一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的方法與裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的方法與裝置，包括移動測車、探頭固定器、超聲水位探頭、CCD相機云臺、CCD相機。導軌設置在水槽兩側邊壁的上方，移動測車底部焊接有與導軌相吻合的滑輪，超聲水位探頭利用探頭固定器固定在移動測車的橫梁上。CCD相機云臺利用緊固件固定于移動測車中心點，CCD相機利用相機云臺固定于移動測車中心點位置。本發明優點表現為：與現有的水位及流速測量設備相比，本發明專利利用四個超聲水位探頭及一臺CCD相機即可以方便快捷地同時測量在實驗水槽中設置了丁壩模型或方柱圓柱模型下復雜流動的任意剖面流速及剖面上若干個特別流速點的對應水位，并且經濟、環保。
【專利說明】
一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的方法與裝置【
技術領域
】
[0001]本發明涉及液位及流場測量技術領域，具體地說，是一種同步測量在實驗水槽設置了丁壩或方柱圓柱模型的復雜流動中的流速及多點水位的方法與裝置。
【【背景技術】】
[0002]在天然情況下，河床總是處在不斷地變化和發展過程中。在河流上修建水工建筑物或進行疏浚、整治以后，由于水流結構的改變，河床演變將變得更加迅速和劇烈。水流沖刷河床、使河床變形，河床的變形又促使水流結構發生變化。丁壩作為水工建筑物廣泛用于航道整治及海岸工程中，其主要作用是束水導沙、沖刷航槽，或挑流保護河岸。由于修建丁壩后會使水流縮窄，產生壩頭分離流和壩尾回旋流，局部流動呈強三維紊動特性，其中，丁壩的局部沖刷一方面危及壩體自身的穩定和安全，另一方面使較多流量集中于壩頭。因此當水流中布設丁壩后，丁壩近區的水流結構變化非常復雜，在丁壩的影響下水流每時每刻都在改變。因此，河道修建水工建筑物，就需要對水工建筑物影響下的河道沖刷、淤積等現象做出正確的計算、分析和預測。在科學實驗研究中，將丁壩模型引入實驗水槽，測量丁壩影響下水流的水位與流速，一般需在丁壩附近沿程固定布設多個超聲水位探頭和CCD相機，這樣導致了實驗測量區域的局限性，且在丁壩附近沿程布置多點水位探頭比較困難，也不利于獲取丁壩周圍強紊動的水位數據和CCD相機隨機采集的流速數據，因此現有測量方法所得的數據不利于我們對同時間內水流結構的變化情況進行研究分析，而且試驗系統較為龐雜，科研設備成本也較高。
[0003]綜上所述，設計一種能夠在實驗水槽上方移動，并且只需少數超聲水位探頭和一臺CCD相機即可同步測量出實驗水槽中復雜流動的流速及多點水位數據的方法與裝置，是目前急需解決的問題，同時裝置結構簡單、使用方便也是實驗室進行裝置改造的創新方向。
【
【發明內容】
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[0004]本發明的目的是針對現有技術中的不足，提供一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的方法與裝置。
[0005]為實現上述目的，本發明采取的技術方案是:一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的裝置，該裝置放置在水槽的上方，與水槽兩側邊壁的間距相等，其特征在于，所述的裝置包括移動測車、探頭固定器、超聲水位探頭、CCD相機云臺和CCD相機，所述的移動測車架設于水槽上方且底部焊有與水槽邊壁上方導軌相吻合的滑輪，使所述的移動測車可在導軌上移動至任意需測量水位與流速的斷面位置，所述的CCD相機云臺利用緊固件固定于移動測車的中心點位置，所述的CCD相機通過相機云臺設置于移動測車上，所述的超聲水位探頭利用探頭固定器固定在CCD相機云臺四周的移動測車的橫梁上。
[0006]所述的超聲水位探頭設置為四個，分別利用探頭固定器固定于CCD相機四周的移動測車的橫梁上。
[0007]所述的超聲水位探頭兩兩之間的間距及其與CCD相機云臺之間的間距都必須大于等于10cm，以防止超聲水位探頭之間存在干擾。
[0008]本發明采取的又一技術方案是:一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的方法，其特征在于，水槽實驗中引入丁壩或方柱圓柱模型時，模型附近的水流流動情況會因此變得復雜和紊亂，在模型周圍設置四個超聲水位探頭用于多點水位數據采集，水槽實驗時所述的方法包括以下步驟:
[0009]a.利用C⑶相機云臺將CXD相機固定于移動測車上，并調整使CXD相機保持水平；
[0010]b.安裝四個超聲水位探頭，測量超聲水位探頭與CCD相機云臺間的距離，進行間距調整，并使所有超聲水位探頭與CCD相機云臺保持在同一軸線上；
[0011]c.將安裝了超聲水位探頭與CCD相機的移動測車移動到需要測量的水槽斷面處，在水位系統中對超聲水位探頭進行標定，確定每個超聲水位探頭電壓正常，且基準水位值相同，在流速場系統中對相機拍攝的物理空間進行標定，在一個時間段內設定多次拍攝流速場；
[0012]d.啟動水栗提升至實驗預設流量，將水槽尾門調至實驗所設的水位值后，等待20?40min使水位穩定，在水位系統中采集I?2min不同超聲水位探頭下的水位值，同時利用CCD相機對所在剖面進行連續拍攝，所得即為同一剖面上的流場及丁壩或方柱圓柱模型近區特殊流速點的水位值；
[0013]e.將移動測車沿導軌移動至下一斷面，重復上述水位值及對應流速值的采集步驟。
[0014]對所述的步驟d中同時間段內測量的水位值與流速值取平均值，用于消除外界瞬時干擾或不穩定因素從而得到特定點流速與水位的相關關系。
[0015]所述的同時段內多點水位值的采集操作在實驗過程中一直進行，直至流速測量結束后方停止。
[0016]本發明優點在于:
[0017]1、本發明的裝置能夠在實驗水槽上方移動，并且只需少數超聲水位探頭和一臺CCD相機即可同步測量出實驗水槽中復雜流動的流速及特殊流速點對應的多點水位數據。
[0018]2、本發明方法與裝置針對實驗水槽中設置了丁壩模型或方柱圓柱模型的情形，在這種情形下測量復雜流動的任意剖面流速及剖面上多個特別流速點的對應水位，可以簡化試驗系統、操作簡便、降低科研設備成本。
【【附圖說明】】
[0019]附圖1是本發明裝置的主視圖。
[0020]附圖2是本發明裝置的俯視圖。
【【具體實施方式】】
[0021 ]下面結合附圖對本發明提供的【具體實施方式】作詳細說明。
[0022]附圖中涉及的附圖標記和組成部分如下所示:
[0023]1、水槽邊壁，2、導軌，3、移動測車，4、探頭固定器，5、超聲水位探頭，6、CXD相機云臺，7、(XD相機，8、滑輪。
[0024]—種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的裝置，該裝置總結構如圖1所示，包括移動測車3、探頭固定器4、超聲水位探頭5、CCD相機云臺6和CCD相機7。導軌2安裝在實驗水槽兩側邊壁的上方，移動測車3架設于水槽上方且底部焊有與導軌2相吻合的滑輪8，使其可在導軌2上移動至任意需測量水位與流速的斷面位置。CCD相機云臺6利用緊固件固定于移動測車3中心點位置，超聲水位探頭5利用探頭固定器固定在CCD相機云臺6四周的移動測車3的橫梁上。CCD相機云臺6用于固定放置CCD相機7，超聲水位探頭5與CCD相機7可以隨著移動測車3移動，從而利用固定在裝置上的超聲水位探頭5及CCD相機7同步測量出水槽中復雜流動時流速及特殊流速點對應的多點水位數據。
[0025]上述CXD相機云臺6設置在移動測車3的中心點位置，即處于水槽寬度的中點位置，便于固定拍攝流場時所需的CCD相機7，以及對其擺放位置進行水平調整，保證CCD相機7拍攝區域在包含丁壩模型周圍復雜流動處的水槽內部。
[0026]如圖2所示，一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的裝置，該裝置放置在水槽的上方，與水槽兩側邊壁的間距相等，本發明所述的裝置僅需一個CCD相機云臺6設置在移動測車3的中心點位置和4個超聲水位探頭5以1cm的最小勿擾距離布置在CCD相機云臺6四周，使得在實驗過程中盡可能在丁壩模型四周于同一時刻獲取同一位置的流速與水位。
[0027]上述最小勿擾距離1cm使超聲水位探頭5兩兩之間及其與CXD相機云臺6之間相互無干擾，實際實驗操作時，設置的超聲水位探頭5兩兩之間的間距及其與CCD相機云臺6之間的間距都必須大于等于10cm，才能實現無干擾。
[0028]如圖2所示，四個超聲水位探頭5需要根據水槽寬度的大小及CCD相機云臺6所在位置以相同距離設置于CCD相機云臺6四周，并且兩兩相對位于同一軸線上。目的是確保超聲水位探頭5兩兩之間及其與CCD相機云臺之6間互不干擾。當CCD相機7固定于CCD相機云臺之6之后，所述的超聲水位探頭5與CCD相機7均與水槽中的水體無接觸，對水體流動無干擾。
[0029]試驗時，通過移動測車3，固定在移動測車3上的超聲水位探頭5與CCD相機7可隨之在實驗水槽上方移動至任意斷面，從而只需4個超聲水位探頭5與I臺CCD相機7便可以同步測量到任意剖面中復雜流動的流速及剖面上特別流速點的水位數據。
[0030]本裝置的工作過程:試驗前，首先利用CXD相機云臺6將CCD相機7固定于移動測車3上，并調整使CCD相機7保持水平。再根據試驗需要，安裝四個超聲水位探頭5，測量超聲水位探頭5與CCD相機云臺6間的距離，進行間距調整，并使其在同一軸線上;其次，將安裝了超聲水位探頭5與CCD相機7的移動測車3移動到需要測量的斷面處，在水位系統中對超聲水位探頭5進行標定，確定每個超聲水位探頭5電壓正常，且基準水位值相同，在流速場系統中對相機拍攝的物理空間進行標定。啟動水栗提升至所需流量，將水槽尾門調至實驗所設的水位值后，為使其水位穩定等待約30min，在水位系統中采集I?2min不同探頭下的水位值，同時利用CCD相機7對所在剖面進行連續拍攝，所得即為同一剖面上的流場及特殊流速點的水位值。移動測車3沿導軌2移動至下一斷面，可再利用水位系統與流速場測量系統測量到該剖面上不同位置的水位值與流速值，如此推移，可同步將實驗水槽中沿程復雜流動的多點水位值與流速值均測量出來。
[0031]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明方法的前提下，還可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的裝置，該裝置放置在水槽的上方，與水槽兩側邊壁的間距相等，其特征在于，所述的裝置包括移動測車、探頭固定器、超聲水位探頭、CCD相機云臺和CCD相機，所述的移動測車架設于水槽上方且底部焊有與水槽邊壁上方導軌相吻合的滑輪，使所述的移動測車可在導軌上移動至任意需測量水位與流速的斷面位置，所述的CCD相機云臺利用緊固件固定于移動測車的中心點位置，所述的CCD相機通過相機云臺設置于移動測車上，所述的超聲水位探頭利用探頭固定器固定在CCD相機云臺四周的移動測車的橫梁上。2.根據權利要求1所述的一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的裝置，其特征在于，所述的超聲水位探頭設置為四個，分別利用探頭固定器固定于CCD相機四周的移動測車的橫梁上。3.根據權利要求1所述的一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的裝置，其特征在于，所述的超聲水位探頭兩兩之間的間距及其與CCD相機云臺之間的間距都必須大于等于10cm，以防止超聲水位探頭之間存在干擾。4.一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的方法，其特征在于，水槽實驗中引入丁壩或方柱圓柱模型時，模型附近的水流流動情況會因此變得復雜和紊亂，在模型周圍設置四個超聲水位探頭用于多點水位數據采集，水槽實驗時所述的方法包括以下步驟: a.利用CCD相機云臺將CCD相機固定于移動測車上，并調整使CCD相機保持水平； b.安裝四個超聲水位探頭，測量超聲水位探頭與CCD相機云臺間的距離，進行間距調整，并使所有超聲水位探頭與CCD相機云臺保持在同一軸線上； c.將安裝了超聲水位探頭與CCD相機的移動測車移動到需要測量的水槽斷面處，在水位系統中對超聲水位探頭進行標定，確定每個超聲水位探頭電壓正常，且基準水位值相同，在流速場系統中對相機拍攝的物理空間進行標定，在一個時間段內設定多次拍攝流速場； d.啟動水栗提升至實驗預設流量，將水槽尾門調至實驗所設的水位值后，等待20?40min使水位穩定，在水位系統中采集I?2min不同超聲水位探頭下的水位值，同時利用CCD相機對所在剖面進行連續拍攝，所得即為同一剖面上的流場及丁壩或方柱圓柱模型近區特殊流速點的水位值； e.將移動測車沿導軌移動至下一斷面，重復上述水位值及對應流速值的采集步驟。5.根據權利要求4所述的一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的方法，其特征在于，對所述的步驟d中同時間段內測量的水位值與流速值取平均值，用于消除外界瞬時干擾或不穩定因素從而得到特定點流速與水位的相關關系。6.根據權利要求4所述的一種同步測量復雜流動中的流速及多點水位的方法，其特征在于，所述的同時段內多點水位值的采集操作在實驗過程中一直進行，直至流速測量結束后方停止。
【文檔編號】G01F23/296GK105974151SQ201610290009
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】顧杰, 鄭宇華
【申請人】上海海洋大學