补偿由动水在压力传感器上的文丘里效应，以进行水深测量。

本发明的范围

虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变且可以用等同物来替代其元件。此外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可以做出各种修改，以使特定情形或材料适应本发明的教导。因此，意图是本发明不限于作为预期用于实施本发明的最佳模式而在本文中公开的(多个)特定实施例。

Claims (5)

1.一种用于使用探针进行水深测量的设备，包括：

信号处理器，被配置为：

接收信令，所述信令包含关于从由压力传感器感测到的压力所确定的水深测量值的信息，所述压力传感器被包含在被浸入流水中的探针中，并且所述信令还包含关于依赖于速度的偏移的信息，所述依赖于速度的偏移被确定并且取决于所述流水的速度；以及

通过由所述依赖于速度的偏移而校正所述水深测量值，来确定对应的信令，以便补偿动水中的所述压力传感器上的文丘里效应，所述对应的信令包含关于所述流水的已校正的水深测量值的信息。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号处理器被配置为：通过基于压力校正系数补偿动压力分量，来确定所述依赖于速度的偏移，以顾及所述水深测量的伯努利效应，其中由以下关系来定义所述动压力分量：

pv²/2，

其中p代表流体密度，并且v代表所述动水的流体速度。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包括所述探针，所述探针具有包含在其中的所述压力传感器。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述压力传感器是非通气式压力传感器。

5.一种用于使用探针进行水深测量的方法，所述方法包括：

利用信号处理器接收信令，所述信令包含关于从由压力传感器感测到的压力所确定的水深测量值的信息，所述压力传感器被包含在被浸入流水中的探针中，并且所述信令还包含关于依赖于速度的偏移的信息，所述依赖于速度的偏移被确定并且取决于所述流水的速度；以及

利用所述信号处理器，通过由所述依赖于速度的偏移而校正所述水深测量值，来确定对应的信令，以便补偿动水中的所述压力传感器上的文丘里效应，所述对应的信令包含关于所述流水的已校正的水深测量值的信息。

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