一種水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)方案

一種水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)，包括多個(gè)泡漩水傳感器、與各個(gè)漩水傳感器對(duì)應(yīng)連接的信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換卡、計(jì)算機(jī)、多個(gè)CCD攝像機(jī)、圖像采集卡，每一信號(hào)處理電路通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換卡與計(jì)算機(jī)連接，每一CCD攝像機(jī)通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，所述泡漩水傳感器的波高傳感元件采用阻抗變換器，測(cè)量時(shí)放置于水流中一定深度；所述CCD攝像機(jī)布置在模型河道水流上方。本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)將電子測(cè)量技術(shù)與攝影技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，為水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究測(cè)量水流泡漩與漩渦流提供了一種新的測(cè)量系統(tǒng)，并且大大提高試驗(yàn)自動(dòng)化程度和工作效率，有利于提升水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究水平。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及水利工程及水力學(xué)研究模型試驗(yàn)領(lǐng)域，具體是ー種水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
在水力模型(水エ、河エ、港エ模型)試驗(yàn)研究中，對(duì)泡漩水和漩渦流的觀測(cè)，是研究其水流流態(tài)形成機(jī)理和治理方法，以及船舶安全航行的ー個(gè)重要內(nèi)容。其中，泡漩是波浪翻滾并有漩渦的水流，漩渦是水流遇低洼處所激成的螺旋形水渦，泡漩水或漩渦流是河流主要礙航灘險(xiǎn)之一，對(duì)船舶安全航行威脅極大，當(dāng)船舶行駛至泡漩水或漩渦區(qū)域時(shí)將引起顛簸，造成駕駛困難，對(duì)于船隊(duì)可能會(huì)發(fā)生碰撞，或造成歪船、嚴(yán)重時(shí)使船舶翻傾沉沒(méi)，水流泡漩或漩渦流直接影響船舶航運(yùn)安全。·泡漩水與漩渦流形成的必然條件是水流動(dòng)能與位能之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，水流之間發(fā)生這種能量轉(zhuǎn)換又需要一定的邊界條件和水力條件。為了獲得這些參數(shù)和采取工程措施，水カエ程模型試驗(yàn)檢測(cè)泡漩水或漩渦流的特征一般是指(I)泡漩與漩渦流的涌起高度或漩下深度(即波動(dòng)量)；(2)泡漩的周期或水面的波動(dòng)頻率；(3)泡漩水與漩渦流出現(xiàn)的區(qū)域范圍。檢測(cè)到的以上特征供有關(guān)研究與工程設(shè)計(jì)和工程治理參考。以往在模型上最原始的觀測(cè)是人工目測(cè)觀察記錄，沒(méi)有測(cè)量泡漩水的專(zhuān)用儀器，更沒(méi)有針對(duì)泡漩水參數(shù)測(cè)量的專(zhuān)用系統(tǒng)，后來(lái)有采用不同類(lèi)型流速儀的測(cè)量方式，但不能反映泡漩的多參數(shù)特性。由于泡漩水流變化迅速，沒(méi)有快速測(cè)量的設(shè)備同步檢測(cè)泡漩的波動(dòng)高度和周期，以及發(fā)生的范圍與流場(chǎng)強(qiáng)度，給模型試驗(yàn)研究帶來(lái)難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)提供ー種水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)，其通過(guò)阻抗式變換器與攝影圖像技術(shù)相結(jié)合，能快速、多點(diǎn)測(cè)量泡漩水與大面積漩渦流水流流態(tài)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)與動(dòng)態(tài)圖像的自動(dòng)同步顯示、記錄和存儲(chǔ)，解決了現(xiàn)有技術(shù)不能同時(shí)獲取泡漩水強(qiáng)度、流速流態(tài)產(chǎn)生的區(qū)域范圍等測(cè)量參數(shù)的難題。ー種水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)，包括多個(gè)泡漩水傳感器、與各個(gè)漩水傳感器對(duì)應(yīng)連接的信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換卡、計(jì)算機(jī)、多個(gè)CCD攝像機(jī)、圖像采集卡，每ー信號(hào)處理電路通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換卡與計(jì)算機(jī)連接，每ー CXD攝像機(jī)通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)連接，所述泡漩水傳感器的波高傳感元件采用阻抗變換器，測(cè)量時(shí)放置于水流中一定深度；所述CXD攝像機(jī)布置在河道水流上方。如上所述的水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)，所述泡漩水傳感器包括依次連接的多諧振蕩器、功率放大器、耦合變壓器、阻抗變換器，所述信號(hào)處理電路包括依次連接的水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路、差動(dòng)電路、相敏檢波器、光電隔離模塊，其中耦合變壓器的兩個(gè)次級(jí)繞組分別水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路和阻抗變換器連接，水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路和阻抗變換器的輸出端分別與差動(dòng)電路的兩個(gè)輸入端連接。本技術(shù)將電子測(cè)量技術(shù)與攝影技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，為水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究測(cè)量水流泡漩與漩渦流提供了一種新的測(cè)量系統(tǒng)，并且大大提高試驗(yàn)自動(dòng)化和工作效率，有利于提升水力學(xué)物理模型試驗(yàn)研究水平。附圖說(shuō)明圖I是本技術(shù)水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本技術(shù)水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)的電路原理框圖；圖3是使用本技術(shù)測(cè)得的水流波動(dòng)-時(shí)間過(guò)程曲線(xiàn)(即泡漩波高圖)；圖4-1是模型平面布置及泡漩表面流場(chǎng)范圍圖；圖4-2是模型泡漩表面流場(chǎng)局部放大圖；圖5是利用本技術(shù)進(jìn)行水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量的流程框圖。圖中1_泡漩水傳感器，2-信號(hào)處理電路，3-A/D轉(zhuǎn)換卡，4-計(jì)算機(jī)，5-C⑶攝像機(jī)，6-圖像采集卡，7-穩(wěn)壓電源，11-多諧振蕩器，12-功率放大器，13-耦合變壓器，14-阻抗變換器，21-差動(dòng)電路，22-水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路，23-相敏檢波器，24-光電隔離模塊。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本技術(shù)中的附圖，對(duì)本技術(shù)中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。請(qǐng)參考圖1，本技術(shù)實(shí)施例提供ー種水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)，包括多個(gè)泡漩水傳感器I、與各個(gè)漩水傳感器I對(duì)應(yīng)連接的信號(hào)處理電路2、A/D轉(zhuǎn)換卡3、計(jì)算機(jī)4、多個(gè)CXD攝像機(jī)5、圖像采集卡6，每一信號(hào)處理電路2通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換卡3與計(jì)算機(jī)4連接，每ー CXD攝像機(jī)5通過(guò)圖像采集卡6與計(jì)算機(jī)4連接。本技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)還可包括與泡漩水傳感器I、信號(hào)處理電路2及CXD攝像機(jī)5連接穩(wěn)壓電源7。泡漩水傳感器I和CCD攝像機(jī)5的數(shù)量可根據(jù)測(cè)量水流區(qū)域需求進(jìn)行設(shè)置，圖I中的實(shí)施例示出了 16個(gè)泡漩水傳感器I和8個(gè)CXD攝像機(jī)5，對(duì)應(yīng)16個(gè)泡漩水傳感器I設(shè)有16個(gè)信號(hào)處理電路2，A/D轉(zhuǎn)換卡3為PCI總線(xiàn)16通道高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡，相應(yīng)的圖像采集卡6為8通道圖像采集卡。請(qǐng)進(jìn)一歩參考圖2，所述泡漩水傳感器I包括多諧振蕩器11、功率放大器12、耦合變壓器13、阻抗變換器14，所述信號(hào)處理電路2包括差動(dòng)電路21、水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22、相敏檢波器23、光電隔離模塊24。本技術(shù)實(shí)施例中所述阻抗變換器14是兩根平行的圓形金屬桿作為傳感器的兩個(gè)電極。水體在兩金屬桿之間形成電阻阻抗，其阻抗隨泡漩水位升降而變化，這種變化是ー種高速的動(dòng)態(tài)水位變化，水體升高則兩電極間阻抗減小，水體下降則阻抗増大。電極測(cè)桿的長(zhǎng)度視被測(cè)水體的變化幅度而定。所述阻抗變換器14可用兩根直徑為D、距離為L(zhǎng)且相互平行的不銹鋼絲固定于絕緣體上，測(cè)量時(shí)放置于水流中一定深度，當(dāng)水流波動(dòng)的變化導(dǎo)致兩電極間阻抗值變化，適當(dāng)選擇電極尺寸、電路元件數(shù)據(jù)，可使水面波動(dòng)涌水越高，輸出的電流就越大；同時(shí)選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率，可以改善儀表的線(xiàn)性度；由于水的電導(dǎo)率隨水溫和水質(zhì)的變化而改變，測(cè)量精度通常受水溫、水質(zhì)的影響，可采用水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22以消除或減小其變化而引起的影響。本實(shí)施采用阻抗變換器，相對(duì)于電容變換器具有更快的測(cè)量反應(yīng)速度和更好的動(dòng)態(tài)特性。差動(dòng)信號(hào)的訊號(hào)源由多諧振蕩器11獲得一定幅度穩(wěn)定的矩形波，多諧振蕩器11產(chǎn)生一定頻率的矩形波交流電，經(jīng)功率放大器12放大后耦合至耦合變壓器13的初級(jí)繞組。耦合變壓器13的兩個(gè)次級(jí)繞組分別水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22和阻抗變換器14連接，阻抗變換器14及水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22的輸出端分別與差動(dòng)電路21的兩個(gè)輸入端連接。水溫/水質(zhì)補(bǔ)償平衡電路22的元器件與參數(shù)則根據(jù)模型的水溫和水質(zhì)適當(dāng)調(diào)整選取。電路工作電源(即穩(wěn)壓電源7)采用高精度穩(wěn)壓電源模塊，以減小或消除電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的干擾和影響，保證系統(tǒng)電路工作穩(wěn)定。儀器測(cè)量或校驗(yàn)時(shí)，將所述阻抗變換器14的電極置入水中，適當(dāng)調(diào)整入水深度可獲得合適的電信號(hào)靈敏度。當(dāng)水流波動(dòng)起伏時(shí)，產(chǎn)生的泡漩差動(dòng)信號(hào)經(jīng)差動(dòng)電路21轉(zhuǎn)換獲取后送至相敏檢波器23，相敏檢波器23的輸出信號(hào)由光電隔離電路模塊24送至A/D轉(zhuǎn)換卡3，再送至計(jì)算機(jī)4處理顯示、記錄水流波動(dòng)的時(shí)間過(guò)程曲線(xiàn)，根據(jù)時(shí)間過(guò)程線(xiàn)(即水流波 動(dòng)-時(shí)間過(guò)程曲線(xiàn))分析獲得泡漩的強(qiáng)度與頻率，并由泡漩水傳感器I的位置分布以及CCD攝像機(jī)圖像獲知泡漩水流發(fā)生的位置和面積范圍。當(dāng)拋灑跟蹤粒子或碎紙片吋，還可測(cè)量漩渦流的表面流速(即表面流場(chǎng))。CCD攝像機(jī)5可用鋼架或鋁型材固定，布置在模型河道水流上方，單路有效測(cè)量面積可達(dá)4mX5m(攝像機(jī)懸掛高度7. Om吋)。本系統(tǒng)泡高測(cè)量范圍0-50mm;泡漩/漩渦流圖像范圍160m2。利用本技術(shù)可進(jìn)行水力模型泡漩或漩渦流的測(cè)量，其通過(guò)在計(jì)算機(jī)4中安裝系統(tǒng)測(cè)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體包括如下步驟步驟一、將各泡漩本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種水力模型泡漩或漩渦流測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：包括多個(gè)泡漩水傳感器(1)、與各個(gè)漩水傳感器(1)對(duì)應(yīng)連接的信號(hào)處理電路(2)、A/D轉(zhuǎn)換卡(3)、計(jì)算機(jī)(4)、多個(gè)CCD攝像機(jī)(5)、圖像采集卡(6)，每一信號(hào)處理電路(2)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換卡(3)與計(jì)算機(jī)(4)連接，每一CCD攝像機(jī)(5)通過(guò)圖像采集卡(6)與計(jì)算機(jī)(4)連接，所述泡漩水傳感器(1)的波高傳感元件采用阻抗變換器(14)，測(cè)量時(shí)放置于水流中一定深度；所述CCD攝像機(jī)(5)布置在河道水流上方。

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳新生，廖小永，范北林，林木松，馮源，劉同宦，陳錦，王黎，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，
類(lèi)型：實(shí)用新型
國(guó)別省市：