CN114235107A - 一种明渠流量计量的校准方法和校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种明渠流量计量的校准方法及校准系统，包括：预设测速传感器的数量和沿高度方向间距参数；在设定的流态下测量得到流量计量测量值并与预设标准表流量值进行比较，得到误差值；当误差值不在误差范围内时，以该误差为目标，向梯度下降方向通过迭代算法依次改变间距参数，减小误差值，通过迭代算法依次改变测速传感器的数量，减小误差值直至误差值在误差范围内；当误差值在误差值范围内时，输出对应的测速传感器的数量和间距参数。将测速传感器设置为高度可调的结构，并通过迭代算法，不断调整测速传感器的间距和数量，最终得到不同箱体内测速传感器的最优分布，从而提高该超声波明渠流量计量装置的检测准确性。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及一种明渠流量计量的校准方法和校准系统。
背景技术
明渠水流具有自由表面，表面上各点受大气压强作用，其相对压强为零，所以又称为无压流。明渠水流广泛的存在于自然界中，广泛运用于工业废水、城市污水、农业灌溉及公路排水系统中。按照水力学的定义，明渠水流按其流线是否为相互平行的直线，可以划分为均匀流和非均匀流。明渠水流状态的研究是水利工程研究的一个重要组成部分。
目前的，明渠流量测水箱用于模拟明渠水流状态，并采用的先分层并用超声波测速，接着用层流速与对应层面积进行积分运算后得到流量计量。具体的，超声波传感器的分布，包括数量以及层间距，是流量的计量精度的关键因素之一。
现有的超声波传感器的分布主要是依据认为经验或业主要求进行部分，不仅依据不充分，并且无法给出最佳的传感器分布设计。
因此，如何提供一种明渠流量计量的校准方法，以获取声波传感器的最优分布，是本技术领域人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种明渠流量计量的校准方法，以获取声波传感器的最优分布。此外，本发明还提供了一种明渠流量计量的校准系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种明渠流量计量的校准方法，其包括：
预设测速传感器的数量和沿高度方向相邻的测速传感器的间距参数；
采用上述参数在设定的流态下进行测量得到流量计量测量值；
将流量计量测量值与预设标准表流量值进行比较，得到误差值，并判断误差值与误差范围的大小；
当误差值不在所述误差范围内时，以该误差为目标，向梯度下降方向通过迭代算法依次改变间距参数，减小误差值，通过迭代算法依次改变测速传感器沿高度方向布置的数量，减小误差值直至误差值在所述误差范围内；
当所述误差值在所述误差值范围内时，输出对应的测速传感器的数量和间距参数。
优选的，上述的明渠流量计量的校准方法中，所述迭代算法为最小二乘法或神经网络算法。
优选的，上述的明渠流量计量的校准方法中，所述标准表流量值为通过超声波电磁流量计测得的值。
优选的，上述的明渠流量计量的校准方法中，所述改变间距参数通过电机控制所述测速传感器的高度实现。
一种明渠流量计量校准的系统，其包括：
机架；
可沿所述机架的高度方向升降的测速传感器；
处理器，所述处理器根据预设测速传感器的数量和沿高度方向相邻的测速传感器的间距参数，在设定的流态下进行测量得到流量计量测量值；将流量计量测量值与预设标准表流量值进行比较，得到误差值，并判断误差值与误差范围的大小；当误差值不在所述误差范围内时，以该误差为目标，向梯度下降方向通过迭代算法依次改变间距参数，减小误差值，通过迭代算法依次改变测速传感器沿高度方向布置的数量，减小误差值直至误差值在所述误差范围内；当所述误差值在所述误差值范围内时，输出对应的测速传感器的数量和间距参数。
优选的，上述的明渠流量计量校准的系统中，还包括：驱动传动装置，所述驱动传动装置与所述测速传感器传动连接，且带动所述测速传感器沿所述机架的高度方向移动。
优选的，上述的明渠流量计量校准的系统中，所述驱动传动装置包括：
沿所述机架的高度方向设置的导轨；
驱动电机，所述驱动电机与所述处理器信号连接；
传动机构，所述传动机构与所述驱动电机连接，并且所述传动机构与所述测速传感器连接，用于带动所述测速传感器沿所述导轨移动。
优选的，上述的明渠流量计量校准的系统中，所述传动机构包括：
与所述驱动电机传动连接的蜗杆和与所述蜗杆啮合传动的涡轮；
沿所述机架的高度方向设置的丝杠，所述丝杠与所述涡轮的内齿啮合传动，与所述丝杠配合的螺母和所述测速传感器连接。
优选的，上述的明渠流量计量校准的系统中，所述测速传感器通过机架与所述螺母固定连接，并通过所述机架与所述导轨滑动连接。
优选的，上述的明渠流量计量校准的系统中，所述驱动传动装置与所述测速传感器一一对应。
本发明提供了一种明渠流量计量的校准方法，将测速传感器设置为高度可调的结构，并通过迭代算法，不断调整测速传感器的间距和数量，最终得到不同箱体内测速传感器的最优分布，从而提高该超声波明渠流量计量装置的检测准确性。
此外，本发明还提供了一种明渠流量计量的校准系统，包含上述校准方法，因此，超声波明渠流量计量的校准系统也具有上述所有技术效果。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中公开的明渠流量计量的校准方法的流程图；
图2为本发明实施例中公开的明渠流量计量的校准系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中公开的明渠流量计量的校准系统的单层测速传感器的布置结构示意图；
图4为本发明实施例中公开的明渠流量计量的校准系统的局部放大图。
具体实施方式
本发明公开了一种明渠流量计量的校准方法，以获取声波传感器的最优分布。此外，本发明还公开了一种明渠流量计量的校准系统。
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。
如图1所示，本申请公开了一种明渠流量计量的校准方法，具体包括以下过程：
步骤S1:预设测速传感器的数量和沿高度方向相邻的测速传感器的间距参数。
可根据经验预设测速传感器的数量和测速传感器的距离，由于在获取流量计量时，采用的是先对水流分层再利用测速传感器对每一层测速，接着用层流速与对应层面积进行积分运算后得到流量计量。因此，对于测速传感器的层间距需要进行预设，并通过后续计算再获取最优位置。
步骤S2：计算得到流量计量测量值。
采用上述预设的测速传感器的数量和高度方向的间距参数后，在设定的流态下进行测量，从而得到流量计量测量值，具体的计算过程采用的是：用层流速与对应层面积进行积分运算后得到流量计量。
步骤S3：计算误差。
将流量计量测量值与预设标准表流量值进行比较，得到误差值，并判断误差值与误差范围的大小：
当误差值不在误差范围内时，以该误差为目标，向梯度下降方向通过迭代算法依次改变间距参数，减小误差值，通过迭代算法依次改变测速传感器沿高度方向布置的数量，减小误差值直至误差值在所述误差范围内；
当误差值在误差值范围内时，输出对应的测速传感器的数量和间距参数。
本申请中将测速传感器设置为高度可调的结构，并通过迭代算法，不断调整测速传感器的间距和数量，最终得到不同箱体内测速传感器的最优分布，从而提高该超声波明渠流量计量装置的检测准确性。
具体的实施例中，上述的明渠流量计量的校准方法中涉及到的迭代算法具体可为最小二乘法或神经网络算法。对于具体的迭代算法可根据设置的间距不断调整以不断缩小误差，当误差处于通过调整间距获得的最小误差后可通过改变测速传感器的数量进一步缩小误差。在实际中还可通过穷举的方式获取最优配置。
优选的实施例中，上述的标准表流量值可为通过超声波电磁流量计测得的值或本领域技术人员预设的值。
对于改变间距参数可通过电机控制测速传感器的高度实现，即通过电机驱动控制测速传感器的升降，从而改变测速传感器的高度方向间距。在实际中也可通过人工手动操作改变测速传感器的高度。
如图2和图3所示，在此基础上，本申请中还公开了一种明渠流量计量校准的系统，具体包括：机架5、可沿机架5的高度方向升降的测速传感器3和处理器。其中，机架5作为整个校准结构的安装基础，其尺寸和形状等都不限定，在实际中，该机架5可安装在超声波明渠流量测水箱内，该水箱可为箱体结构或框架结构。上述的测速传感器3作为超声波明渠流量测水箱的核心部件，通过超声波测量出每层水流的流速，并通过计算得出所需的流量计量。本申请中的核心在于，该测速传感器3可沿高度方向升降，本申请中涉及到的高度为沿垂直于水流平面的方向，通过测速传感器3的升降可实现对水流的不同层的流速进行测量。
本申请中的处理器根据预设测速传感器3的数量和沿高度方向相邻的测速传感器3的间距参数，在设定的流态下进行测量得到流量计量测量值；将流量计量测量值与预设标准表流量值进行比较，得到误差值，并判断误差值与误差范围的大小；当误差值不在所述误差范围内时，以该误差为目标，向梯度下降方向通过迭代算法依次改变间距参数，减小误差值，通过迭代算法依次改变测速传感器的数量，减小误差值直至误差值在所述误差范围内；当误差值在误差值范围内时，输出对应的测速传感器3的数量和间距参数。
通过设置处理器的自动计算，可直接输出超声波明渠流量测水箱对应的最优的测速传感器3的数量和间距参数，操作者根据获取的参数设置对应的超声波明渠流量测水箱，从而得到校准后的超声波明渠流量测水箱，保证定制化的超声波明渠流量测水箱的精准度。
在上述技术方案的基础上，本申请中还设置了驱动传动装置，该驱动传动装置与测速传感器3传动连接，并且带动测速传感器3沿机架5的高度方向移动。通过设置驱动传动装置可实现对测速传感器3高度方向自动驱动，替代人工调节，从而降低了操作者的劳动强度。
具体的实施例中，上述的驱动传动装置包括：导轨1、驱动电机7和传动机构，其中，导轨1为沿机架5的高度方向设置，该导轨1对测速传感器3的运动进行导向，对于导轨1的尺寸和形状在此不限定；为了防止测速传感器3移动时倾斜，优选的，可件将导轨1设置为两个，并且关于测速传感器3对称布置。上述的驱动电机7与处理器信号连接，当判断误差值不在误差范围内时，则控制驱动电机7启动驱动测速传感器3向误差梯度下降的方向移动，移动的距离需要结合超声波明渠流量测水箱设置分的层数进行移动，对于具体的移动距离可根据不同的需要进行设置，且均在保护范围内。上述的传动机构与驱动电机7连接，并且传动机构与测速传感器3连接，用于带动测速传感器3沿导轨1移动。此处限定了测速传感器3的驱动结构，并通过传动机构进行传动连接。在实际中也可将驱动传动装置设置为气缸结构，通过气缸杆的伸缩改变测速传感器3的位置。
进一步的实施例中，上述的传动机构包括涡轮蜗杆结构和丝杠螺母结构，其中，蜗杆6与驱动电机7传动连接。具体的，蜗杆6与驱动电机7的输出轴通过联轴器连接，蜗杆6与涡轮4啮合传动。
上述的丝杠2沿机架5的高度方向设置，并且丝杠2与涡轮4的内齿啮合传动，具体的，涡轮4的内径处设置有与丝杠2配合的螺纹齿，即当蜗杆6带动涡轮4转动时，涡轮4带动丝杠2转动，而与丝杠2配合的螺母8与测速传感器3连接，通过丝杠2的转动以及测速传感器3在导轨1上的限位，从而使得螺母8沿丝杠2作直线运动，实现测速传感器3高度的调节。本领域技术人员可以理解的是，对于丝杠螺母结构还可将螺母8设置为转动而丝杠2作直线运动，需要说明的是，测速传感器3连接在作直线运动的部件上即可。
更进一步的实施例中，上述的测速传感器3通过机架5与螺母8固定连接，并通过机架5与导轨1滑动连接。通过机架5实现导轨1对测速传感器3的限位，可实现防止测速传感器3随螺母8转动，进而限制了螺母8的转动，实现了直线运动。对于测速传感器3与导轨1之间的滑动连接还可通过其他方式，且均在保护范围内。
由于在实际中明渠流量测水箱内会设置多个测速传感器3，因此，在一具体实施例中可将驱动传动装置与测速传感器3一一对应设置。由于测速传感器3的数量有多个，并且相邻的测速传感器3之间的间距也有多重组合方式，因此，在迭代过程中会有多种不同的组合方式，可通过穷举的方式多次试验，或按照以误差为目标向梯度下降方向迭代。具体的，在操作中由于有多个测速传感器3，因此，会对应多个间距，在操作时可先对间距中一个进行迭代计算，获取最优间距后，再对其他间距一一迭代。
本方案的装置中，公开的测速传感器为超声波传感器，并且超声波传感器包括组成超声通道的第一换能器和第二换能器，且第一换能器和第二换能器分别位于箱体的水平方向的两端，第一换能器和第二换能器位于同一水平面内并沿导轨同步移动。
超声波在流体中传播时，超声波信号在顺流和逆流中传播速度是不同的，这种速度上的差别导致了超声波传播时间的差异，超声波传感器利用超声时差这种特性来测量流体的速度，进而得到流量。
上述的超声通道的工作机理为第一换能器发射超声波信号，第二换能器接收到发射的信号的时间为td；然后第二换能器发射信号，第一换能器接收到发射的信号的时间为tu。根据超声波在水流中的顺流时间td和逆流时间tu计算出水流的流速v：
v＝L*(tu-td)/2tu*td*cosα；其中，α为超声通道和水流方向的夹角，L为第一换能器和第二换能器连线的距离。
在一具体实施例中，可将上述的第一换能器和第二换能器沿箱体的对角线布置，从延长声波传递的距离，提高检测的准确性。对于超声通道和水流方向的夹角可根据不同的情况测定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每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)
1.一种明渠流量计量的校准方法，其特征在于，包括：
预设测速传感器的数量和沿高度方向相邻的测速传感器的间距参数；
采用上述参数在设定的流态下进行测量得到流量计量测量值；
将流量计量测量值与预设标准表流量值进行比较，得到误差值，并判断误差值与误差范围的大小；
当误差值不在所述误差范围内时，以该误差为目标，向梯度下降方向通过迭代算法依次改变间距参数，减小误差值，通过迭代算法依次改变测速传感器沿高度方向布置的数量，减小误差值直至误差值在所述误差范围内；
当所述误差值在所述误差值范围内时，输出对应的测速传感器的数量和间距参数。
2.根据权利要求1所述的明渠流量计量的校准方法，其特征在于，所述迭代算法为最小二乘法或神经网络算法。
3.根据权利要求1所述的超声波明渠流量计量的校准方法，其特征在于，所述标准表流量值为通过超声波电磁流量计测得的值。
4.根据权利要求1所述的明渠流量计量的校准方法，其特征在于，所述改变间距参数通过电机控制所述测速传感器的高度实现。
5.一种明渠流量计量校准的系统，其特征在于，包括：
机架(5)；
可沿所述机架(5)的高度方向升降的测速传感器(3)；
处理器，所述处理器根据预设测速传感器(3)的数量和沿高度方向相邻的测速传感器(3)的间距参数，在设定的流态下进行测量得到流量计量测量值；将流量计量测量值与预设标准表流量值进行比较，得到误差值，并判断误差值与误差范围的大小；当误差值不在所述误差范围内时，以该误差为目标，向梯度下降方向通过迭代算法依次改变间距参数，减小误差值，通过迭代算法依次改变测速传感器沿高度方向布置的数量，减小误差值直至误差值在所述误差范围内；当所述误差值在所述误差值范围内时，输出对应的测速传感器的数量和间距参数。
6.根据权利要求5所述的明渠流量计量校准的系统，其特征在于，还包括：驱动传动装置，所述驱动传动装置与所述测速传感器(3)传动连接，且带动所述测速传感器(3)沿所述机架(5)的高度方向移动。
7.根据权利要求6所述的明渠流量计量校准的系统，其特征在于，所述驱动传动装置包括：
沿所述机架(5)的高度方向设置的导轨(1)；
驱动电机(7)，所述驱动电机(7)与所述处理器信号连接；
传动机构，所述传动机构与所述驱动电机(7)连接，并且所述传动机构与所述测速传感器(3)连接，用于带动所述测速传感器(3)沿所述导轨(1)移动。
8.根据权利要求7所述的明渠流量计量校准的系统，其特征在于，所述传动机构包括：
与所述驱动电机(7)传动连接的蜗杆(6)和与所述蜗杆(6)啮合传动的涡轮(4)；
沿所述机架(5)的高度方向设置的丝杠(2)，所述丝杠(2)与所述涡轮(4)的内齿啮合传动，与所述丝杠(2)配合的螺母(8)和所述测速传感器(3)连接。
9.根据权利要求8所述的明渠流量计量校准的系统，其特征在于，所述测速传感器(3)通过所述机架(5)与所述螺母(8)固定连接，并通过所述机架(5)与所述导轨(1)滑动连接。
10.根据权利要求6-9任一项所述的明渠流量计量校准的系统，其特征在于，所述驱动传动装置与所述测速传感器(3)一一对应。
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