CN114778888A - 一种倾斜式测流仪、流体流速及流体流向计算方法 - Google Patents

一种倾斜式测流仪、流体流速及流体流向计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种倾斜式流速仪、流体流速及流体流向计算方法，该流速仪包括用于固定在海床基的锚定部，锚定部的上端部通过弹性连接部与长条状的空心管连接，空心管的底部为锥状，且空心管的顶部封闭，空心管还包括固定在其底部的数采记录单元，以及位于数采记录单元以上的浮力空间，其中，数采记录单元用于采集空心管的倾斜角度，并根据倾斜角度和空心管的物理参数计算得到流体流速。本发明的有益效果是：通过设置一根单端固定在海底的空心管作为测量主体，其内部固定一个数采记录单元，能够通过获取空心管的倾斜角度计算出海水的流体流速，与传统声学测流方法相比，该方法适用于存在水下障碍物的测流场合。

Description

一种倾斜式测流仪、流体流速及流体流向计算方法
技术领域
本发明涉及海流观测设备领域，尤其涉及一种倾斜式流速仪、流体流速及流体流向计算方法。
背景技术
海水流速是研究海洋水文的重要组成参数。目前，常用的水流测量设备有机械螺旋桨式流速仪、声学剖面流速仪(Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP)、电磁流速仪、声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimeters，ADV)等，这些设备在海流测量精度、范围等方面均已取得很好的技术指标。
其中以声学多普勒流速仪最为常用，但是在珊瑚礁、海底人工牧场或海洋底边界层等观测场合，声学多普勒流速仪因受测量盲区限制、海底障碍物对声波遮挡干扰而无法使用。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种倾斜式流速仪、流体流速及流体流向计算方法，用于座底式海床基，主要解决声学剖面流速仪无法在存在障碍物的场合使用的问题。
为解决上述技术问题，本发明第一方面提出一种倾斜式流速仪，包括用于固定在海床基的锚定部，所述锚定部的上端部通过弹性连接部与长条状的空心管连接，所述空心管的底部为锥状，且所述空心管的顶部封闭，所述空心管还包括固定在其底部的数采记录单元，以及位于所述数采记录单元以上的浮力空间，其中，
所述数采记录单元用于采集所述空心管的倾斜角度，并根据所述倾斜角度和所述空心管的物理参数计算得到流体流速。
在一些实施方式中，所述数采记录单元还用于获取所述空心管的倾斜方向，并将所述倾斜方向校正后定义为流体流向。
在一些实施方式中，所述锚定部为10kg的水泥混凝土沉块，所述弹性连接部长10cm、直径6mm的橡胶管，所述空心管为长度为70cm和直径3cm的聚氯乙烯管，所述数采记录单元为9轴MEMS惯性传感器。
在一些实施方式中，所述空心管的上端部还包括可拆卸的配重块。
在一些实施方式中，所述配重块为厚度1cm、直径3cm以及重60g的铜制配重块。
本发明第二方面提出一种流体流速计算方法，用于上述的倾斜式流速仪，所述根据所述倾斜角度和所述空心管的物理参数计算得到流体流速包括：
Figure BDA0003583189570000021
其中，U为流体流速，θ为空心管的倾斜角度，m为空心管的总质量，V为空心管的总体积、A为空心管的总投影截面积，g为重力常数、ρ为流体密度和CD为水体拖曳系数。
在一些实施方式中，所述倾斜角度的计算方法包括：
获取所述数采记录单元当前时刻的横滚角和俯仰角，并通过所述横滚角和所述俯仰角解算出在载体坐标系X和Y两个方向的倾斜角度分量；
判断所述横滚角和所述俯仰角绝对值的大小，并根据判断结果决定做正弦或余弦计算，得到真实的所述倾斜角度。
在一些实施方式中，所述倾斜角度的计算方法为：
θX＝sin(Pitch) (7)
θY＝sin(Roll) (8)
Figure BDA0003583189570000022
其中，θ为倾斜角度，Roll为横滚角，Pitch为俯仰角，Yaw为航向角，θX为横滚角在载体坐标系X方向上的倾斜角度分量，θY为俯仰角在载体坐标系Y方向上的倾斜角度分量。
本发明第三方面提出一种流体流向计算方法，用于上述的倾斜式流速仪，所述流体流向的计算方法包括：
在一些实施方式中，获取所述数采记录单元当前时刻的横滚角、俯仰角和航向角，并通过所述横滚角和所述俯仰角解算出在载体坐标系X和Y两个方向的倾斜角度分量θX和θY；
根据θX和θY求取所述倾斜流速仪的所述倾斜方向，所述倾斜方向加上所述航向角后校正为流体相对于地磁北向真实的所述流体流向。
在一些实施方式中，所述流体流向的计算方法为：
θX＝sin(Pitch) (7)
θY＝sin(Roll) (8)
α＝arctan(θX/θY)+Yaw (10)
其中，α为流体流向，Roll为横滚角，Pitch为俯仰角，Yaw为航向角，θX为横滚角在载体坐标系X方向上的倾斜角度分量，θY为俯仰角在载体坐标系Y方向上的倾斜角度分量。
本发明的有益效果为：通过设置一根单端固定在海底的空心管作为测量主体，其内部固定一个数采记录单元，能够通过获取空心管的倾斜角度计算出海水的流体流速，在存在水底障碍物的场合也能够使用。
附图说明
图1为本发明实施例一公开的倾斜式流速仪的结构示意图；
图2为本发明公开的倾斜式流速仪在海水中的受力分解示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
本实施例提出了一种倾斜式流速仪，主要通过设置一根单端固定在海底的空心管作为测量主体，其内部固定一个数采记录单元，能够通过获取空心管的倾斜角度计算出海水的流体流速，在存在障碍物的场合也能够使用。
如图1所示，包括用于固定在海床基的锚定部101，锚定部101的上端部通过弹性连接部102与长条状的空心管103连接，空心管103的底部为锥状，且空心管103的顶部封闭，空心管103还包括固定在其底部的数采记录单元104，以及位于数采记录单元104以上的浮力空间105，其中，
数采记录单元104用于采集空心管103的倾斜角度，并根据倾斜角度和空心管103的物理参数计算得到流体流速。该物理参数主要包括空心管103的倾斜角度，空心管103的总质量，空心管103的总体积以及空心管103的总投影截面积。
数采记录单元104还用于获取空心管103的倾斜方向，并将倾斜方向校正后定义为流体流向。
锚定部101为10kg的水泥混凝土沉块，弹性连接部102长10cm、直径6mm的橡胶管，空心管103为长度为70cm和直径3cm的聚氯乙烯管，数采记录单元104为9轴MEMS惯性传感器。
在一些可选的实施方案中，空心管103的上端部还包括可拆卸的配重块106，为适配上述的橡胶管，配重块106为厚度1cm、直径3cm以及重60g的铜制配重块(注，此处所知的厚度1cm、直径3cm是配重块106暴露在空心管103之外的部分)。在一些更优的方案中，配重块106在满足暴露在空心管103之外的厚度为1cm、直径为3cm条件下，以及总质量为60g的条件下，配重块106的外部可通过设置外螺纹与空心管103连接。
上述两个方案的物理参数如表1所示。
表1无配重和有配重的空心管的物理参数
Figure BDA0003583189570000041
当增加顶部的配重块106时：
流速测量范围：0-60cm/s，流速测量精度：±1.5cm/s，流速分辨率：0.1cm
流向测量范围：0-360°，流向测量精度：±5°，流速分辨率：1°
当移除顶部的配重块106时：
流速测量范围：0-100cm/s，流速测量精度：±2.5cm/s，流速分辨率：0.1cm
流向测量范围：0-360°，流向测量精度：±5°，流速分辨率：1°
实施例二
本实施例公开了一种流体流速计算方法，用于实施例一所述的倾斜式流速仪。
流速倾斜仪通过测量得到的倾斜角来估算水体流速，就必需得知道浮体倾斜角度和流速之间的关系。理论的响应可以通过作用在流速倾斜仪上的力学平衡法来计算得到。图2示意了倾斜式流速仪在海水中的受力分解，假设流速仪在水中的倾斜角度为θ，水流速度为U，由受力分解可知水流对倾角海流计的拖曳力Fd在Fd,θ方向的分量与倾角海流计在水中的净浮力Fb在Fb,θ方向的分量相等，即：
Fd,θ＝Fd cosθ (1)
Fb,θ＝Fb sinθ (2)
Fd,θ＝Fb,θ (3)
Fb＝(ρv-m)g (4)
Figure BDA0003583189570000051
由公式(1～5)解得流速U与倾斜角度θ之间的关系，即根据倾斜角度和空心管的物理参数计算得到流体流速：
Figure BDA0003583189570000052
其中，U为流体流速，θ为空心管的倾斜角度，m为空心管的总质量，V为空心管的总体积、A为空心管的总投影截面积，g为重力常数、ρ为流体密度和CD为水体拖曳系数。
倾斜角度的计算方法包括：
获取数采记录单元当前时刻的横滚角和俯仰角，并通过横滚角和俯仰角解算出在载体坐标系X和Y两个方向的倾斜角度分量；
判断横滚角和俯仰角绝对值的大小，并根据判断结果决定做正弦或余弦计算，得到真实的倾斜角度。
倾斜角度的计算方法为：
θX＝sin(Pitch) (7)
θY＝sin(Roll) (8)
Figure BDA0003583189570000053
其中，θ为倾斜角度，Roll为横滚角，Pitch为俯仰角，Yaw为航向角，θX为横滚角在载体坐标系X方向上的倾斜角度分量，θY为俯仰角在载体坐标系Y方向上的倾斜角度分量。
实施例三
本实施例公开了一种流体流向计算方法，用于实施例一所述的倾斜式流速仪，流体流向的计算方法包括：
获取数采记录单元当前时刻的横滚角、俯仰角和航向角，并通过横滚角和俯仰角解算出在载体坐标系X和Y两个方向的倾斜角度分量θX和θY；
根据θX和θY求取倾斜流速仪的倾斜方向，倾斜方向加上航向角后校正为流体相对于地磁北向真实的流体流向。
流体流向的计算方法为：
θX＝sin(Pitch) (7)
θY＝sin(Roll) (8)
α＝arctan(θX/θY)+Yaw (10)
其中，α为流体流向，Roll为横滚角，Pitch为俯仰角，Yaw为航向角，θX为横滚角在载体坐标系X方向上的倾斜角度分量，θY为俯仰角在载体坐标系Y方向上的倾斜角度分量。
实施例三可以在实施例二的基础上运算所得，无需重新获取横滚角、俯仰角等参数再进行流体流向α的计算。
更进一步的，因水中湍流存在，倾斜流速仪在流动的水中并非保持在一个倾斜角度θ和倾斜方向α静止不动，而是会发生一些高频、小幅度的振荡、摇摆等运动会给测量带来噪声。经过大量水槽测试和滤波实验后，本发明最终采用对获取的原始的倾斜角度θ和倾斜方向α进行截止频率为2Hz的频域低通滤波后计算得到的流速与水槽真实流速、流体流向最为接近。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种倾斜式流速仪，其特征在于，包括用于固定在海床基的锚定部，所述锚定部的上端部通过弹性连接部与长条状的空心管连接，所述空心管的底部为锥状，且所述空心管的顶部封闭，所述空心管还包括固定在其底部的数采记录单元，以及位于所述数采记录单元以上的浮力空间，其中，
所述数采记录单元用于采集所述空心管的倾斜角度，并根据所述倾斜角度和所述空心管的物理参数计算得到流体流速。
2.如权利要求1所述的倾斜式流速仪，其特征在于，所述数采记录单元还用于获取所述空心管的倾斜方向，并将所述倾斜方向校正后定义为流体流向。
3.如权利要求1所述的倾斜式流速仪，其特征在于，所述锚定部为10kg的水泥混凝土沉块，所述弹性连接部长10cm、直径6mm的橡胶管，所述空心管为长度为70cm和直径3cm的聚氯乙烯管，所述倾斜姿态测量单元为9轴MEMS惯性传感器，数据采集记录单元核心为超低功耗处理器STM32L496。
4.如权利要求1所述的倾斜式流速仪，其特征在于，所述空心管的上端部还包括可拆卸的配重块。
5.如权利要求4所述的倾斜式流速仪，其特征在于，所述配重块为厚度1cm、直径3cm以及重60g的铜制配重块。
6.一种流体流速计算方法，用于权利要求1-5任一项所述的倾斜式流速仪，其特征在于，所述根据所述倾斜角度和所述空心管的物理参数计算得到流体流速包括：
Figure FDA0003583189560000011
其中，U为流体流速，θ为空心管的倾斜角度，m为空心管的总质量，V为空心管的总体积、A为空心管的总投影截面积，g为重力常数、ρ为流体密度和CD为水体拖曳系数。
7.如权利要求6所述的流体流速计算方法，其特征在于，所述倾斜角度的计算方法包括：
获取所述数采记录单元当前时刻的横滚角和俯仰角，并通过所述横滚角和所述俯仰角解算出在载体坐标系X和Y两个方向的倾斜角度分量；
判断所述横滚角和所述俯仰角绝对值的大小，并根据判断结果决定做正弦或余弦计算，得到真实的所述倾斜角度。
8.如权利要求7所述的流体流速计算方法，其特征在于，所述倾斜角度的计算方法为：
θX＝sin(Pitch) (7)
θY＝sin(Roll) (8)
Figure FDA0003583189560000021
其中，θ为倾斜角度，Roll为横滚角，Pitch为俯仰角，Yaw为航向角，θX为横滚角在载体坐标系X方向上的倾斜角度分量，θY为俯仰角在载体坐标系Y方向上的倾斜角度分量。
9.一种流体流向计算方法，用于权利要求2所述的倾斜式流速仪，其特征在于，所述流体流向的计算方法包括：
获取所述数采记录单元当前时刻的横滚角、俯仰角和航向角，并通过所述横滚角和所述俯仰角解算出在载体坐标系X和Y两个方向的倾斜角度分量θX和θY；
根据θX和θY求取所述倾斜流速仪的所述倾斜方向，所述倾斜方向加上所述航向角后校正为流体相对于地磁北向真实的所述流体流向。
10.如权利要求9所述的流体流向计算方法，其特征在于，所述流体流向的计算方法为：
θX＝sin(Pitch) (7)
θY＝sin(Roll) (8)
α＝arctan(θX/θY)+Yaw (10)
其中，α为流体流向，Roll为横滚角，Pitch为俯仰角，Yaw为航向角，θX为横滚角在载体坐标系X方向上的倾斜角度分量，θY为俯仰角在载体坐标系Y方向上的倾斜角度分量。
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