CN111289768B - 一种柔性电子水尺及采用该水尺测流速的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性电子水尺及采用该水尺测流速的方法，电子水尺，包括控制装置和检测尺；控制装置包括第一绝缘壳体，以及设置在第一绝缘壳体中的电池和控制电路板，控制电路板上设置有控制模块和无线通信模块；检测尺包括由柔性材料制成的长条状第二绝缘壳体和n个角度传感器，第二绝缘壳体总长度为L，均分为n段，每一段设置一个角度传感器Ci，所有角度传感器均密封于第二绝缘壳体中，所有角度传感器均通过柔性导线与控制电路板连接，n为正整数，n≥2。用多个角度传感器代替多个流速仪，不但减轻了检测尺的整体重量，且大大降低了成本，且采用该电子水尺操作非常方便、效率高。采用柔性绝缘材料作为检测尺的外壳大大降低误差，提高精准度。

Description

一种柔性电子水尺及采用该水尺测流速的方法
技术领域
本发明属于水流速测量设备技术领域，具体涉及一种柔性电子水尺及采用该水尺测流速的方法。
背景技术
现有技术中测量水的流速大度采用流速仪，方便快捷。河流、海洋等流域中，不同深度处的流速不同，常常需要对同一测试点不同深度的流速进行测量，用于研究等。
目前，现有技术中，针对同一流域同一测试点不同深度处流速测量时，大多采用如下另种方法：1)、在同一测量点不同深度处，分多次分别进行测量；2)、将多个流速仪沿长度方向固定在一个竖直杆上，测量时将竖直杆插入待测点，则一次测量即可获得不同深度处的流速值。
但是上述方法存在如下缺点：前者，操作麻烦，需要多次测量，且易导致产生较大误差；后者，需要多个流速仪，成本高。因此需要一种操作简便、成本低的流速设备能够对同一测量点不同深度处的流速一次性测量完成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性电子水尺及采用该水尺测流速的方法，解决现有技术中对同一测试点不同深度处测量流速时，操作麻烦、成本高的技术问题。
为了实现以上目的，本发明采取的具体技术方案是：
一种柔性电子水尺，包括控制装置和检测尺；
所述控制装置包括第一绝缘壳体，以及设置在第一绝缘壳体中的电池和控制电路板，控制电路板上设置有控制模块和无线通信模块；
所述检测尺包括由柔性材料制成的长条状第二绝缘壳体和n个角度传感器，第二绝缘壳体总长度为L，均分为n段，每一段的长度为l，则L＝nl；每一段设置一个角度传感器Ci，自上而下依次记为C1，C2，……，Cn，所有角度传感器均密封于第二绝缘壳体中，所有角度传感器均通过柔性导线与控制电路板连接，n为正整数，n≥2；
所述检测尺的上端与第一绝缘壳体连接，角度传感器和无线通信模块均与控制模块连接，电池给控制模块、无线通信模块和角度传感器供电。
本发明采用柔性绝缘材料作为检测尺的外壳，并均分为n段，每一段上均设置一个角度传感器。需要检测液体不同深度处的流速时，将该电子水尺置于待测点，控制装置位于水面以上，检测尺位于水中，由于流动的液体对检测尺有冲击作用，且检测尺采用柔性绝缘材料制成，则检测尺会向液体流动的方向发生倾斜，且因为不同深度处的流速不同，因此每一段检测尺受到的冲击力不同，所以每一段检测尺的倾斜角度不同，即每个角度传感器检测到的角度不同。每个角度传感器将检测到的角度值实时发送给控制模块，控制模块通过计算得出不同深度处实时的流速值，并通过无线通信模块发送的云端、上位机、移动端等显示。用多个角度传感器代替多个流速仪，不但减轻了检测尺的整体重量，且大大降低了成本，且采用该电子水尺操作非常方便、效率高。采用柔性绝缘材料作为检测尺的外壳大大降低误差，提高精准度。
进一步改进，所述第二绝缘壳体上沿其长度方向设置有刻度，控制模块的储存器中存储有每个角度传感器所对应的刻度值。
进一步改进，所述控制装置上设置有用于显示检测值的显示屏，显示屏与控制模块电连接，便于操作者快速读取检测值。
进一步改进，所述第二绝缘壳体为由柔性ABS塑料制成的管状件，柔韧性好，抗腐蚀效果好。
基于上述柔性电子水尺求解修正系数的方法，包括如下步骤：
步骤一，采用流速仪对同一水域的同一测试点不同深度处的流速进行测定，获得准确值V0i，分别记为V01，V02，……，V0n；
步骤二、采用权利要求1-5中所述柔性电子水尺的检测尺对步骤一中所述同一水域的同一测试点不同深度处的流速分别进行测定，获得角度传感器Ci测量的角度初始值，重复测定m次求平均值，得出初始角度平均值W0i'，n个角度传感器测得的初始角度平均值分别记为W01'，W02'，……，W0n'，m为正整数，m≥3；
步骤三、将角度值W0i'换算流速初始值V0i'，
根据检测尺的受理情况：
T·cosW0i'＝mg； (1)
T·sinW0i'＝p·ΔS； (2)
ΔS＝l·2r (3)
其中，mg为每一段检测尺的重量，已知；T为每一段检测尺受的拉力；f＝p·ΔS，f为每一段检测尺受到流水的冲击力，p为不同深度处作用于流水对应段检测尺的压强，ΔS为每一段检测尺迎水面的面积，r为第二绝缘壳体的外径；
以及，流体的伯努利方程：
Figure BDA0002424504150000031
其中，Q为常量，ρ为液体的密度；
第i个角度传感器对应的深度hi＝l(cosW01'+cosW02'+……+cosW0i')； (5)
由公式(1)-(5)得出：
Figure BDA0002424504150000032
步骤四、对步骤三中的V0i'和步骤一中的V0i进行比较，得出：
V0i＝ki·V0i'+di； (7)
即求得修正系数，其中，i为正整数，1≤i≤n，ki为第一修正系数，di为第二修正系数。
通过利用流速仪对同一水域的同一测试点不同深度处的流速进行测定，获得准确值V0i，再采用本发明柔性电子水尺的检测尺对同一水域的同一测试点不同深度处的流速分别进行测定，获得角度传感器Ci测量的角度初始值，进而求得第一修正系数ki和第二修正系数di，为后续实时精准测量不同深度处的流速值打下基础。
基于上述柔性电子水尺测量水流速的方法，包括如下步骤：
步骤一、将柔性电子水尺置于带检测水域的待检测点，使检测尺的0刻度线与水平面齐平；
步骤二、开启电源，由于不同深度hi处水的流速不同，则不同段的柔性水尺的倾斜角度不同，每个角度传感器测得对应段柔性水尺的倾斜角度Wi，并传递给控制模块，控制模块将Wi计算换算成计算值Vi'，套用公式(6)，得出：
Figure BDA0002424504150000041
再根据权利要求6中已求解的第一修正系数ki和第二修正系数di，套用公式(7)计算处不同深度处的实际流速Vi，
Vi＝ki·Vi'+di， (9)
并将计算值Vi在显示屏上显示。
所述公式(8)和(9)，以及对应第一修正系数ki和第二修正系数di储存于控制模块中，构成计算模型，因此只需要将角度传感器实时检测的角度值传送给控制模块，便能够得出不同深度处液体的流速。
进一步改进，所述控制装置通过无线通信模块将检测值传送给移动端和/或上位机显示，非常方便。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
用多个角度传感器代替多个流速仪，不但减轻了检测尺的整体重量，且大大降低了成本，且采用该电子水尺操作非常方便、效率高。采用柔性绝缘材料作为检测尺的外壳大大降低误差，提高精准度。
附图说明
图1为本发明所述柔性电子水尺的结构示意图。
图2为本发明所述柔性电子水尺受到液体流动冲击的示意图。
图3为每段检测尺的受力示意图。
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。
实施例一：
如图1-3所示，其中图2中的水平方向的箭头表示液体流动的方向。
一种柔性电子水尺，包括控制装置1和检测尺2；
所述控制装置1包括第一绝缘壳体，以及设置在第一绝缘壳体中的电池和控制电路板，控制电路板上设置有控制模块和无线通信模块；
所述检测尺2包括由柔性材料制成的长条状第二绝缘壳体和n个角度传感器，第二绝缘壳体总长度为L，均分为n段，每一段的长度为l，则L＝nl；每一段设置一个角度传感器Ci，自上而下依次记为C1，C2，……，Cn，所有角度传感器均密封于第二绝缘壳体中，所有角度传感器均通过柔性导线与控制电路板连接，n为正整数，n≥2；
所述检测尺的上端与第一绝缘壳体连接，角度传感器和无线通信模块均与控制模块连接，电池给控制模块、无线通信模块和角度传感器供电。
本发明采用柔性绝缘材料作为检测尺的外壳，并均分为n段，每一段上均设置一个角度传感器。需要检测液体不同深度处的流速时，将该电子水尺置于待测点，控制装置位于水面以上，检测尺位于水中，由于流动的液体对检测尺有冲击作用，且检测尺采用柔性绝缘材料制成，则检测尺会向液体流动的方向发生倾斜，且因为不同深度处的流速不同，因此每一段检测尺受到的冲击力不同，所以每一段检测尺的倾斜角度不同，即每个角度传感器检测到的角度不同。每个角度传感器将检测到的角度值实时发送给控制模块，控制模块通过计算得出不同深度处实时的流速值，并通过无线通信模块发送的云端、上位机、移动端等显示。用多个角度传感器代替多个流速仪，不但减轻了检测尺的整体重量，且大大降低了成本，且采用该电子水尺操作非常方便、效率高。采用柔性绝缘材料作为检测尺的外壳大大降低误差，提高精准度。
在本实施例中，所述第二绝缘壳体上沿其长度方向设置有刻度，控制模块的储存器中存储有每个角度传感器所对应的刻度值。
在本实施例中，所述控制装置上设置有用于显示检测值的显示屏，显示屏与控制模块电连接，便于操作者快速读取检测值。
在本实施例中，所述第二绝缘壳体为由柔性ABS塑料制成的管状件，柔韧性好，抗腐蚀效果好。
实施例二：
基于实施例中一的柔性电子水尺求解修正系数的方法，包括如下步骤：
步骤一，采用流速仪对同一水域的同一测试点不同深度处的流速进行测定，获得准确值V0i，分别记为V01，V02，……，V0n；
步骤二、采用权利要求1-5中所述柔性电子水尺的检测尺对步骤一中所述同一水域的同一测试点不同深度处的流速分别进行测定，获得角度传感器Ci测量的角度初始值，重复测定m次求平均值，得出初始角度平均值W0i'，n个角度传感器测得的初始角度平均值分别记为W01'，W02'，……，W0n'，m为正整数，m≥3；
步骤三、将角度值W0i'换算流速初始值V0i'，
根据检测尺的受理情况：
T·cosW0i'＝mg； (1)
T·sinW0i'＝p·ΔS； (2)
ΔS＝l·2r (3)
其中，mg为每一段检测尺的重量，已知；T为每一段检测尺受的拉力；f＝p·ΔS，f为每一段检测尺受到流水的冲击力，p为不同深度处作用于流水对应段检测尺的压强，ΔS为每一段检测尺迎水面的面积，r为第二绝缘壳体的外径；
以及，流体的伯努利方程：
Figure BDA0002424504150000061
其中，Q为常量，ρ为液体的密度；
第i个角度传感器对应的深度hi＝l(cosW01'+cosW02'+……+cosW0i')； (5)
由公式(1)-(5)得出：
Figure BDA0002424504150000062
步骤四、对步骤三中的V0i'和步骤一中的V0i进行比较，得出：
V0i＝ki·V0i'+di； (7)
即求得修正系数，其中，i为正整数，1≤i≤n，ki为第一修正系数，di为第二修正系数。
通过利用流速仪对同一水域的同一测试点不同深度处的流速进行测定，获得准确值V0i，再采用本发明柔性电子水尺的检测尺对同一水域的同一测试点不同深度处的流速分别进行测定，获得角度传感器Ci测量的角度初始值，进而求得第一修正系数ki和第二修正系数di，为后续实时精准测量不同深度处的流速值打下基础。
实施例三：
基于实施例一、二所述柔性电子水尺测量水流速的方法，包括如下步骤：
步骤一、将柔性电子水尺置于带检测水域的待检测点，使检测尺的0刻度线与水平面齐平；
步骤二、开启电源，由于不同深度hi处水的流速不同，则不同段的柔性水尺的倾斜角度不同，每个角度传感器测得对应段柔性水尺的倾斜角度Wi，并传递给控制模块，控制模块将Wi计算换算成计算值Vi'，套用公式(6)，得出：
Figure BDA0002424504150000071
再根据权利要求6中已求解的第一修正系数ki和第二修正系数di，套用公式(7)计算处不同深度处的实际流速Vi，
Vi＝ki·Vi'+di， (9)
并将计算值Vi在显示屏上显示。
在本实施例中，所述控制装置通过无线通信模块将检测值传送给移动端和/或上位机显示，非常方便。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；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。

Claims (3)

1.一种柔性电子水尺，其特征在于，包括控制装置和检测尺；
所述控制装置包括第一绝缘壳体，以及设置在第一绝缘壳体中的电池和控制电路板，控制电路板上设置有控制模块和无线通信模块；
所述检测尺包括由柔性材料制成的长条状第二绝缘壳体和n个角度传感器，第二绝缘壳体总长度为L，均分为n段，每一段的长度为l，则L＝nl；每一段设置一个角度传感器Ci，自上而下依次记为C1，C2，……，Cn，所有角度传感器均密封于第二绝缘壳体中，所有角度传感器均通过柔性导线与控制电路板连接，n为正整数，n≥2；
所述检测尺的上端与第一绝缘壳体连接，角度传感器和无线通信模块均与控制模块连接，电池给控制模块、无线通信模块和角度传感器供电；
所述角度传感器为陀螺仪角度传感器；
所述第二绝缘壳体上沿其长度方向设置有刻度，控制模块的储存器中存储有每个角度传感器所对应的刻度值；
所述控制装置上设置有用于显示检测值的显示屏，显示屏与控制模块电连接；
基于柔性电子水尺求解修正系数的方法，包括如下步骤：
步骤一，采用流速仪对同一水域的同一测试点不同深度处的流速进行测定，获得准确值V0i，分别记为V01，V02，……，V0n；
步骤二、采用上述柔性电子水尺对步骤一中所述同一水域的同一测试点不同深度处的流速分别进行测定，获得角度传感器Ci测量的角度初始值，重复测定m次求平均值，得出初始角度平均值W0i'，n个角度传感器测得的初始角度平均值分别记为W01'，W02'，……，W0n'，m为正整数，m≥3；
步骤三、将角度值W0i'换算流速初始值V0i'，
根据检测尺的受理情况：
T·cosW0i'＝mg； (1)
T·sinW0i'＝p·ΔS； (2)
ΔS＝l·2r (3)
其中，mg为每一段检测尺的重量，已知；T为每一段检测尺受的拉力；f＝p·ΔS，f为每一段检测尺受到流水的冲击力，p为不同深度处流水作用于对应段检测尺的压强，ΔS为每一段检测尺迎水面的面积，r为第二绝缘壳体的外径；
以及，流体的伯努利方程：
Figure FDA0003734122930000021
其中，Q为常量，ρ为液体的密度；
第i个角度传感器对应的深度hi＝l(cosW01'+cosW02'+……+cosW0i')； (5)
由公式(1)-(5)得出：
Figure FDA0003734122930000022
步骤四、对步骤三中的V0i'和步骤一中的V0i进行比较，得出：
V0i＝ki·V0i'+di； (7)
即求得修正系数，其中，i为正整数，1≤i≤n，ki为第一修正系数，di为第二修正系数；
采用柔性电子水尺的测量水流速的方法，包括如下步骤：
步骤一、将柔性电子水尺置于待检测水域的待检测点，使检测尺的0刻度线与水平面齐平；
步骤二、开启电源，由于不同深度hi处水的流速不同，则不同段的柔性水尺的倾斜角度不同，每个角度传感器测得对应段柔性水尺的倾斜角度Wi，并传递给控制模块，控制模块将Wi计算换算成计算值Vi'，套用公式(6)，得出：
Figure FDA0003734122930000023
再根据已求解的第一修正系数ki和第二修正系数di，套用公式(7)计算出不同深度处的实际流速Vi，
Vi＝ki·Vi'+di， (9)
并将计算值Vi在显示屏上显示。
2.根据权利要求1所述的柔性电子水尺，其特征在于，所述第二绝缘壳体为由柔性ABS塑料制成的管状件。
3.根据权利要求1或2所述的柔性电子水尺，其特征在于，所述控制装置通过无线通信模块将检测值传送给移动端和/或上位机显示。
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