CN209560374U - 一种适用于水工模型试验的流量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于水工模型试验的流量控制系统。目前，水工实验室内多通过手动控制阀门或堰前水位来调节管道流量，利用电磁流量计或三角堰测量流量,效率较低，且误差较大，导致实验数据的不稳定。本实用新型涉及一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中电磁流量计与比例控制阀布置在同一根循环水管管道上，电磁流量计通过通讯线与控制柜信号输入接口相连，比例控制阀通过通讯线与控制柜信号输入接口相连，控制柜通讯接口与计算机主机通过通讯线相连，储水箱内部固定设置有液位传感器。本装置的优点在于：该方法在实时监测管道的流量具有较高的精度，精度误差小于等于3％，可以达到流量的精准控制。

Description

一种适用于水工模型试验的流量控制系统

技术领域

本实用新型涉及水工模型试验中水文流量过程线的自动调节过程，具体涉及一种适用于水工模型试验的流量控制系统。

背景技术

水工模型试验经常涉及对流量的控制和测量，在对上游洪水进行模拟时，需要根据水文的流量过程线来调节上游来水。目前，水工实验室内多通过手动控制阀门或堰前水位来调节管道流量，利用电磁流量计或三角堰测量流量。这种人工操作流量的方式效率较低，且误差较大，可能导致实验数据的不稳定。由于手动调节流量的方式实时性较差，实验过程中往往将上游流量固定为整个洪水过程的平均值，仅保留洪水总量的相似性，而不能反映上游洪水流量的变化过程。基于上诉现有室内实验常见控制流量手段的缺点，结合当今计算机程序自动信息处理的通用工具特点，本实用新型专利专门提出了一种适用于水工模型试验的流量控制系统，以提高水工模型试验操作过程的便捷性和实验结果的可靠性。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种适用于水工模型试验的流量控制系统，能够通过在计算机中输入流量过程线来调节管道的流量过程，从而达到实验过程中对管道流量的监控和调节的便捷性，并且能够减少因为人工调节阀门来控制管道流量所带来的误差，从而提高实验结果的精度。

(二)技术方案

本实用新型的技术方案：一种适用于水工模型试验的流量控制系统，包括水泵、储水箱、液位传感器、电磁流量计、比例控制阀、通讯线、控制柜、计算机主机、计算机显示屏、集水箱、循环水管；其中：水泵的进水端与集水箱通过循环水管相连，水泵通过循环水管与储水箱相连，电磁流量计与比例控制阀布置在同一根循环水管管道上，电磁流量计通过通讯线与控制柜信号输入接口相连，比例控制阀通过通讯线与控制柜信号输入接口相连，控制柜通讯接口与计算机主机通过通讯线相连，计算机主机与计算机显示屏通过通讯线相连，储水箱内部固定设置有液位传感器，液位传感器与控制柜信号输入接口通过通讯线相连。

一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：液位传感器型号为561250581934。

一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：电磁流量计型号为 SGLDG-32。

一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：比例控制阀型号为 PM-02。

一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：通讯线型号为 60227IEC53。

一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：控制柜主控单元型号为HAControl-06。

本实用新型的原理在于：本实用新型所述的一种适用于水工模型试验的流量控制系统，包括流量监测装置，阀门控制装置以及信息处理装置。

流量监测装置：液位传感器满足静压测量原理，当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为(1)，通过通讯线与计算机相连可以实时检测集水箱中的水位情况。电磁流量计工作原理是基于法拉第电磁感应定律。将切割磁力线感应出电动势E。电动势E正比于磁通量密度B，测量管内径d与平均流速v的乘积。电动势E(流量信号)由电极检出并通过电缆送至转换器。转化器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号，可以在计算机中实时检测管内的流量。则由式(2)可知，体积流量Q与信号电压E成正比，即流速感应的信号电压E 与体积Q成线性关系。因此，只要测量出E就可确定流量Q。而电磁流量计实时将管内的流量信息传递给计算机中的自动流量控制系统，本文中采用的电磁流量计仪表流量大小范围0.5-30m³/h，具体由水压决定，采用32mm管径，模拟量采集作为输出流量反馈，瞬态响应速度小于10ms。

P＝ρgh+P₀ (1)

式中：P为变送器迎液面所受压力；ρ为被测液体密度；g为当地重力加速度；Po液面上大气压；h变送器投入液体的深度。

E＝KBdv (2)

式中：E为电极间的信号电压(v)，B磁通密度(T)d为测量管内径(m)， v为平均流速(m/s)，式中K,d为常数，由于励磁电流是恒流的，故B也是常数。

阀门控制装置：本装置采用的比例调节阀为32mm管径，0到10v输出调节阀门大小，控制流量，其阀门开关大小通过控制柜采用多段PID调节手段控制，实现精密控制。

信息处理装置：自动流量控制系统采用汇编语言自主编制的流量控制的算法，控制柜是一个信息处理的装置，采用多段PID调节手段控制比例调节阀的开度。

该自动流量控制系统由上述三部分构成，首先，由用户在自动流量控制系统中定义好流量的过程线，如式(3)，在每一个时段，有一个流量值Q；电磁流量计会实时监控管道内的流量值Q1，并将其值传给计算机，并判断Q 与Q1是否相等，若两者相等，则保持管道内的流量不变；若不相等，则通过控制柜采用多段PID调节手段控制比例控制阀的开度，不断重复上述调节和判断的过程，直至管道内的流量达到用户定义的流量过程线(如附图2所示)，精度误差小于等于3％。

(三)有益效果

本实用新型的优点在于：

(1)在水箱中设置液位传感器，液位传感器与控制柜相连，可以在自动流量控制系统软件中实时观察水箱水位情况。

(2)本实用新型是一种适用于水工模型试验的流量控制系统，结构设计合理，操作简单，将计算机与电磁流量计和比例阀结合在一起，管道内的流量过程线可以预先在计算机中设置好，然后由计算机中的自动流量控制软件根据流量的过程线发出指令给控制柜，最后控制比例阀的开度来控制管道流量的目的，全过程只需要用计算机控制，完全实现自动化。

(3)自动流量控制系统由于有流量计的实时检测，相比实验室以往的流量监测方法而言，该方法在实时监测管道的流量具有较高的精度，精度误差小于等于3％，可以达到流量的精准控制。

(4)管道的各时长内的用水量以及最终的总用水量均能够直接在计算机读取出来，节省了实验后计算用水量的时间。

(5)由于该系统可以定义不同时段内设置不同的流量值，并且摆脱了以前人工控制阀门开度，这样不但能够达到对流量控制的便捷，还可以提高实验结果的精度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的工作流程图。

图3为本实用新型的流量与时间变化关系对比图。

附图标记：水泵1、储水箱2、液位传感器3、电磁流量计4、比例控制阀5、通讯线6、控制柜7、计算机主机8、计算机显示屏9、集水箱10、循环水管11。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1、请参阅图1，一种适用于水工模型试验的流量控制系统，包括水泵1、储水箱2、液位传感器3、电磁流量计4、比例控制阀5、通讯线6、控制柜7、计算机主机8、计算机显示屏9、集水箱10、循环水管11；其中：水泵1的进水端与集水箱10通过循环水管11相连，水泵1通过循环水管11 与储水箱2相连，电磁流量计4与比例控制阀5布置在同一根循环水管11管道上，电磁流量计4通过通讯线6与控制柜7信号输入接口相连，比例控制阀5通过通讯线6与控制柜7信号输入接口相连，控制柜7通讯接口与计算机主机8通过通讯线6相连，计算机主机8与计算机显示屏9通过通讯线6 相连，储水箱2内部固定设置有液位传感器3，液位传感器3与控制柜7信号输入接口通过通讯线6相连。

实施例2、请参阅图1，一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：液位传感器3型号为561250581934。其余同实施例1。

实施例3、请参阅图1，一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：电磁流量计4型号为SGLDG-32，便于管道流量读取。其余同实施例1。

实施例4、请参阅图1，一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：比例控制阀5型号为PM-02，方便用户定义的流量过程线来控制阀门的开度。其余同实施例1。

实施例5、请参阅图1，一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：通讯线6型号为60227IEC53，便于设备交互通讯。其余同实施例1。

实施例6、请参阅图1，一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其中：控制柜7主控单元型号为HAControl-06，便于控制比例调节阀进行开度控制。其余同实施例1。

结合图1和图2，一种适用于水工模型试验的流量控制系统运行方式如下：

首先，打开计算机主机8与控制柜7开关电源旋钮，并运行计算机上的自动流量控制系统软件。

然后，打开水泵1的控制开关进行抽水并将其输送至储水箱2，由于液位传感器3与控制柜7相连，计算机可以实时对储水箱2中的水位进行监控，待到储水箱2中的水位至一定高度时便可进行流量的控制(保持水管内有足够的水压)。准备好流量控制参数文件，在EXCEL中设置流量过程线中各时段的时长(单位：s)与流量值的大小(单位：m³/s)，并将其导入至自动流量控制系统软件。待水位上升至一定值时，启动自动流量控制系统软件的自动控制功能，此时自动流量控制系统软件会自动根据用户定义好的流量控制参数文件参数来控制比例控制阀5的开度，而电磁流量计4作为循环水管11 的实时流量监测的工具，其作用是在比例控制阀5打开至一定的开度时，获取循环水管11内的流量数据并将数据值传递给控制柜7，经过控制柜7的信息处理输送至计算机主机8，并将值与用户定义的流量值进行对比，如果一致的话，在用户定义的时长内，则让比例控制阀5保持该开度不变；若两值不一致，则计算机进行调节，并改变比例控制阀5的开度，直至循环水管11内的流量到达用户所定义的要求。如果需要从新定义新的目标值，则从新重复上述的操作。

最后，实验结束时，可以在计算机显示屏9中的自动流量控制系统软件中读取历史的流量值，以及在不同时长内的流量的累计值。

工作原理：

本实用新型所述的一种适用于水工模型试验的流量控制系统，包括流量监测装置，阀门控制装置以及信息处理装置。

流量监测装置：液位传感器满足静压测量原理，当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为(1)，通过通讯线与计算机相连可以实时检测集水箱中的水位情况。电磁流量计工作原理是基于法拉第电磁感应定律。将切割磁力线感应出电动势E。电动势E正比于磁通量密度B，测量管内径d与平均流速v的乘积。电动势E(流量信号)由电极检出并通过电缆送至转换器。转化器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号，可以在计算机中实时检测管内的流量。则由式(2)可知，体积流量Q与信号电压E成正比，即流速感应的信号电压E 与体积Q成线性关系。因此，只要测量出E就可确定流量Q。而电磁流量计实时将管内的流量信息传递给计算机中的自动流量控制系统，本文中采用的电磁流量计仪表流量大小范围为0.5-30m³/h，具体由水压决定，采用32mm管径，模拟量采集作为输出流量反馈，瞬态响应速度小于10ms。

P＝ρgh+P₀ (1)

式中：P为变送器迎液面所受压力；ρ为被测液体密度；g为当地重力加速度；Po液面上大气压；h变送器投入液体的深度。

E＝KBdv (2)

式中：E为电极间的信号电压(v)，B磁通密度(T)d为测量管内径(m)， v为平均流速(m/s)，式中K,d为常数，由于励磁电流是恒流的，故B也是常数。

阀门控制装置：本装置采用的比例调节阀为32mm管径，0到10v输出调节阀门大小，控制流量，其阀门开关大小通过控制柜采用多段PID调节手段控制，实现精密控制。

信息处理装置：自动流量控制系统是采用汇编语言自主编制的流量控制的算法，控制柜是一个信息处理的装置，采用多段PID调节手段控制比例调节阀的开度。

该自动流量控制系统由上述三部分构成，首先，由用户在自动流量控制系统中定义好流量的过程线，如式(3)，在每一个时段，有一个流量值Q；电磁流量计会实时监控管道内的流量值Q1，并将其值传给计算机，并判断Q 与Q1是否相等，若两者相等，则保持管道内的流量不变；若不相等，则通过控制柜采用多段PID调节手段控制比例控制阀的开度，不断重复上述调节和判断的过程，直至管道内的流量达到用户定义的流量过程线(如附图3所示)，精度误差小于等于3％。

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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种适用于水工模型试验的流量控制系统，包括水泵(1)、储水箱(2)、液位传感器(3)、电磁流量计(4)、比例控制阀(5)、通讯线(6)、控制柜(7)、计算机主机(8)、计算机显示屏(9)、集水箱(10)、循环水管(11)；其特征在于：水泵(1)的进水端与集水箱(10)通过循环水管(11)相连，水泵(1)通过循环水管(11)与储水箱(2)相连，电磁流量计(4)与比例控制阀(5)布置在同一根循环水管(11)管道上，电磁流量计(4)通过通讯线(6)与控制柜(7)信号输入接口相连，比例控制阀(5)通过通讯线(6)与控制柜(7)信号输入接口相连，控制柜(7)通讯接口与计算机主机(8)通过通讯线(6)相连，计算机主机(8)与计算机显示屏(9)通过通讯线(6)相连，储水箱(2)内部固定设置有液位传感器(3)，液位传感器(3)与控制柜(7)信号输入接口通过通讯线(6)相连。

2.根据权利要求1所述的一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其特征在于：液位传感器(3)型号为561250581934。

3.根据权利要求1所述的一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其特征在于：电磁流量计(4)型号为SGLDG-32。

4.根据权利要求1所述的一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其特征在于：比例控制阀(5)型号为PM-02。

5.根据权利要求1所述的一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其特征在于：通讯线(6)型号为60227IEC53。

6.根据权利要求1所述的一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其特征在于：控制柜(7)主控单元型号为HAControl-06。

7.根据权利要求1所述的一种适用于水工模型试验的流量控制系统，其特征在于：电磁流量计(4)仪表流量大小范围为0.5-30m³/h。