【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水利水电工程中泄水建筑物，具体涉及明渠水流水深、掺气及壁面压力等水力特性。
技术介绍
1、在高坝工程物理模型实验中，需要对明渠水槽水流特性进行精确测量，主要包括：水流水深、壁面压力与水流掺气特性。当明渠水流超过4~6m/s时，水流发生掺气，一方面由于气体的卷入，液体由单一颜色变为“乳白”色；另一方面气体的卷入改变原有液体的密度，使得液面抬升等。目前，明渠水槽水流特性测量方式主要为（1）水流水深：水流发生掺气后，水面波动剧烈，目前主要通过肉眼、超声测距仪、激光雷达等方法获得；（2）水流掺气特性：主要采用电阻式探针对掺气特性（掺气浓度、气泡个数及尺寸）进行测量研究；（3）壁面压力：主要通过压力传感器进行测量。
2、目前关于水流水深、壁面压力与水流掺气特性的测量，涉及不同的测量系统、传感器和设备。（1）对明渠恒定流，尽管各物理量比较恒定，但由于采用的测量系统不同，无法保证时间的一致性；（2）对非恒定流（溃坝、涌潮等），各物理量均随时间变化，一方面不同试验组次之间也存在较大差异；另一方面不同的测量系统，无法保证时间的一致性。（3）由于测量系统、传感器和设备的生产厂家不同，输出的数字信号格式等亦不相同，甚至很多无法提供原始数字信号，进而无法对各物理量的相关性进行深入分析。（4）此外，由于测量系统的不同，一方面需安装不同的采集软件；另一方面，各物理量的采集需要分别操作。因此操作流程比较复杂。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种明渠水流特性
2、本专利技术提供的明渠水流特性参数同步测量系统，包括水动力监测软件，多通道数据采集盒，用于测量水深的超声测距仪，用于测量水流掺气特性的掺气探针，用于测量明渠壁面压力的压力传感器，以及电源盒；所述多通道数据采集盒、超声测距仪、掺气探针、压力传感器的电源接口分别与电源盒连接以供电；超声测距仪、掺气探针和压力传感器的信号输出端分别通过数据线与多通道数据采集盒相连接，多通道采集盒的信号输出端通过数据线与电脑连接，实现信号传输和采集；
3、所述水动力监测软件，基于matlab编译，安装在电脑中，包括参数设置模块，信号存储模块，信号采集模块和后处理模块；所述参数设置模块用于控制和设置多通道数据采集盒的信号通道与超声测距仪、掺气探针和压力传感器的对应关系，根据测量点的个数设置相应的信号通道数量，以及根据每个测量点的内容要求，设置相应的采样频率；信号存储模块用于将采集的信号存储在相应的文件位置；所述信号采集模块用于控制多通道数据采集盒开始和结束信号采集；所述后处理模块用于信号处理，用于对采集到的信号进行处理，获得电压信号平均值、波动值、偏态系数、相关系数等，进一步将电压信号转换为掺气浓度、流速、水深、压力等水力特性参数。
4、进一步地，所述水动力监测软件中，信号存储模块存储文件格式为txt文本格式，其中，存储数据的第一列为时间序列，时间序列可以为相对时间（以开始采样的时间为基准），也可以为绝对时间；第二列往后依次为掺气电压信号序列、压力电压信号序列与水深电压信号序列。这既可保证时间一致，也可以减小存储量。
5、进一步地，所述后处理模块分别对信号存储模块中的每列电压信号数据进行处理，可得到信号的特征值；然后对每两列数据进行相关性分析，可得到基于相同时间下的相关性特征值，从而可深入分析明渠水流的水力特性。
6、进一步地，所述水动力监测软件中操作单元包括采集开始与结束快捷键、采集通道数设置单元、采样时间和频率设置单元、信号实时界面、存储路径设置单元、存储格式设置单元。在操作时候打开软件，首先设置采集通道数、采样时间和频率，再设置存储路径、存储格式，然后开始与结束采集。
7、在本专利技术的上述技术方案中，所述水动力监测软件也可以采用现有flag采集软件，或signal express。所述掺气探针：采用高数函数逼近法，获得掺气浓度、气泡个数；采用分段互相关与高数函数逼近相结合法，获得流速。压力探头与超声测距仪：采用高数函数逼近法，获得压力与水深。
8、进一步地，所述多通道数据采集盒的通道数为12n，其中n=1、2、3、4、5或6。
9、进一步地，所述电源盒12v直流电。
10、进一步地，所述掺气探针为专利zl 202110156276.9中的“测量复杂气液两相流中涡体尺度的实验装置”，包括探针、基座、模拟信号-数字信号模块、探针供电电源和数据处理端，所述基座为“十”字交叉型，基座上沿十字型的横部（x轴方向）和竖部（y轴方向）分别等间距排列有若干探针，所述基座内部为空腔结构，所述探针竖立固定在基座上，探针针头朝向空中，探针尾部穿过基座插入基座的空腔中，每根探针尾部在基座空腔内均连接有一根导线，每根导线从基座底部引出基座，再与模拟信号-数字信号模块连接，将探针采集的模拟信号转化为数字信号，所述模拟信号-数字信号模块通过数据传输线与数据处理端连接；所述探针分别与探针供电电源连接。
11、所述探针由不锈钢外壳包裹银丝内芯构成，探针针尖部的银丝内芯暴露在外，探针尾部的银丝与对应的导线相连接，探针的不锈钢外壳与探针供电电源连接。银丝直径为0.1mm，不锈钢外径的直径为0.7mm。为增加探针在基座上的稳定性，探针外形设置为圆锥体形。为保证结构的稳定，防止被水流冲坏，探针焊接在十字架底座上。
12、基座横部和竖部上的探针数量相等，分别为4～10 根。所述探针相对基座的高度，从原点处的探针开，沿x轴正负方向递减，沿y轴正负方向递减。优选地，x轴和y轴上，相邻两根探针之间的高程差相等，相邻两根探针之间的水平间距相等。由于装置工作时探针需要逆水流方向，因此基座的横部和竖部为与探针朝向方向一致的流线型。
13、在本专利技术的上述技术方案中，进一步地，由于三个不同采集仪器掺气探针、超声测距仪个压力传感器由不同厂家生产，提供的电源形式和电压大小不同，本专利技术将电源统一为直流电形式，电压大小为12v，所述电源盒包含电压转化模块，用于将220v交流电转化为12v直流电。
14、进一步地，所述多通道数据采集盒包括信号输入模块、数字化模块和信号输出模块；所述信号输入模块为多个输入通道并联，用于将各仪器采集的模拟信号输入到多通道数据采集盒；通过对信号输入模块的各通道的电压正负极调整实现与超声测距仪、掺气探针和压力传感器对应连接，保证各采集信号通过对应通道同时输入；为避免掺气探针的针尖氧化导致信号降低，在掺气探针针尖为负极，外壳（基座）为正极，将探针采集的负极信号端口连接到多通道采集盒的输入信号端，而超声测距仪、压力传感器的信号采集端均为正极，将采集的正极信号通道连接到多通道采集盒的输入信号端；所述数字化模块用于将各通道采集的信号转化为数字信号，信号保留4位有效数字，即将超声测距仪、掺气探针、压力探头采集的信号以电压形式输本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，包括水动力监测软件，多通道数据采集盒，用于测量水深的超声测距仪，用于测量水流掺气特性的掺气探针，用于测量明渠壁面压力的压力传感器，以及电源盒；所述多通道数据采集盒、超声测距仪、掺气探针、压力传感器的电源接口分别与电源盒连接以供电；超声测距仪、掺气探针和压力传感器的信号输出端分别通过数据线与多通道数据采集盒相连接，多通道采集盒的信号输出端通过数据线与电脑连接，实现信号传输和采集；
2.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，所述水动力监测软件中，信号存储模块存储数据的文件格式为txt文本格式，其中，存储数据的第一列为时间序列，时间序列为相对时间或绝对时间，第二列往后依次为掺气电压信号序列、压力电压信号序列与水深电压信号序列。
3.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，水动力监测软件的后处理模块分别对信号存储模块中的每列电压信号数据进行处理，得到信号的特征值；然后对每两列数据进行相关性分析，得到基于相同时间下相关性特征值，用于深入分析明渠水流的水力特性。
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5.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，所述多通道数据采集盒的通道数为12N，其中N=1、2、3、4、5或6；所述电源盒12V直流电。
6.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，包括探针、基座、模拟信号-数字信号模块、探针供电电源和数据处理端，所述基座为“十”字交叉型，基座上沿十字型的横部（X轴方向）和竖部（Y轴方向）分别等间距排列有若干探针，所述基座内部为空腔结构，所述探针竖立固定在基座上，探针针头朝向空中，探针尾部穿过基座插入基座的空腔中，每根探针尾部在基座空腔内均连接有一根导线，每根导线从基座底部引出基座，再与模拟信号-数字信号模块连接，将探针采集的模拟信号转化为数字信号，所述模拟信号-数字信号模块通过数据传输线与数据处理端连接；所述探针分别与探针供电电源连接。
7.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，所述多通道采集盒包括信号输入模块、数字化模块和信号输出模块；所述信号输入模块为多个输入通道并联，用于将各仪器采集的模拟信号输入到多通道数据采集盒；通过对信号输入模块的各通道的电压正负极调整实现与超声测距仪、掺气探针和压力传感器对应连接，保证各采集信号通过对应通道同时输入；所述数字化模块用于将各通道采集的信号转化为数字信号，以电压形式输出；所述信号输出模块用于将转化后的数字信号以txt形式输出到相应的存储位置，信号输出模块的通道与信号输入模块的通道对应，同时与水动力监测软件上设置的通道数据存储位置对应。
8.根据权利要求7所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，为避免掺气探针的针尖氧化导致信号降低，在掺气探针针尖为负极，基座为正极，将探针采集的负极信号端口连接到多通道采集盒的输入信号端，而超声测距仪、压力传感器的信号采集端均为正极，将采集的正极信号通道连接到多通道采集盒的输入信号端。
9.基于权利要求1所述水流特性参数同步测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，包括水动力监测软件，多通道数据采集盒，用于测量水深的超声测距仪，用于测量水流掺气特性的掺气探针，用于测量明渠壁面压力的压力传感器，以及电源盒；所述多通道数据采集盒、超声测距仪、掺气探针、压力传感器的电源接口分别与电源盒连接以供电；超声测距仪、掺气探针和压力传感器的信号输出端分别通过数据线与多通道数据采集盒相连接，多通道采集盒的信号输出端通过数据线与电脑连接，实现信号传输和采集；
2.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，所述水动力监测软件中，信号存储模块存储数据的文件格式为txt文本格式，其中，存储数据的第一列为时间序列，时间序列为相对时间或绝对时间，第二列往后依次为掺气电压信号序列、压力电压信号序列与水深电压信号序列。
3.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，水动力监测软件的后处理模块分别对信号存储模块中的每列电压信号数据进行处理，得到信号的特征值；然后对每两列数据进行相关性分析，得到基于相同时间下相关性特征值，用于深入分析明渠水流的水力特性。
4.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，所述水动力监测软件中操作单元包括采集开始与结束快捷键、采集通道数设置单元、采样时间和频率设置单元、信号实时界面、存储路径设置单元、存储格式设置单元。
5.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，所述多通道数据采集盒的通道数为12n，其中n=1、2、3、4、5或6；所述电源盒12v直流电。
6.根据权利要求1所述明渠水流特性参数同步测量系统，其特征在于，包括探针、基座、...
【专利技术属性】
技术研发人员：白瑞迪，许唯临，刘善均，王韦，张建民，邓军，曲景学，田忠，张法星，卫望汝，余挺，周茂林，王航，张兴涛，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：
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