CN110567543A - 渠道流量测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种渠道流量测量设备，通过多普勒法测量流速，采用多普勒信号处理器对超声探头传输的多普勒信号进行分析计算得到流速，将流速发送给微控制器，微控制器计算瞬时流量，这样将瞬时流量的计算过程分给多普勒信号处理器和微控制器两个进行计算，缩短了瞬时流量的计算周期，进而使得每个计算周期内的流量计算更加精确。进一步的多普勒法探头对的数量为多个，各个所述多普勒探头对安装在测水箱内的不同高度。通过在不同高度布置多普勒探头对可以测量垂直方向的流体速度分布规律，且求取的瞬时流量更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及水利技术领域，更具体地说，涉及渠道流量测量设备。
背景技术
渠道的流量计量包括量水堰、量水槽和测水箱等测量方式。量水堰，专门为开展流量测验而修建的一种建筑物，可以用来控制上游和测定流量。量水槽，在渠道和明槽上修建水流断面缩窄的槽型建筑物，使其形成临界流进行流量测量的量水设施。测水箱通过超声探头测量箱体内的流态分布，从而可以得到更高的流量计量精度。目前测水箱在应用过程中会遇到以下问题，计算瞬时流量的时间周期较长，导致在流体的速度变化较快时，计算得到的流量误差较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提出渠道流量测量设备，欲缩短瞬时流量的计算周期，进而提高流量计算的精确度。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
本发明提供一种渠道流量测量设备，包括：
测水箱；
安装在所述测水箱内的多普勒法探头对，所述多普勒法探头对包括第一超声探头和第二超声探头；
与所述第二超声探头连接的多普勒信号调理电路；
与所述多普勒信号调理电路连接的模数转换器；
与所述模数转换器连接的多普勒信号处理器；
与所述多普勒信号处理器连接的微控制器；
与所述第一超声探头连接的接收及发射电路，所述接收及发射电路还与所述微控制器连接；以及，
与所述微控制器连接的水位计和时钟管理单元；
与所述时钟管理单元连接的晶振。
将瞬时流量的计算过程分给多普勒信号处理器和微控制器两个进行计算，缩短了瞬时流量的计算周期，进而使得每个计算周期内的流量计算更加精确。
可选的，所述渠道流量测量设备，还包括：
安装在所述测水箱内的时差法探头对，所述时差法探头对包括第三超声探头和第四超声探头，所述第三超声探头和所述第四超声探头均与所述接收及发射电路连接；和，
与所述微控制器和所述接收及发射电路分别连接的时间延时处理电路。
对于较纯净的流体，可以通过时差法测量流量，对于杂质含量较高的流体，可以通过多普勒法测量流速，进而使得渠道流量测量设备适用于各种流体，提高了渠道流量测量设备的适用性。
可选的，所述第三超声探头和所述第一超声探头为同一超声探头。将同一个超声探头即作为多普勒法探头对中发射脉冲信号的超声探头，又作为时差法探头对中发射脉冲信号的超声探头，减少了超声探头的使用数量，减少了成本。
可选的，所述多普勒法探头对的数量为多个，各个所述多普勒探头对安装在所述测水箱内的同一高度的不同区域。通过测量同一高度不同区域的流速并求取平均值，得到的流速更加准确。
可选的，所述多普勒法探头对的数量为多个，各个所述多普勒探头对安装在所述测水箱内的不同高度。通过在不同高度布置多普勒探头对可以测量垂直方向的流体速度分布规律，且求取的瞬时流量更加准确，
可选的，在所述测水箱下部的所述多普勒探头之间的间距小于在所述测水箱上部的所述多普勒探头之间的间距。
可选的，所述测水箱包括：进水扩口、稳流段、测流段和装配接口，所述多普勒法探头对安装在所述测流段。
可选的，所述测水箱的材料为：铝合金。
可选的，所述渠道流量测量设备，还包括：与所述微控制器连接的存储单元。
可选的，所述渠道流量测量设备，还包括：与所述微控制器连接的无线传输单元和/或RS485通讯单元。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
上述技术方案提供的一种渠道流量测量设备，通过多普勒法测量流速，采用多普勒信号处理器对超声探头传输的多普勒信号进行分析计算得到流速，将流速发送给微控制器，微控制器计算瞬时流量，这样将瞬时流量的计算过程分给多普勒信号处理器和微控制器两个进行计算，缩短了瞬时流量的计算周期，进而使得每个计算周期内的流量计算更加精确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种渠道流量测量设备的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种渠道流量测量设备的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种水平面内超声探头布置示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种水平面内超声探头布置示意图；
图5为本发明实施例提供的一种垂直面内超声探头布置示意图；
图6为本发明实施例提供的一种测水箱的示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种渠道流量测量设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明实施例提供了一种渠道流量测量设备，参见图1，该渠道流量测量设备，包括：测水箱11、第一超声探头12、第二超声探头13、多普勒信号调理电路14、模数转换器15、多普勒信号处理器16、微控制器17、接收及发射电路18、水位计19、时钟管理单元20和晶振21。
第一超声探头12和第二超声探头13组成多普勒法探头对，安装在测水箱11内。微控制器17通过接收及发射电路18与第一超声探头12连接。微控制器17通过依次多普勒信号处理器16、模数转换器15和多普勒信号调理电路14，与第二超声探头13连接。微控制器17分别连接的水位计19和时钟管理单元20。时钟管理单元20与晶振21连接。时钟管理单元20和晶振21主要给微控制器17及多普勒信号处理器16进行时钟匹配，满足系统的时钟要求。
多普勒法测量流速适用于杂质含量较高的流体。本实施例提供的上述渠道流量测量设备采用多普勒法测量流量的原理具体为：微控制器17通过接收及发射电路18在第一超声探头12发射超声脉冲信号。第一超声探头12发射的超声脉冲信号进入运动中的流体，并被随流体一起运动的颗粒或气泡等可以散射超声波信号的物质散射进入第二超声探头13。发射信号和接收信号之间将因多普勒效应而产生联系，第二超声探头13将接收到的左侧区域的多普勒信号发送至多普勒信号调理电路14。该多普勒信号通过多普勒信号调理电路14进行放大和滤波等处理后，发送至模数转换器15。通过模数转换器15将模拟信号转换为数字信号后送到多普勒信号处理器16。多普勒信号处理器16进行FFT((fastFouriertransform，快速傅里叶变换)处理得到流速的频率，从而计算出左侧区域的流速大小。多普勒信号处理器16将计算得到的流速大小发送至微控制器17。水位计19将采集的水面高度发送至微控制器17。微控制器17将采用速度面积法测量过水断面的瞬时流量，通过对瞬时流量进行积分得到累积流量。
本发明实施例提供了另一种渠道流量测量设备，参见图2，该渠道流量测量设备，相对于图1示出的渠道流量测量设备还包括：第三超声探头22、第四超声探头23和时间延时处理电路24。第三超声探头22和第四超声探头23组成时差法探头对，也安装在测水箱11内。第三超声探头22和第四超声探头23均与接收及发射电路18连接。时间延时处理电路24分别与微控制器17和接收及发射电路18连接。本实施例提供的渠道流量测量设备还可以通过时差法测量流速。
本实施例提供的渠道流量测量设备通过时差法测量流速的原理具体为：微控制器17通过接收及发射电路18在第三超声探头22发射超声脉冲信号。第三超声探头22发射的超声脉冲信号经过运动中的流体进入第四超声探头23。第四超声探头23接收到该脉冲信号后通过接收及发射电路18发送到时间延时处理电路24。时间延时处理电路24得到脉冲信号的飞行时间并发送至微控制器17。微控制器17接收到该飞行时间后，通过接收及发射电路18在第四超声探头23发射超声脉冲信号。第四超声探头23发射的超声脉冲信号经过运动中的流体进入第三超声探头22。第三超声探头22接收到该脉冲信号后通过接收及发射电路18发送到时间延时处理电路24。时间延时处理电路24得到脉冲信号的飞行时间并发送至微控制器17。微控制器17通过这两次的飞行时间计算得到流速大小。水位计19将采集的水面高度发送至微控制器17。微控制器17将采用速度面积法测量过水断面的瞬时流量，通过对瞬时流量进行积分得到累积流量。
渠道流量测量设备采用时差法测量流速时，时差法的时间采用外置的时间延时处理电路24计算，计算的飞行时间送给微控制器17。将瞬时流量的计算过程分给时间延时处理电路24和微控制器17两个进行计算，缩短了瞬时流量的计算周期，进而使得每个计算周期内的流量计算更加精确。
在一个具体实施例中，第三超声探头22和第一超声探头12为同一超声探头，三个超声探头的布置参见图3。将同一个超声探头即作为多普勒法探头对中发射脉冲信号的超声探头，又作为时差法探头对中发射脉冲信号的超声探头，减少了超声探头的使用数量，减少了成本。
在一些具体实施例中，多普勒法探头对的数量为多个，各个多普勒探头对安装在测水箱11内的同一高度的不同区域，参见图4示出了两个多普勒法探头对的情况。通过测量同一高度不同区域的流速并求取平均值，得到的流速更加准确。针对涡流、斜流、回流等不同流态，在一个水流平面上，测量不同区域的流速，能够更详细的测量出该平面上的流速分布情况。还可以将计算出的不合理的流速去除，选取合理的流速计算平均值。
在一些具体实施例中，多普勒法探头对的数量为多个，各个多普勒探头对安装在测水箱11内的不同高度，参见图5，示出了四个多普勒法探头对的情况。所有多普勒法探头对分为4层，第1层位于高度的1/8H处。第2层位于高度的1/4H处。第3层位于高度的1/2H处。第4层位于高度的7/8H。水位计19位于测水箱11顶部的正中间。由于大部分情况下，通过箱体的水流不是满管，所以在箱体的下部超声探头分布密集，提高超声探头利用率。通过在不同高度布置多普勒探头对可以测量垂直方向的水流分布规律，且求取的瞬时流量更加准确，
参见图6，测水箱11包括：进水扩口、稳流段、测流段和装配接口。上述多普勒法探头对和时差法探头对均安装在测水箱11的测流段。进水扩口，对进入箱体的水流进行涡流消减。水流在稳流段充分流动，在测流段得到较为稳定的流态。装配接口保证测量装置和闸门等设备的良好装配。在一个具体实施例中，测水箱11材料为铝合金，水位计19为超声水位计。
参见图7，渠道流量测量设备，还包括：与微控制器17连接的存储单元24、无线传输单元25和RS485通讯单元26。存储单元24用来对微控制器17进行存储空间扩展，满足系统变量和日志等的存储要求。无线传输单元25满足系统无线传输及调试要求，可以远程控制及调试。RS485通讯单元26采用相应的通信协议，满足有线远传的要求。
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。
本说明书中各个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种渠道流量测量设备，其特征在于，包括：
测水箱；
安装在所述测水箱内的多普勒法探头对，所述多普勒法探头对包括第一超声探头和第二超声探头；
与所述第二超声探头连接的多普勒信号调理电路；
与所述多普勒信号调理电路连接的模数转换器；
与所述模数转换器连接的多普勒信号处理器；
与所述多普勒信号处理器连接的微控制器；
与所述第一超声探头连接的接收及发射电路，所述接收及发射电路还与所述微控制器连接；以及，
与所述微控制器连接的水位计和时钟管理单元；
与所述时钟管理单元连接的晶振。
2.根据权利要求1所述的渠道流量测量设备，其特征在于，还包括：
安装在所述测水箱内的时差法探头对，所述时差法探头对包括第三超声探头和第四超声探头，所述第三超声探头和所述第四超声探头均与所述接收及发射电路连接；和，
与所述微控制器和所述接收及发射电路分别连接的时间延时处理电路。
3.根据权利要求2所述的渠道流量测量设备，其特征在于，所述第三超声探头和所述第一超声探头为同一超声探头。
4.根据权利要求1所述的渠道流量测量设备，其特征在于，所述多普勒法探头对的数量为多个，各个所述多普勒探头对安装在所述测水箱内的同一高度的不同区域。
5.根据权利要求1所述的渠道流量测量设备，其特征在于，所述多普勒法探头对的数量为多个，各个所述多普勒探头对安装在所述测水箱内的不同高度。
6.根据权利要求5所述的渠道流量测量设备，其特征在于，在所述测水箱下部的所述多普勒探头之间的间距小于在所述测水箱上部的所述多普勒探头之间的间距。
7.根据权利要求1所述的渠道流量测量设备，其特征在于，所述测水箱包括：
进水扩口、稳流段、测流段和装配接口，所述多普勒法探头对安装在所述测流段。
8.根据权利要求7所述的渠道流量测量设备，其特征在于，所述测水箱的材料为：
铝合金。
9.根据权利要求1所述的渠道流量测量设备，其特征在于，还包括：
与所述微控制器连接的存储单元。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的渠道流量测量设备，其特征在于，还包括：
与所述微控制器连接的无线传输单元和/或RS485通讯单元。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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