一种便携式无刷测流装置及测流方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种便携式无刷测流装置及测流方法，包括由工字形支架和水平直线滑轨构成的水平运动结构，工字形支架四角各固定一个贯通式直线丝杆步进电机作为支脚，工字形支架横梁一侧设置有流量监测控制器和超声波液位计，水平直线滑块上固定有无刷电机，测流刚杆与无刷电机通过三通直角管连接并固定，无刷电机、超声波水位计及贯通式直线丝杆步进电机通过线缆与流量监测控制器相连接。本发明专利技术结构简单，便于安装使用、自动化程度高，功耗低，水头损失小，测流精度高。测流精度高。测流精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种便携式无刷测流装置及测流方法


[0001]本专利技术属于明渠流量测量装置
，涉及一种便携式无刷测流装置，本专利技术还涉及采用上述一种便携式无刷测流装置进行测流的方法。

技术介绍

[0002]灌区输水明渠流量在线快速准确测量是灌区节水的基础，目前明渠流量测量的主要方法有流速面积法和水位流量法。流速面积法的核心是测量过流断面的平均流速，测量平均流速的方法主要有电磁法、超声波时差法、多普勒法、压差仪表法等。电磁法测流设备布设比较复杂，不适用于大断面测流，成本较高；超声波时差法多声道测流设备对安装要求高，不适用于具有气泡、颗粒等杂质的水体且成本较高；多普勒法不适用于水深较浅的测流场景，且成本较高；压差仪表法不适用于泥沙含量较高的水流，范围度窄。水位流量法多采用槽堰进行量水，施工成本较高，水头损失大，容易发生淤堵。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种便携式无刷测流装置，采用无刷电机作为流速传感器，解决了现有技术中存在的测流装置使用复杂、成本高的问题。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，一种便携式无刷测流装置，包括由工字形支架和水平直线滑轨构成的水平运动结构，工字形支架四角各固定一个贯通式直线丝杆步进电机作为支脚，工字形支架横梁一侧设置有流量监测控制器和超声波液位计，水平直线滑块上固定有无刷电机，测流刚杆与无刷电机通过三通直角管连接并固定，无刷电机、超声波水位计及贯通式直线丝杆步进电机通过线缆与流量监测控制器相连接。
[0005]本专利技术的特征还在于：
>[0006]水平运动结构的工字形结构框架，由三根铝型材通过角码连接固定构成；工字形支架的横梁上固定有水平直线滑轨，每个纵梁的两端各设置有一个贯通式直线丝杆步进电机支脚，四个贯通式直线丝杆步进电机支脚均朝向外布置、通过电机固定板固定连接在纵梁上。
[0007]超声波水位计通过两个M3螺丝固定于水平运动结构的侧壁中部；流量监测控制器通过两个M3螺丝固定于水平运动结构的侧壁。
[0008]水平运动结构采用皮带传动，皮带的一端与步进电机相连，另一端通过皮带轮固定件固定在水平运动结构的一端，水平直线滑块通过底部的卡槽与皮带连接固定。
[0009]本专利技术采用20Ah的12V锂电池作为电源，装置平均待机功耗为20uA，调平时工作电流约为1A，调平时间约为1分钟，测流时单测线测量时间约3秒，测流时工作电流为2.5A，按单次测量7条测线计，充满电的情况下约能测流640次。
[0010]流量监测控制器包括：
[0011]障碍检测模块：通过实时监控无刷电机的驱动电流，智能判断测流刚杆前是否产生了漂浮物淤堵，若产生了淤堵则通过FOC驱动模块控制无刷电机旋转至水平状态进行避
障；
[0012]通信模块：采用了蓝牙、4G无线、北斗通信三个模块，在蓝牙未连接的情况下，优先使用4G无线模块从云服务器获取测流相关参数，发送水位、温度、流量等信息到云服务器；在4G无线模块无法联网的情况下，启用北斗通信模块进行网络连接；在连接了蓝牙的情况下，将优先使用蓝牙进行相关数据的获取与发送。
[0013]瞬时流量计算模块：根据FOC驱动模块反馈的无刷电机驱动电流及相关测流参数，计算被测横断面的平均流量
[0014]步进电机驱动模块：用于驱动贯通式直线丝杆步进电机运动相应的距离，以实现装置自动调平；
[0015]485驱动模块：用于转换STM32微处理器与超声波水位计的通讯信号；
[0016]倾斜检测模块：用于采集当前装置的倾斜角度；
[0017]FOC驱动模块：用于驱动无刷电机，采集无刷电机的工作电流电压等；
[0018]调平控制模块：用于根据倾斜角度计算四个贯通式直线丝杆步进电机上下移动的距离，并通过步进电机驱动模块实现装置调平，本装置贯通式直线丝杆步进电机最大垂向行程为10cm，能够适应大部分渠道岸边地形，省去人工调平，提高工作效率；
[0019]STM32微处理器：作为测流装置的控制中心，分别与障碍检测模块、4G通信模块、瞬时流量计算模块、步进电机驱动模块、485驱动模块、倾斜检测模块、FOC驱动模块以及调平控制模块连接；用于控制装置按测流步骤依次完成自动调平、数据通信、避障、测流刚杆位置控制、水位测量和无刷电机保持测流位置时驱动电流大小采集。
[0020]测流刚杆的直径大不大8mm。
[0021]本专利技术采用的第二种技术方案是，一种便携式无刷测流装置的测流方法，具体过程为：
[0022]步骤1、将无刷电机、超声波水位计及流量监测控制器与水平运动结构连接并固定，随后将测流刚杆与无刷电机连接固定；将组装好的测流装置放置于待测明渠横断面上；
[0023]启动测流装置，流量监测控制器完成初始化后，调平控制模块从倾斜检测模块读取当前倾斜角度并驱动步进电机完成装置自动调平，随后流量监测控制器通过通信模块从云平台获取渠宽、渠深、测线数等测流参数，若未获取到测流参数则等待500ms再次尝试获取，在相关测流参数后，检查测流参数是否在预设范围内，在超出预设范围的情况下发送相应错误信息至云平台，并等待10秒后重新执行测流参数获取步骤，在所有测流参数正常的情况下，进行FOC位置控制，实时判断淤堵情况，发生淤堵则进行避障动作，未发生淤堵则采集一系列不同测线的水深H
xi
和无刷电机驱动电流I
yi
；
[0024]步骤3、被测明渠横断面的过流流量计算：
[0025]流量监测控制器将得到的被测明渠横断面的水深H
ij
及无刷电机驱动电流I
ij
输入到瞬时流量计算模块，瞬时流量计算模块首先采用中位值平均滤波法对输入的一系列水深H
ij
及无刷电机驱动电流I
ij
进行滤波，得到滤波后的明渠水深H
i
及无刷电机驱动电流I
i
，然后计算被测明渠横断面的过流流量：
[0026]测线处的平均流速：
[0027]被测断面的过流流量计算公式为：
[0028][0029]其中：C
D
：测流刚杆的绕流阻力系数；A
p
：测流刚杆与流速垂直方向的迎流投影面积；ρ：水密度；K：电机常数；
i
：第i条测线处无刷电机驱动电流；L：测流刚杆的长度；α：力臂修正系数；H
i
：第i条测线处明渠水深；D：被测断面宽度；Q：被测断面的过流流量；n：测流断面等分数；i：第i条测线。
[0030]注：本装置力臂修正系数α以及测流刚杆的绕流阻力系数C
D
是提供试验率定得到，从而建立一种无刷测流方法模型(即上述流量公式)。
[0031]本专利技术的特点还在于，
[0032]在上述步骤2中，在进行自动调平时，采用升调平技术，根据倾斜检测模块判断出4个贯通式直线丝杆步进电机支脚的最高点，把其他3个贯通式直线丝杆步进电机支脚升高至与最高点处于同一水平面；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种便携式无刷测流装置，其特征在于，包括能够前后滑动的工字形支架(18)，所述工字形支架(18)的横梁一侧上水平固定有水平直线滑轨(8)，所述工字形支架(18)四角各固定一个贯通式直线丝杆步进电机(10)作为支脚，所述工字形支架(18)的横梁另一侧设置有流量监测控制器(7)和超声波水位计(6)，所述水平直线滑轨(8)上设置有水平直线滑块(5)，所述水平直线滑块(5)上固定有无刷电机(16)，所述无刷电机(16)通过三通直角管(15)连接有竖直设置的测流刚杆(14)，所述无刷电机(16)、超声波水位计(6)及贯通式直线丝杆步进电机(10)通过线缆分别与流量监测控制器(7)相连接。2.根据权利要求1所述的一种便携式无刷测流装置，其特征在于，所述工字形支架(18)的横梁一端固定有闭环步进电机(2)，所述步进电机(2)上连接有皮带(4)，所述皮带(4)另一端环绕连接于同步轮(12)上，所述同步轮(12)通过同步轮固定件(9)固定在工字形支架(18)横梁的另一端，水平直线滑块(5)通过底部的卡槽与皮带(4)连接固定。3.根据权利要求1所述的一种便携式无刷测流装置，其特征在于，所述超声波水位计(6)通过两个M3螺丝和超声波水位计固定件(17)固定于固定于工字形支架(18)的中部侧面；流量监测控制器(7)通过两个M3螺丝固定于超声波水位计(6)的旁边。4.根据权利要求1所述的一种便携式无刷测流装置，其特征在于，所述测流刚杆(14)为圆柱状，直径不大于8mm。5.根据权利要求1所述的一种便携式无刷测流装置，其特征在于，所述流量监测控制器(7)包括：障碍检测模块：通过实时监控无刷电机(16)的驱动电流，智能判断测流刚杆前是否产生了漂浮物淤堵，若产生了淤堵则通过FOC驱动模块控制无刷电机(16)进行避障动作；通信模块：采用了蓝牙、4G无线、北斗通信三个模块，在蓝牙未连接的情况下，优先使用4G无线模块从云服务器获取测流相关参数，发送水位、温度、流量等信息到云服务器；在4G无线模块无法联网的情况下，启用北斗通信模块进行网络连接；在连接了蓝牙的情况下，将优先使用蓝牙进行相关数据的获取与发送；瞬时流量计算模块：根据FOC驱动模块反馈的无刷电机(16)驱动电流及相关测流参数，计算被测横断面的平均流量步进电机驱动模块：用于驱动贯通式直线丝杆步进电机(10)运动相应的距离，以实现装置自动调平；485驱动模块：用于转换STM32微处理器与超声波水位计(6)的通讯信号；倾斜检测模块：用于采集当前装置的倾斜角度；FOC驱动模块：用于驱动无刷电机(16)，采集无刷电机(16)的工作电流电压等；调平控制模块：用于根据倾斜角度计算四个贯通式直线丝杆步进电机(10)上下移动的距离，并通过步进电机驱动模块实现装置调平；STM32微处理器：作为测流装置的控制中心，分别与障碍检测模块、4G通信模块、瞬时流量计算模块、步进电机驱动模块、485驱动模块、倾斜检测模块、FOC驱动模块以及调平控制模块连接；用于控制装置按测流步...

【专利技术属性】
技术研发人员：周义仁，王慧强，李浩，王娟，
申请(专利权)人：珠江水利委员会珠江流域水土保持监测中心站，
类型：发明
国别省市：