CN112880778A - 基于量水槽检测装置及量水槽流量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量水槽检测装置及量水槽流量检测方法，通过采用超声波探头矩阵，使得数据的采集更加准确，可以实现需水预测、灌溉决策、定量供水等功能。根据本发明提供的方法，分别计算超声波探头矩阵的探头故障、正常情况下的流量，在故障时，分连续及不连续的情况计算流量，使得测量数据更加准确，同时对数据进行实时监测及报警，也可以采用终端APP、无线通讯模块及报警器的方式，将数据进行实时的传输，实现远程参数设置和数据监控。

Description

基于量水槽检测装置及量水槽流量检测方法

技术领域

本发明涉及超声波检测技术领域，具体涉及一种基于量水槽检测装置及量水槽流量检测方法。

背景技术

随着全球水资源供需日渐紧张，水资源的高效利用已成为世界各国迫切需要解决的问题，当前，我国水资源紧缺现状严峻，属于干旱缺水严重国家，由于时空分布不均、水土资源不匹配、利用率不高、水浪费和水源污染等特点，造成当前我国水资源的紧缺。

灌区是区域农业发展的基础，当前水资源短缺成为制约当地经济发展的重要问题，我国农业灌溉用水的百分之七十都损失再落后的用水管理上，利用渠灌流量智能监测系统是提高该地区农业用水效率的关键。然而，灌区渠道较多，测点分布较广，人工读取数据浪费人力且精度较低，目前的做法是将流量测量范围内分成有限个校正段，并对这些校正段给以不同的矫正系数分别给予校正，在实际应用中由于校正点过多，存在测量数据准确性低、实时性差、不能及时进行报警的问题。

发明内容

因此，本发明提供的基于量水槽检测装置及量水槽流量检测方法，克服了现有技术中测量数据准确性低、实时性差、不能及时进行报警的缺陷。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种量水槽检测装置，包括：量水槽、超声波探头矩阵、立杆、控制器、液位传感器、无线通讯模块、智能采集芯片、报警器；

量水槽，所述量水槽用于连接断面渠道；

超声波探头矩阵，设置在量水槽两侧立板的外表面，用于获取不同声道的声波传播时间、声波传播通道的长度；

液位传感器，设置在量水槽中，用于实时采集测量水面深度；

控制器、智能采集芯片、报警器，设置在所述立杆中；所述智能采集芯片，用于采集量水槽内部水深、量水槽流道底板标高、量水槽宽度、淹没的流道数、量水槽高度；所述控制器包括存储器和处理器，处理器根据超声波探头矩阵、液位传感器及智能采集芯片的测量参数实时计算线平均流速、水槽流量，所述存储器用于存储控制器的计算数据；

报警器，用于当控制器检测到超声波探头矩阵的探头损坏或故障时，进行报警。

在一实施例中，还包括：终端APP、无线通讯模块；

无线通讯模块设置在所述立杆中；

所述终端APP通过无线通讯模块与控制器进行数据传输。

在一实施例中，太阳能电池板，所述太阳能电池板设置在所述立杆的顶部，所述太阳能电池板连接所述超声波探头矩阵、控制器、液位传感器、无线通讯模块、智能采集芯片及报警器，为超声波探头矩阵、控制器、液位传感器、无线通讯模块、智能采集芯片及报警器供电。

第二方面，本发明实施例提供一种量水槽流量检测方法，基于第一方面的量水槽检测装置，所述检测方法包括：根据不同声道的线平均流速计算对应声道的断面平均流速；

根据量水槽内部水深、量水槽高度判断渠道是否为满管，根据每个声道的断面平均流速，分别计算满管、非满管情况下断面的总流量；

当超声波探头矩阵的探头异常时，根据声道相关系数计算断面的总流量。

在一实施例中，通过以下公式计算不同声道的线平均流速：

Δt＝t₂-t₁

其中，ν_i为i声道上的线平均流速，l_i为声波传播通道的长度，θ为声道角，t₁为声波顺向传播的时间，t₂为声波逆向传播的时间，Δt为声波顺流方向传播时间与声波逆流方向传播时间的差值，

为声波顺流方向传播时间与声波逆流方向传播时间的平均值。

在一实施例中，通过以下公式计算不同声道对应断面的平均流速：

其中，

为第i部分断面平均流速，k_i为第i声道的修正系数。

在一实施例中，当h_i≥D满管时，通过以下公式计算断面的总流量：

当0＜h_i＜D非满管时，通过以下公式计算断面的总流量：

h_i＝H_i-d

其中，Q为断面计算流量，h_i为量水槽内部水深，H_i为液位传感器测得的水面深度，d为量水槽流道底板标高，b为量水槽宽度，n为淹没的流道数，C_i为非满管系数，D为量水槽高度。

在一实施例中，当h_i>0渠道中有水时，连续采集预设次数的ν_i均为0，进行报警；当h_i≤0渠道中无水时，连续采集预设次数的ν_i均大于0，进行报警。

在一实施例中，当超声波探头矩阵的探头不连续异常时，根据以下过程计算第i部分断面平均流速

对超声波探头矩阵的探头进行标号，从设备底部沿纵向编号1，2，…，i，i+1，…，n-1，n；

当编号为1的探头故障时，

当编号为i的探头故障时，

当编号为n的探头故障时，

其中，g_i为i声道的相关系数。

在一实施例中，当连续多个探头异常时，缺失的探头编号为j，j+1，…，j+n，则：

此时，断面计算流量

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明公开了一种基于量水槽检测装置及量水槽流量检测方法，通过采用超声波探头矩阵，使得数据的采集更加准确，同时采用终端APP、无线通讯模块及报警器，将数据进行实时的传输，终端APP、报警器的联合应用，实现需水预测、灌溉决策、定量供水等功能。根据本发明提供的方法，分别计算超声波探头矩阵的探头故障、正常情况下的流量，在故障时，分连续及不连续的情况计算流量，使得测量数据更加准确，同时对数据进行实时监测及报警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种量水槽检测装置的一个具体示例的组成图；

图2为本发明实施例提供的一种量水槽检测装置立杆的组成图；

图3为本发明实施例提供的一种量水槽检测装置测量数据的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种量水槽检测装置的另一具体示例的组成图；

图5为本发明实施例提供的一种量水槽流量检测方法的一个具体示例的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供的一种量水槽检测装置，如图1和图2所示，包括：量水槽、超声波探头矩阵、立杆、控制器、液位传感器、无线通讯模块、智能采集芯片、报警器；量水槽，所述量水槽用于连接断面渠道；超声波探头矩阵，设置在量水槽两侧立板的外表面，用于获取不同声道的声波传播时间、声波传播通道的长度；液位传感器，设置在量水槽中，用于实时采集测量水面深度；控制器、智能采集芯片、报警器，设置在所述立杆中；所述智能采集芯片，用于采集量水槽内部水深、量水槽流道底板标高、量水槽宽度、淹没的流道数、量水槽高度；如图3所示，量水槽下面也有厚度，并非直接是河床，其中h为测得量水槽内部水深，H为测得此时水面深度，水面深度即河床底部到河表面的高度；所述控制器包括存储器和处理器，处理器根据超声波探头矩阵、液位传感器及智能采集芯片的测量参数实时计算线平均流速、水槽流量，所述存储器用于存储控制器的计算数据；报警器，用于当控制器检测到超声波探头矩阵的探头损坏或故障时，进行报警。通过采用超声波探头矩阵，使得数据的采集更加准确，对线程情况进行实时报警及监测。

在本发明实施例中，如图4所示，上述的量水槽检测装置还包括：终端APP、无线通讯模块；无线通讯模块设置在所述立杆中；所述终端APP通过无线通讯模块与控制器进行数据传输；终端APP可以为手机端或者电脑端，仅以此举例，不以此为限，在实际应用中根据实际需求对终端进行相应的选择，通过将数据再终端上进行显示，保证渠道管理人员和下游用水农户实时监测水位流量信息，真正实现精良用水，精细灌排。

在本发明实施例中，上述的量水槽检测装置还包括：太阳能电池板，所述太阳能电池板设置在所述立杆的顶部，所述太阳能电池板连接所述超声波探头矩阵、控制器、液位传感器、无线通讯模块、智能采集芯片及报警器，为超声波探头矩阵、控制器、液位传感器、无线通讯模块、智能采集芯片及报警器供电，体现了绿色环保及可持续发展的理念。

本发明实施例提供的量水槽检测装置，通过采用超声波探头矩阵，使得数据的采集更加准确，同时采用终端APP、无线通讯模块及报警器，将数据进行实时的传输，终端APP、报警器的联合应用，实现需水预测、灌溉决策、定量供水等功能，不仅为田间灌水单元用水智慧调控与管理提供了硬件设备支持，通过本实施例提供的检测装置可以时间对渠道的水情监测、灌区调度、灌区管理、系统管理等功能模块远程线上实时监测与管理。

实施例2

本发明实施例提供的一种量水槽流量检测方法，如图5所示，基于实施例1的量水槽检测装置，所述检测方法包括如下步骤：

步骤S1：根据不同声道的线平均流速计算对应声道的断面平均流速。

在本发明实施例中，通过实施例1的量水槽检测装置采集相关数据，通过以下公式计算不同声道的线平均流速：

Δt＝t₂-t₁

其中，ν_i为i声道上的线平均流速，l_i为声波传播通道的长度，θ为声道角，t₁为声波顺向传播的时间，t₂为声波逆向传播的时间(t₁、t₂均为实测值)，Δt为声波顺流方向传播时间与声波逆流方向传播时间的差值，

为声波顺流方向传播时间与声波逆流方向传播时间的平均值。

在本发明实施例中，通过以下公式计算不同声道对应断面的平均流速：

其中，

为第i部分断面平均流速，k_i为第i声道的修正系数即流场校正因子，在实际应用中根据实际需求进行相应的选择。

步骤S2：根据量水槽内部水深、量水槽高度判断渠道是否为满管，根据每个声道的断面平均流速，分别计算满管、非满管情况下断面的总流量。

在本发明实施例中，当h_i≥D满管时，通过以下公式计算断面的总流量：

当0＜h_i＜D非满管时，通过以下公式计算断面的总流量：

h_i＝H_i-d

其中，Q为断面计算流量，h_i为量水槽内部水深，H_i为液位传感器测得的水面深度，d为量水槽流道底板标高，b为量水槽宽度，n为淹没的流道数，C_i为非满管系数，D为量水槽高度。

在本发明实施例中，当h_i>0渠道中有水时，连续采集预设次数的ν_i均为0，进行报警；当h_i≤0渠道中无水时，连续采集预设次数的ν_i均大于0，进行报警，预设次数根据实际需求进行相应的选取，在此不作限制。

在一具体实施例中，当渠道中有水时，即h_i>0时，

(连续5个数均等于0)，报警第i通道故障，报警一次；

(连续5个数均等于0)，报警第1通道故障，报警一次；

(连续5个数均等于0)，报警第j通道故障，报警一次；

如果2个及2个以上通道数故障，报警一次。

在一具体实施例中，当渠道中无水时，若

(连续10个数均大于0)，数据不正常，报警一次。

步骤S3：当超声波探头矩阵的探头异常时，根据声道相关系数计算断面的总流量。

在本发明实施例中，当超声波探头矩阵的探头不连续异常时，即探头缺失或故障条件下，根据以下过程计算第i部分断面平均流速

对超声波探头矩阵的探头进行标号，从设备底部沿纵向编号1，2，…，i，i+1，…，n-1，n；

当编号为1的探头故障时，

当编号为i的探头故障时，

当编号为n的探头故障时，

其中，g_i为i声道的相关系数，其取值在设备出厂时就已确定，根据不同的设备选取不同的数值，此时，根据计算的

根据渠道的实际情况，将其带入到满管或非满管的公式中进行断面计算流量。

在本发明实施例中，当连续多个探头异常时，缺失的探头编号为j，j+1，…，j+n，则：

此时，断面计算流量

本发明实施例中提供的量水槽流量检测方法，根据不同声道的线平均流速计算对应声道的断面平均流速；根据量水槽内部水深、量水槽高度判断渠道是否为满管，根据每个声道的断面平均流速，分别计算满管、非满管情况下断面的总流量；当超声波探头矩阵的探头异常时，根据声道相关系数计算断面的总流量。根据本发明实施例提供的方法，分别计算超声波探头矩阵的探头故障、正常情况下的流量，在故障时，分连续及不连续的情况计算流量，使得测量数据更加准确。

在本发明实施例中，通过手机APP可直接远程控制量水槽，实时监测获取数据，如下表所示，通过APP可设定的参数：

在本发明实施例中，也可实现自动控制，具体过程如下：

在水位控制时：若H₀≥H_i，则手机APP发出报警：“水位设定值不合理！”；当满足(1-w)H_i≤H₀≤(1+w)H_i时，手机APP显示：“水位设定值合理！”，w为允许误差，手机APP设定，一般为0.05，仅以此举例，不以此为限，在实际应用中根据实际需求选择相应的数值。式中，H_i为实时监测目标水位，m；H₀为设定目标水位值，m，w为允许误差。

在流量控制时：若Q₀≥Q_i，则手机APP发出报警：“流量设定值不合理！”；当满足(1-w)Q_i≤Q₀≤(1+w)Q_i时，手机APP显示：“流量设定值合理！”，w为允许误差，手机APP设定，一般为0.05。式中，Q_i为实时监测目标流量，m³/s；Q₀为设定目标流量值，m³/s，w为允许误差。

本发明实施例中提供的量水槽流量检测方法，保证渠道管理人员和下游用水农户实时监测水位流量信息，实现了精良用水，精细灌排。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种量水槽检测装置，其特征在于，包括：量水槽、超声波探头矩阵、立杆、控制器、液位传感器、无线通讯模块、智能采集芯片、报警器；

量水槽，所述量水槽用于连接断面渠道；

超声波探头矩阵，设置在量水槽两侧立板的外表面，用于获取不同声道的声波传播时间、声波传播通道的长度；

液位传感器，设置在量水槽中，用于实时采集测量水面深度；

控制器、智能采集芯片、报警器，设置在所述立杆中；所述智能采集芯片，用于采集量水槽内部水深、量水槽流道底板标高、量水槽宽度、淹没的流道数、量水槽高度；所述控制器包括存储器和处理器，处理器根据超声波探头矩阵、液位传感器及智能采集芯片的测量参数实时计算线平均流速、水槽流量，所述存储器用于存储控制器的计算数据；

报警器，用于当控制器检测到超声波探头矩阵的探头损坏或故障时，进行报警。

2.根据权利要求1所述的量水槽检测装置，其特征在于，还包括：终端APP、无线通讯模块；

无线通讯模块设置在所述立杆中；

所述终端APP通过无线通讯模块与控制器进行数据传输。

3.根据权利要求1或2所述的量水槽检测装置，其特征在于，还包括：太阳能电池板，所述太阳能电池板设置在所述立杆的顶部，所述太阳能电池板连接所述超声波探头矩阵、控制器、液位传感器、无线通讯模块、智能采集芯片及报警器，为超声波探头矩阵、控制器、液位传感器、无线通讯模块、智能采集芯片及报警器供电。

4.一种量水槽流量检测方法，其特征在于，基于权利要求1-3任一所述的量水槽检测装置，所述检测方法包括：

根据不同声道的线平均流速计算对应声道的断面平均流速；

根据量水槽内部水深、量水槽高度判断渠道是否为满管，根据每个声道的断面平均流速，分别计算满管、非满管情况下断面的总流量；

当超声波探头矩阵的探头异常时，根据声道相关系数计算断面的总流量。

5.根据权利要求4所述的量水槽流量检测方法，其特征在于，通过以下公式计算不同声道的线平均流速：

Δt＝t₂-t₁

其中，ν_i为i声道上的线平均流速，l_i为声波传播通道的长度，θ为声道角，t₁为声波顺向传播的时间，t₂为声波逆向传播的时间，Δt为声波顺流方向传播时间与声波逆流方向传播时间的差值，

为声波顺流方向传播时间与声波逆流方向传播时间的平均值。

6.根据权利要求5所述的量水槽流量检测方法，其特征在于，通过以下公式计算不同声道对应断面的平均流速：

其中，

为第i部分断面平均流速，k_i为第i声道的修正系数。

7.根据权利要求6所述的量水槽流量检测方法，其特征在于，

当h_i≥D满管时，通过以下公式计算断面的总流量：

当0＜h_i＜D非满管时，通过以下公式计算断面的总流量：

h_i＝H_i-d

其中，Q为断面计算流量，h_i为量水槽内部水深，H_i为液位传感器测得的水面深度，d为量水槽流道底板标高，b为量水槽宽度，n为淹没的流道数，C_i为非满管系数，D为量水槽高度。

8.根据权利要求7所述的量水槽流量检测方法，其特征在于，当h_i>0渠道中有水时，连续采集预设次数的ν_i均为0，进行报警；当h_i≤0渠道中无水时，连续采集预设次数的ν_i均大于0，进行报警。

9.根据权利要求8所述的量水槽流量检测方法，其特征在于，当超声波探头矩阵的探头不连续异常时，根据以下过程计算第i部分断面平均流速

对超声波探头矩阵的探头进行标号，从设备底部沿纵向编号1，2，…，i，i+1，…，n-1，n；

当编号为1的探头故障时，

当编号为i的探头故障时，

当编号为n的探头故障时，

其中，g_i为i声道的相关系数。

10.根据权利要求8所述的量水槽流量检测方法，其特征在于，当连续多个探头异常时，缺失的探头编号为j，j+1，…，j+n，则：

此时，断面计算流量

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