CN113917185A - 一种声学全断面测流仪及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声学全断面测流仪，包括主机、从机、5G频段的宽带天线、安装支架、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计，所述主即和从机双机数据链自主组网交互，不依赖公网与机站。即可基本完整地反映出整个过水断面的流速场属性，代表着过水断面的平均声学特性，根据来回的声音信息进行层析反演，得出来时间变化数据，从而即可换算出断面平均流速值，从而依靠两点的声学直达波与多途波混响互易时间变化，就可以反演出二维的断面平均流速，达到了可利用高频度互易传输声层析原理进行测量的效果，在有限的投资下即可实现快速测量，达到了极大地缩短系统测量周期的效果，实现了满足水文测量的目标。
Description
技术领域
本发明涉及水流检测技术领域，尤其涉及一种声学全断面测流仪及其工作方法。
背景技术
声波在水中具有优越的传播特性，在地表水中能量和信息远距离传递的最有效辐射形式。由于水体的层化、峰面、内波、反射、散射、吸收、水面与水底边界都对传播都有影响，因此声波在水中传播过程中就携带着大量传播途径信息，通过对声学信号的频率、相位、时间、多途结构等特征分析，可以推算出很多水体信息。
声学解析技术是一种反演观测方法，可以利用声波辐射从不同角度穿透被测介质，通过测量其吸收与传播时间等特性的差异来反演被测介质属性。声学解析就是利用这一技术，利用测量出的传播时间变化来反演温度场和流场参数。反演中会考虑到温、盐、深的参数变化。断面流量的测量只需要关键的流速数据，所以并不需要得到精确各剖面的流场分布，所以无需通过多维监听声学数据来进行反演。
目前在通过声学对水流进行测量的过程中，需要耗费较大的硬件投资，而且进行测量的速度较慢，测量周期较长，难以灵活高效地满足水文测量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种声学全断面测流仪及其工作方法，解决了目前在通过声学对水流进行测量的过程中，需要耗费较大的硬件投资，而且进行测量的速度较慢，测量周期较长，难以灵活高效地满足水文测量的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种声学全断面测流仪，包括主机、从机、5G频段的宽带天线、安装支架、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计，所述主机和从机双机数据链自主组网交互，不依赖公网与基站，5G频段的宽带天线、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计均与安装支架固定安装，所述主机和从机均分别与 5G频段的宽带天线、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、 4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计电性连接。
优选的，所述安装支架含有声呐换能器。
优选的，所述水位计的水位测量范围为0.1～30m，且水位计的水位测量精度为±0.1％,±5mm/s。
优选的，所述主机和从机的工作频率为88KHz，且剖面测量范围为0.2～200m。
一种声学全断面测流仪的工作方法，包括以下步骤：
S1：先通过在河道两岸的工作站各安装主机和从机两套设备交互工作来开展测量工作；
S2：再根据河流方向，选择河流方向的45度角的方位安装水位计和水温/电导率计，主机和从机组成的双机交替发射调制的超声波信号，根据双机接收到对方信号所需断面多途混响声通道时间的差值来确定河道流速；
S3：超声波信号从主机发出后，在65度夹角的范围内，声学直达波与多途波混响，即可通过从机获取到完整的信号；
S4：在进行互易后，从机声波经由同样通道声波，即可被主机接收到；
S5：通过对声信号进行分析，即可基本完整地反映出整个过水断面的流速场属性，代表着过水断面的平均声学特性；
S6：根据来回的声音信息进行层析反演，得出来时间变化数据，从而即可换算出断面平均流速值。
6、根据权利要求1所述的一种声学全断面测流仪，其特征在于，所述主机和从机的最大流速量程为≥±5m/s，且流速测量精度为±1％, ±5mm/s。
优选的，所述水位计和水温/电导率计均采用工业仪表的设计标准。
优选的，所述主机和从机均和第三方大型显示平台连接并显示，且与多台物联网多参数显示终端实时显示数据，并且具有电话语音示警、短信示警、电邮示警功能。
优选的，所述多台物联网多参数显示终端进行实时显示数据过程中，试验的工作人员通过注册使用端的账号，并申请认证，认证通过后，试验工作人员通过登录，向多参数显示终端发送显示数据，或者发送显示数据的允许接入指令，而发送显示数据允许接入的指令由总控制端生成，而试验操作人员向多参数显示终端发送显示数据，需要经过总控制端的审核模块进行审核才能使多参数显示终端显示面板显示。
优选的，所述多参数显示终端内设控制模块和无线信号输出模块，在操作人员的用户登录密码输入错误八次后，则锁死该登录账号，并由控制模块发出指令，通过无线信号输出模块向总控制端输出警示信息；而操作账号在输入允许接入指令时，连续错误输入五次，则锁止该账号的发送允许接入指令权限，并由控制模块发出指令，通过无线信号输出模块向总控制端传输警示信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该声学全断面测流仪及其工作方法，通过在河道两岸的工作站各安装主机和从机两套设备交互工作来开展测量工作，再根据河流方向，选择河流方向的45度角的方位安装水位计和水温/电导率计，主机和从机组成的双机交替发射调制的超声波信号，根据双机接收到对方信号所需断面多途混响声通道时间的差值来确定河道流速，超声波信号从主机发出后，在65度夹角的范围内，声学直达波与多途波混响，即可通过从机获取到完整的信号，在进行互易后，从机声波经由同样通道声波，即可被主机接收到，通过对声信号进行分析，即可基本完整地反映出整个过水断面的流速场属性，代表着过水断面的平均声学特性，根据来回的声音信息进行层析反演，得出来时间变化数据，从而即可换算出断面平均流速值，从而依靠两点的声学直达波与多途波混响互易时间变化，就可以反演出二维的断面平均流速，达到了可利用高频度互易传输声层析原理进行测量的效果，在有限的投资下即可实现快速测量，达到了极大地缩短系统测量周期的效果，实现了满足水文测量的目标。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明测量原理示意图；
图3为本发明算法示意图。
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。
实施例1：参照图1-3，一种声学全断面测流仪，包括主机、从机、5G频段的宽带天线、安装支架、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计，主机和从机双机数据链自主组网交互，不依赖公网与基站，5G频段的宽带天线、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计均与安装支架固定安装，主机和从机均分别与5G频段的宽带天线、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计电性连接。
本发明中，安装支架含有声呐换能器。
本发明中，水位计的水位测量范围为0.1～30m，且水位计的水位测量精度为±0.1％,±5mm/s。
本发明中，主机和从机的工作频率为88KHz，且剖面测量范围为 0.2～200m。
一种声学全断面测流仪的工作方法，包括以下步骤：
S1：先通过在河道两岸的工作站各安装主机和从机两套设备交互工作来开展测量工作；
S2：再根据河流方向，选择河流方向的45度角的方位安装水位计和水温/电导率计，主机和从机组成的双机交替发射调制的超声波信号，根据双机接收到对方信号所需断面多途混响声通道时间的差值来确定河道流速；
S3：超声波信号从主机发出后，在65度夹角的范围内，声学直达波与多途波混响，即可通过从机获取到完整的信号；
S4：在进行互易后，从机声波经由同样通道声波，即可被主机接收到；
S5：通过对声信号进行分析，即可基本完整地反映出整个过水断面的流速场属性，代表着过水断面的平均声学特性；
S6：根据来回的声音信息进行层析反演，得出来时间变化数据，从而即可换算出断面平均流速值。
本发明中，主机和从机的最大流速量程为≥±5m/s，且流速测量精度为±1％,±5mm/s。
本发明中，水位计和水温/电导率计均采用工业仪表的设计标准。
本发明中，主机和从机均和第三方大型显示平台连接并显示，且与多台物联网多参数显示终端实时显示数据，并且具有电话语音示警、短信示警、电邮示警功能。
实施例2：参照图1-3，一种声学全断面测流仪，包括主机、从机、5G频段的宽带天线、安装支架、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计，主机和从机双机数据链自主组网交互，不依赖公网与基站，5G频段的宽带天线、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计均与安装支架固定安装，主机和从机均分别与5G频段的宽带天线、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计电性连接。
本发明中，安装支架含有声呐换能器。
本发明中，水位计的水位测量范围为0.1～30m，且水位计的水位测量精度为±0.1％,±5mm/s。
本发明中，主机和从机的工作频率为88KHz，且剖面测量范围为 0.2～200m。
一种声学全断面测流仪的工作方法，包括以下步骤：
S1：先通过在河道两岸的工作站各安装主机和从机两套设备交互工作来开展测量工作；
S2：再根据河流方向，选择河流方向的45度角的方位安装水位计和水温/电导率计，主机和从机组成的双机交替发射调制的超声波信号，根据双机接收到对方信号所需断面多途混响声通道时间的差值来确定河道流速；
S3：超声波信号从主机发出后，在65度夹角的范围内，声学直达波与多途波混响，即可通过从机获取到完整的信号；
S4：在进行互易后，从机声波经由同样通道声波，即可被主机接收到；
S5：通过对声信号进行分析，即可基本完整地反映出整个过水断面的流速场属性，代表着过水断面的平均声学特性；
S6：根据来回的声音信息进行层析反演，得出来时间变化数据，从而即可换算出断面平均流速值。
本发明中，主机和从机的最大流速量程为≥±5m/s，且流速测量精度为±1％,±5mm/s。
本发明中，水位计和水温/电导率计均采用工业仪表的设计标准。
本发明中，主机和从机均和第三方大型显示平台连接并显示，且与多台物联网多参数显示终端实时显示数据，并且具有电话语音示警、短信示警、电邮示警功能。
本发明中，多台物联网多参数显示终端进行实时显示数据过程中，试验的工作人员通过注册使用端的账号，并申请认证，认证通过后，试验工作人员通过登录，向多参数显示终端发送显示数据，或者发送显示数据的允许接入指令，而发送显示数据允许接入的指令由总控制端生成，而试验操作人员向多参数显示终端发送显示数据，需要经过总控制端的审核模块进行审核才能使多参数显示终端显示面板显示。
本发明中，多参数显示终端内设控制模块和无线信号输出模块，在操作人员的用户登录密码输入错误八次后，则锁死该登录账号，并由控制模块发出指令，通过无线信号输出模块向总控制端输出警示信息；而操作账号在输入允许接入指令时，连续错误输入五次，则锁止该账号的发送允许接入指令权限，并由控制模块发出指令，通过无线信号输出模块向总控制端传输警示信息。
综上所述，该声学全断面测流仪及其工作方法，通过在河道两岸的工作站各安装主机和从机两套设备交互工作来开展测量工作，再根据河流方向，选择河流方向的45度角的方位安装水位计和水温/电导率计，主机和从机组成的双机交替发射调制的超声波信号，根据双机接收到对方信号所需断面多途混响声通道时间的差值来确定河道流速，超声波信号从主机发出后，在65度夹角的范围内，声学直达波与多途波混响，即可通过从机获取到完整的信号，在进行互易后，从机声波经由同样通道声波，即可被主机接收到，通过对声信号进行分析，即可基本完整地反映出整个过水断面的流速场属性，代表着过水断面的平均声学特性，根据来回的声音信息进行层析反演，得出来时间变化数据，从而即可换算出断面平均流速值，从而依靠两点的声学直达波与多途波混响互易时间变化，就可以反演出二维的断面平均流速，达到了可利用高频度互易传输声层析原理进行测量的效果，在有限的投资下即可实现快速测量，达到了极大地缩短系统测量周期的效果，实现了满足水文测量的目标，解决了目前在通过声学对水流进行测量的过程中，需要耗费较大的硬件投资，而且进行测量的速度较慢，测量周期较长，难以灵活高效地满足水文测量的问题。
需要说明的是，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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种声学全断面测流仪，其特征在于，包括主机、从机、5G频段的宽带天线、安装支架、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计，所述主机和从机双机数据链自主组网交互，不依赖公网与基站，5G频段的宽带天线、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计均与安装支架固定安装，所述主机和从机均分别与5G频段的宽带天线、GPS\北斗双模定位与高精度授时天线、4G\GPRS\NB物联网通信天线、水位计和水温/电导率计电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种声学全断面测流仪，其特征在于，所述安装支架含有声呐换能器。
3.根据权利要求1所述的一种声学全断面测流仪，其特征在于，所述水位计的水位测量范围为0.1～30m，且水位计的水位测量精度为±0.1％,±5mm/s。
4.根据权利要求1所述的一种声学全断面测流仪，其特征在于，所述主机和从机的工作频率为88KHz，且剖面测量范围为0.2～200m。
5.根据权利要求1所述的一种声学全断面测流仪的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：先通过在河道两岸的工作站各安装主机和从机两套设备交互工作来开展测量工作；
S2：再根据河流方向，选择河流方向的45度角的方位安装水位计和水温/电导率计，主机和从机组成的双机交替发射调制的超声波信号，根据双机接收到对方信号所需断面多途混响声通道时间的差值来确定河道流速；
S3：超声波信号从主机发出后，在65度夹角的范围内，声学直达波与多途波混响，即可通过从机获取到完整的信号；
S4：在进行互易后，从机声波经由同样通道声波，即可被主机接收到；
S5：通过对声信号进行分析，即可基本完整地反映出整个过水断面的流速场属性，代表着过水断面的平均声学特性；
S6：根据来回的声音信息进行层析反演，得出来时间变化数据，从而即可换算出断面平均流速值。
6.根据权利要求1所述的一种声学全断面测流仪，其特征在于，所述主机和从机的最大流速量程为≥±5m/s，且流速测量精度为±1％,±5mm/s。
7.根据权利要求1所述的一种声学全断面测流仪，其特征在于，所述水位计和水温/电导率计均采用工业仪表的设计标准。
8.根据权利要求1所述的一种声学全断面测流仪，其特征在于，所述主机和从机均和第三方大型显示平台连接并显示，且与多台物联网多参数显示终端实时显示数据，并且具有电话语音示警、短信示警、电邮示警功能。
9.根据权利要求8所述的一种声学全断面测流仪，其特征在于，所述多台物联网多参数显示终端进行实时显示数据过程中，试验的工作人员通过注册使用端的账号，并申请认证，认证通过后，试验工作人员通过登录，向多参数显示终端发送显示数据，或者发送显示数据的允许接入指令，而发送显示数据允许接入的指令由总控制端生成，而试验操作人员向多参数显示终端发送显示数据，需要经过总控制端的审核模块进行审核才能使多参数显示终端显示面板显示。
10.根据权利要求9所述的一种声学全断面测流仪，其特征在于，所述多参数显示终端内设控制模块和无线信号输出模块，在操作人员的用户登录密码输入错误八次后，则锁死该登录账号，并由控制模块发出指令，通过无线信号输出模块向总控制端输出警示信息；而操作账号在输入允许接入指令时，连续错误输入五次，则锁止该账号的发送允许接入指令权限，并由控制模块发出指令，通过无线信号输出模块向总控制端传输警示信息。
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