CN117949055A - 一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，涉及声道参数计算技术领域，其包括如下步骤：获取河道地形数据；建立河道的三维坐标系；确定换能器位置的坐标值；利用所述换能器位置的三维坐标值计算声道长度；获取若干河岸与水面交接点的三维坐标值；利用所述换能器位置的坐标值及若干所述河岸与水面交接点的三维坐标值计算声道角度；利用所述声道长度及所述声道角度求解水流速度。利用若干河岸与水面交接点的三维坐标值计算出的声道长度，利用换能器位置的坐标值及若干所述河岸与水面交接点的三维坐标值计算声道角度，通过利用声道长度及声道角度求解出的水流速度较为准确，误差较小。
Description
技术领域
本发明涉及声道参数计算技术领域，尤其是涉及一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法。
背景技术
明渠测流是指对明渠内的水体流量进行测量和监测，通过明渠测流可对水资源进行管理，对明渠内的水流量进行监测等优点。
在明渠测流的应用中，每个声道两端的换能器安装在河道的两岸；为减小不确定性，换能器之间连线同水流方向的夹角应成一定的夹角（范围一般为35°~70°）。
其中，在超声测流系统中，每一条单独的传播声道均以一定的角度与代表该高程上平均流向线相交，相交的角度是流速计算的关键参数之一。此外，声道的长度是流速计算的另一关键参数。
目前该领域中，一般假设水平均流向线平行于河岸线，但弯曲或两侧不对称的河道中，难以存在两条平行的河岸线，所以假设的平均流向偏差会导致声道角度计算的不准确，该角度的误差会在流速及流量的计算过程中被放大，进而导致测量出的流速误差较大。
发明内容
为了提高计算声道角度的准确性，本申请提供一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法。
第一方面，本申请提供一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，采用如下的技术方案：
一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，包括如下步骤：
获取目标河道的地势形态数据，地势形态数据包括河道的地形、高度；
根据获取的所述地势形态数据，建立河道的三维坐标系；
在建立的所述河道的三维坐标系中，确定换能器的位置；
利用换能器位置的三维坐标值，计算声波在河道中传播的声道长度；
获取若干河岸与水面交接点的三维坐标值；
利用所述换能器位置的三维坐标值和若干所述河岸与水面交接点的三维坐标值，计算声波在河道中传播的声道角度；
利用计算得到的所述声道长度及所述声道角度求解目标河道的水流速度。
通过采用上述技术方案，利用若干河岸与水面交接点的三维坐标值计算出的声道长度，利用换能器位置的坐标值及若干所述河岸与水面交接点的三维坐标值计算声道角度，通过利用声道长度及声道角度求解出的水流速度较为准确，误差较小。
可选的，所述获取目标河道的地势形态数据步骤中，利用GIS技术获取所述目标河道的地势形态数据，包括河道的宽度、深度及弯曲程度。
通过采用上述技术方案，利用GIS技术将河道地形数据进行获取及整合，使研究人员和工程师能够直观地了解河道的地形特点。
可选的，所述建立河道的三维坐标系的步骤中，以河道中心线为X轴，垂直于河道的平面为Y轴，垂直于河道的垂线为Z轴。
通过采用上述技术方案，通过建立河道的三维坐标系，进而便于后续对换能器及若干所述河岸与水面交接点的坐标值进行确定。
可选的，所述确定换能器的位置步骤中，利用RTK测量并采集同一声道上两个换能器的三维坐标值。
通过采用上述技术方案，利用RTK技术可获取高精度的位置信息，其精度较高，可准确的获取换能器的位置，且获取的效率较高。
可选的，所述计算声波在河道中传播的声道长度步骤中，利用两个换能器的三维坐标得到连接两点的向量一，求解向量一的模得到所述声道长度。
通过采用上述技术方案，能够准确地计算出声道长度，和传统方法相比误差较小。
可选的，求解所述声道长度的步骤中，利用RTK设备采集两只换能器的三维坐标为：
，进而求得向量一为：
，得出/>的声道长度：
其中，L为声道长度。
通过采用上述技术方案，利用两只换能器的三维坐标计算两点之间距离，其具有准确性、灵活性、可重复性、高效性等优势。
可选的，所述计算声波在河道中传播的声道角度步骤中，在利用RTK测量并采集河岸与水面交接曲线上多个点位的三维坐标值，其中i=1...n，(n≥50)，根据若干所述点位的三维坐标值拟合出虚拟水流方向的直线方程：
其中：
在所述直线方程上任意取两点，根据坐标值得到连接两点的向量二：
。
通过采用上述技术方案，通过采集多个点位的三维坐标值并拟合出虚拟水流方向的直线方程，能够更准确地反映水流的方向。避免单一测量点的误差，以提高后续测量结果的精确性。
可选的，所述计算声波在河道中传播的声道角度步骤中，求解向量一与向量二间的夹角得到所述声道角度：
，其中，/>为声道角度。
通过采用上述技术方案，向量一和向量二都是基于精确的三维坐标计算得出的，因此，利用向量一和向量二的夹角来求解角度能够获得更高的准确性，相比于传统方法误差较小，精确度较高。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
利用若干河岸与水面交接点的三维坐标值计算出的声道长度，利用换能器位置的坐标值及若干所述河岸与水面交接点的三维坐标值计算声道角度，通过利用声道长度及声道角度求解出的水流速度较为准确，误差较小；
通过采集多个点位的三维坐标值并拟合出虚拟水流方向的直线方程，能够更准确地反映水流的方向。避免单一测量点的误差，以提高后续测量结果的精确性；
向量一和向量二都是基于精确的三维坐标计算得出的，因此，利用向量一和向量二的夹角来求解角度能够获得更高的准确性，相比于传统方法误差较小，精确度较高。
附图说明
图1是本申请一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法的流程框图。
图2是超声波流量计流速计算原理示意图。
图3是RTK 设备采集相关坐标点示意图。
图4是空间两向量夹角示意图。
附图标记说明：101、下游换能器；102、上游换能器；201、河岸坐标测点；202、换能器坐标测点；301、平均流向线。
具体实施方式
以下结合全部附图对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法。
参照图1和图2，一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，包括如下步骤：
S1：利用GIS技术获取目标河道的地势形态数据，地势形态数据包括河道的地形、高度；利用GIS技术将目标河道的地势形态数据进行获取及整合，使研究人员和工程师能够直观地了解河道的地形特点。
S2：根据获取的地势形态数据，建立河道的三维坐标系；
利用RTK（Real Time Kinematic）实时动态测量技术，以载波相位观测为根据的实时差分GNSS技术，对卫星进行连续观测，实时解算出流动测点相对于基准站的三维坐标，其中，以河道中心线为X轴，垂直于河道的平面为Y轴，垂直于河道的垂线为Z轴，通过确定三维坐标系，进而便于后续对换能器及若干河岸与水面交接点的坐标值进行确定。
在建立的河道的三维坐标系中，确定换能器的位置；
利用RTK测量并采集同一声道上两个换能器的三维坐标值；利用RTK技术可获取高精度的位置信息，其精度较高，可准确的获取换能器的位置，且获取的效率较高。
S3：利用换能器位置的三维坐标值，计算声波在河道中传播的声道长度；
参照图3和图4，计算声波在河道中传播的声道长度步骤中，利用两个换能器的三维坐标得到连接两点的向量一，利用RTK设备采集两只换能器的三维坐标为：
和/>，进而求得向量一为：
，得出/>的声道长度：
其中，L为声道长度。
利用两只换能器的三维坐标计算两点之间距离，其具有准确性、灵活性、可重复性、高效性等优势。
S4：获取若干河岸与水面交接点的三维坐标值；
利用RTK测量并采集河岸与水面交接曲线上多个点位的三维坐标值，其中i=1...n，(n≥50)，根据若干点位的三维坐标值拟合出虚拟水流方向的直线方程：
其中：
在直线方程上任意取两点，根据坐标值得到连接两点的向量二：
。
通过采集多个点位的三维坐标值并拟合出虚拟水流方向的直线方程，以准确地反映水流的方向，避免单一测量点的误差，以提高后续测量结果的精确性。
利用换能器位置的三维坐标值和若干河岸与水面交接点的三维坐标值，计算声波在河道中传播的声道角度；通过求解向量一与向量二间的夹角得到声道角度：
其中，为声道角度。向量一和向量二都是基于精确的三维坐标计算得出的，因此，利用向量一和向量二的夹角来求解角度能够获得更高的准确性，相比于传统方法误差较小，精确度较高。
S5：利用计算得到的声道长度及声道角度求解目标河道的水流速度。
需要明确的一点是：超声波流量计的测流原理是：声波脉冲在对角的顺流方向的传播速度会因为水的流速的分量而增大；相反地，声波脉冲在反方向的传播速度会降低。超声波脉冲顺流的传播速度比逆流的传播速度要快，所以超声波顺流和逆流传播的时间不一样，假设两次传播时间分别为、/>，利用传播时间/>和/>就可以求解水流速度。
参照图4，L为换能器间的距离，即为声道长度，为水流向与超声传播方向的夹角，即为声道角度，C为超声在净水中的传播速度，Q为河道中水的瞬时流量，在水流速分量的作用下，两次超声传播的速度不同，利用如下方程可以求解出水流速度。
利用声道长度及声道角度求解出的水流速度较为准确，误差较小，准确性较高。
本申请实施例一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法的实施原理为：获取河道的地形数据后，然后利用RTK建立河道的坐标系，并获取换能器的位置的三维坐标值，然后利用三维坐标值计算出声道的长度；然后利用RTK获取河岸与水面的多个交接点的三维坐标值，在直线方程上任取两点，利用换能器位置的坐标值及若干所述河岸与水面交接点的三维坐标值计算出声道角度，然后利用声道角度、超声波脉冲的传播时间、声道长度即可计算出水流的速度，利用声道长度及声道角度求解出的水流速度较为准确，误差较小，准确性较高。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，其特征在于：包括如下步骤：
获取目标河道的地势形态数据，地势形态数据包括河道的地形、高度；
根据获取的所述地势形态数据，建立河道的三维坐标系；
在建立的所述河道的三维坐标系中，确定换能器的位置；
利用换能器位置的三维坐标值，计算声波在河道中传播的声道长度；
获取若干河岸与水面交接点的三维坐标值；
利用所述换能器位置的三维坐标值和若干所述河岸与水面交接点的三维坐标值，计算声波在河道中传播的声道角度；
利用计算得到的所述声道长度及所述声道角度求解目标河道的水流速度。
2.根据权利要求1所述的一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，其特征在于：所述获取目标河道的地势形态数据步骤中，利用GIS技术获取所述目标河道的地势形态数据，包括河道的宽度、深度及弯曲程度。
3.根据权利要求1所述的一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，其特征在于：所述建立河道的三维坐标系的步骤中，以河道中心线为X轴，垂直于河道的平面为Y轴，垂直于河道的垂线为Z轴。
4.根据权利要求1所述的一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，所述确定换能器的位置步骤中，利用RTK测量并采集同一声道上两个换能器的三维坐标值。
5.根据权利要求4所述的一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，其特征在于：所述计算声波在河道中传播的声道长度步骤中，利用两个换能器的三维坐标得到连接两点的向量一，求解向量一的模得到所述声道长度。
6.根据权利要求5所述的一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，其特征在于：计算所述声波在河道中传播的声道长度的步骤中，利用RTK设备采集两个换能器的三维坐标为：
，进而求得向量一为：
，得出/>的声道长度：
，其中，L为声道长度。
7.根据权利要求6所述的一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，其特征在于：所述计算声波在河道中传播的声道角度步骤中，在利用RTK测量并采集河岸与水面交接曲线上多个点位的三维坐标值，其中i=1...n，(n≥50)，根据若干所述点位的三维坐标值拟合出虚拟水流方向的直线方程：
其中：
，在所述直线方程上任意取两点，根据坐标值得到连接两点的向量二：
。
8.根据权利要求7所述的一种用于计算流体流量测量仪表声道参数的方法，其特征在于：所述计算声波在河道中传播的声道角度步骤中，求解向量一与向量二间的夹角得到所述声道角度：
，其中，/>为声道角度。
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Non-Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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