CN111141343B - 一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法 - Google Patents

Abstract

一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，所述自动测流方法是将自动测流装置置于明渠渠道上方，并将支撑杆垂直插入水底，接通电源，液位超声波传感器先测量明渠水位高度，传感器发射超声波至水面，通过高度差计算获得水位，测量杆通过滑块在丝杆上下位移并在舵机带动下作360度旋转，智能控制器根据水位高度自动控制超声波探头位置，并分别置于水面和水底，相向交替发射接收超声波，将采集数据无线传输到监控设备，根据时差法原理求得流速，利用程序自动算出整个渠道的流量并在液晶显示屏上显示出来，本方法不受水体环境影响，测量精度高，适用范围广，省时省力，具有广阔的应用前景。

Description

一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法

技术领域

本发明涉及一种明渠自动测流方法，具体来讲，是一种依据超声波时差法原理，利用超声波传感器和智能控制器自动测量明渠流量的方法。

背景技术

现有技术：赵政.基于超声波时差法的非接触式流量传感器[J].自动化应用,2014(07):82-85.，流量测量仪表种类繁多，用超声波来检测流量是其中的一种重要方法，现有的超声波流量测量方法主要是传播时差法、多普勒法、相关法及波束偏移法，多普勒效应认为当发射器和接收器之间有相对运动的时候，接收器所传感到的声频率会发生改变，这个相对于声源频率的变化就是多普勒频移，其大小是正比于发射器与接收器之间的相对运动，这种方法主要应用于精度要求不高，含有固体颗粒及杂质比较多的场合，在比较洁净的流体中就难以发挥作用。

现有技术：顾斌. 基于超声波时差法检测液压系统流量计的研制[D].西安科技学,2009.，相关法是流动标记法的一种，其原理是测出流体在管道内流动时，流动介质中可以观测到的某种示踪标记沿流动方向两固定点所渡越的时间，来求取流速及流量，相关法的测量精度高，但是需要多个传感器，成本较高，并且只适用于小管道、小流量的测量。

现有技术：杨震. 基于超声波时差法管道流量计积分算法及实验研究[D].西安理工大学,2006.，波束偏移法利用超声波在流体中传播时因流体流动产生的波束的偏移量的大小来测量流量，这种方法灵敏度低，一般只用来测量大流量。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是现有测量方法测量精度低，适用范围小，操作复杂的问题，并提供一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，其特征在于：所述自动测流方法是采用自动测流装置按下列步骤进行的：

（1）手提自动测流装置至明渠渠道上方，将支撑杆垂直置入水底，接通电源，点击液晶显示屏上的开始；

（2）液位超声波传感器测出水位，根据水位的高低，步进电机带动滑块上下滑移，舵机带动测量杆旋转；

（3）单片机程序运行，控制滑块位移的距离和舵机旋转的角度，使测量杆两端的超声波探头分别位于水面与水底，开始测量，两个超声波探头相向交替发射接收超声波，液位超声波传感器将其输出的模拟量信号通过A/D转换为单片机识别的数字信号，通过单片机程序运行，将采集到的数据通过液晶显示屏显示，同时通过通讯接口传输到GPRS终端，实现上位机的在线监测，最终程序自动算出渠道断面流量，并显示于液晶显示屏上；

所述测量杆是沿流速方向平行放置，在步进电机和舵机的带动下，根据水位的高低，自动改变测量杆在竖直方向上的位置，舵机控制测量杆旋转一定角度，使得两个超声波探头分别位于水面与水底，此时测量杆与流速方向呈一定角度，通过时差法测出该条测线上的流速，对该流速进行修正，获得断面平均流速；或者

所述测量杆是与流速方向呈一定角度水平放置，根据水位，步进电机控制测量杆做竖直方向的线性移动，舵机控制测量杆旋转一定角度，同样使一探头位于水面，另一探头位于水底，测得该测线上的流速，此流速同时包含水平和竖直两个方向的流速，由此寻求该流速与断面平均流速的关系，获得断面平均流速。

进一步地，本发明有如下技术特征方案。

一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，其特征在于：所述液位超声波传感器是首先测量明渠水位高度，液位超声波传感器由探头发出超声波脉冲信号，当脉冲信号遇到被测介质表面进行反射，同一探头接收到反射回波时将其转换为电信号，获得从发射至接收到超声脉冲的间隔时间，测得探头至水面的距离h，已知探头至水底的距离h ₁，通过高度差h ₁-h计算得水位，再根据时差法获得流速；

两换能器之间的距离为 L，工作时，换能器1向换能器2顺水流发射超声脉冲，测出顺水流传过L的传播时间t ₁₂，换能器2再向换能器1逆水发射超声脉冲，测出逆水传过L的传播时间t ₂₁：

式中，L为两个换能器之间的距离，C为超声波在静止媒介中的传播速度，因为V<<C，将上式改写成：

所以流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比，根据流速面积法Q=AV获得流量。

一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，其特征在于：所述自动测流装置包括丝杆、步进电机、超声波探头、导轨、液位超声波传感器、舵机、滑块、支撑杆、测量杆及固定垫板；其中：

所述支撑杆是铝型材，顶端安装有液位超声波传感器测量明渠水位高度；导轨是内置双轴心直线导轨机械铝型材，支撑杆与导轨通过固定垫板固定连接；内置双轴心直线导轨上安装有滑块及丝杆，滑块连接有舵机；通过所述丝杆上设置的步进电机带动滑块及舵机在丝杆上作上下滑移，舵机连接有测量杆，并控制测量杆的旋转角度，测量杆的两端安装有超声波探头作360度竖直平面旋转测量；

一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，其特征在于：所述测量杆是不锈钢、铝质合金或石墨烯材质的细杆。

一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，其特征在于：所述步进电机的转速是25rad/s或自行调节。

实施上述本发明所提供的一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，是基于液位追踪的测量方法，该方法测量精度高，不受水体环境的影响，适用范围广，且只需单次测量就可得到断面平均流速，省时省力，流量计算公式简明，具有广阔的发展前景。

附图说明

图1是本发明测量装置的机械结构图。

图2是本发明测流装置的工作原理图。

图3是本发明测流装置的电气结构原理图。

图中： 1：丝杆；2：步进电机；3：测量杆；4：舵机；5：滑块； 6：超声波探头；7：液位超声波传感器；8：支撑杆；9：固定垫板；10：导轨。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明。

实施一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，该方法是采用自动测流装置按下列步骤进行的：

（1）手提自动测流装置至明渠渠道上方，将支撑杆8垂直置入水底，接通电源，点击液晶显示屏上的开始；

（2）液位超声波传感器7测出水位，根据水位的高低，步进电机2带动滑块5上下滑移，舵机4带动测量杆3旋转；

（3）单片机程序运行，控制滑块5位移的距离和舵机4旋转的角度，使测量杆3两端的超声波探头6分别位于水面与水底，开始测量，两个超声波探头6相向交替发射接收超声波，液位超声波传感器7将其输出的模拟量信号通过A/D转换为单片机识别的数字信号，通过单片机程序运行，将采集到的数据通过液晶显示屏显示，同时通过通讯接口传输到GPRS终端，实现上位机的在线监测，最终程序自动算出渠道断面流量，并显示于液晶显示屏上。

在上述具体实施方案中，测量杆3是沿流速方向平行放置，在步进电机2和舵机4的带动下，根据水位的高低，自动改变测量杆3在竖直方向上的位置，舵机4控制测量杆3旋转一定角度，使得两个超声波探头6分别位于水面与水底，此时测量杆3与流速方向呈一定角度，通过时差法测出该条测线上的流速，对该流速进行修正，获得断面平均流速。

在上述具体实施方案中，测量杆3也可以与流速方向呈一定角度水平放置，根据水位，步进电机2控制测量杆3做竖直方向的线性移动，舵机4控制测量杆3旋转一定角度，同样使一探头位于水面，另一探头位于水底，测得该测线上的流速，此流速同时包含水平和竖直两个方向的流速，由此寻求该流速与断面平均流速的关系，获得断面平均流速。

在上述具体实施方案中，液位超声波传感器7是首先测量明渠水位高度，液位超声波传感器7由探头发出超声波脉冲信号，当脉冲信号遇到被测介质表面进行反射，同一探头接收到反射回波时将其转换为电信号，获得从发射至接收到超声脉冲的间隔时间，测得探头至水面的距离h，已知探头至水底的距离h ₁，通过高度差h ₁-h计算得水位，再根据时差法获得流速。

在上述具体实施方案中，两换能器之间的距离为 L，工作时，换能器1向换能器2顺水流发射超声脉冲，测出顺水流传过L的传播时间t ₁₂，换能器2再向换能器1逆水发射超声脉冲，测出逆水传过L的传播时间t ₂₁ ：

式中，L为两个换能器之间的距离，C为超声波在静止媒介中的传播速度，因为V<<C，将上式改写成：

所以流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比，根据流速面积法Q=AV获得流量。

在上述具体实施方案中，自动测流装置包括丝杆、步进电机、超声波探头、导轨、液位超声波传感器、舵机、滑块、支撑杆、测量杆及固定垫板；其中的支撑杆8是铝型材，顶端安装有液位超声波传感器7测量明渠水位高度；导轨10是内置有双轴心直线导轨机械铝型材，支撑杆8与导轨10通过固定垫板9固定连接；内置双轴心直线导轨10上安装有滑块5及丝杆1，滑块5连接有舵机4；通过所述丝杆1上设置的步进电机2带动滑块5及舵机4在丝杆1上作上下滑移，舵机4连接有测量杆3，并控制测量杆3的旋转角度，测量杆3的两端安装有超声波探头6作360度竖直平面旋转测量。

在上述具体实施方案中，测量杆3是不锈钢、铝质合金或石墨烯材质的细杆。

在上述具体实施方案中，步进电机2的转速是25rad/s或自行调节。

实施例1

如附图1、附图2及附图3所示，实施上述本发明所提供的一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，该测流方法在测量时，支撑杆8固定，可原地手动自由旋转360度，测量杆3在舵机4的带动下也可旋转360度，因此通过改变支撑杆8和测量杆3的位置实现多种不同的测量方式，具体测量方法包括如下步骤：

步骤一、支撑杆3固定，插入水中至水底，沿着水流方向平行放置测量杆3，旋转测量杆3，使超声波探头6分别位于水面与水底，可测出一条测线上的流速，移动支撑杆8，测出多条测线上的流速，计算出断面平均流速。

步骤二、支撑杆8固定，插入水中至水底，与水流方向呈一定角度放置测量杆3，不断改变测量杆3的位置，保证超声波探6分别位于水面与水底，测得多个流速，探求所测流速与断面平均流速的关系。

本方法通过声波在同样距离里进行顺流以及逆流的传播出现的时间差Δt计算出流速V，根据流速面积法进而计算流量Q。

经推导出Q与Δt的函数关系为：

具体使用时，将测流装置置于测量水域上方，竖直插入水中至水底，接通电源，利用超声波液位传感器7测得该水面的液位，此时步进电机2工作，在滑块5控制下测量杆3能够上下运动，舵机4控制测量杆3旋转一定的角度，使测量杆3与沿水流方向呈一定角度放置，保证超声波探头6分别置于水面与水底，根据液位的不同，自动调节测量杆3的位置，可以进行多次不同位置的测量。

其测流方式是通过与水流方向呈一定角度的方向上，分别在水底与水面放置两个收发一体的超声波探头6，测流装置的测量杆3可在步进电机2的带动下上下移动，并可通过舵机4旋转一定的角度，根据水位的不同，可自动调节超声波探6的位置，保证其分别置于水面和水底；根据超声波在流体中顺流与逆流的传播时间差与被测流体的流速之间关系来求得流速，建立所测速度与整个流水断面的平均流速的关系，根据所测得液位计算出渠道的面积，再根据流速面积法，可以计算出渠道流量。

Claims (4)

1.一种明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，其特征在于：所述自动测流方法是采用自动测流装置按下列步骤进行的：

手提自动测流装置至明渠渠道上方，将支撑杆（8）垂直置入水底，接通电源，点击液晶显示屏上的开始；

（2）液位超声波传感器（7）测出水位，根据水位的高低，步进电机（2）带动滑块（5）上下滑移，舵机（4）带动测量杆（3）旋转；

（3）单片机程序运行，控制滑块（5）位移的距离和舵机（4）旋转的角度，使测量杆（3）两端的超声波探头（6）分别位于水面与水底，开始测量，两个超声波探头（6）相向交替发射接收超声波，液位超声波传感器（7）将其输出的模拟量信号通过A/D转换为单片机识别的数字信号，通过单片机程序运行，将采集到的数据通过液晶显示屏显示，同时通过通讯接口传输到GPRS终端，实现上位机的在线监测，最终程序自动算出渠道断面流量，并显示于液晶显示屏上；

所述测量杆（3）是沿流速方向平行放置，在步进电机（2）和舵机（4）的带动下，根据水位的高低，自动改变测量杆（3）在竖直方向上的位置，舵机（4）控制测量杆（3）旋转一定角度，使得两个超声波探头（6）分别位于水面与水底，此时测量杆（3）与流速方向呈一定角度，通过时差法测出测线上的流速，对该流速进行修正，获得断面平均流速； 测量杆（3）在明渠竖直方向形成的水平轴线为测线；或者

所述测量杆（3）是与流速方向呈一定角度水平放置，根据水位，步进电机（2）控制测量杆（3）做竖直方向的线性移动，舵机（4）控制测量杆（3）旋转一定角度，同样使一探头位于水面，另一探头位于水底，测得测线上的流速，此流速同时包含水平和竖直两个方向的流速，由此寻求该流速与断面平均流速的关系，获得断面平均流速；

所述自动测流装置包括丝杆、步进电机、超声波探头、导轨、液位超声波传感器、舵机、滑块、支撑杆、测量杆及固定垫板；其中：

所述支撑杆（8）是铝型材，顶端安装有液位超声波传感器（7）测量明渠水位高度；导轨（10）是内置有双轴心直线导轨机械铝型材，支撑杆（8）与导轨（10）通过固定垫板（9）固定连接；内置双轴心直线导轨（10）上安装有滑块（5）及丝杆（1），滑块（5）连接有舵机（4）；通过所述丝杆（1）上设置的步进电机（2）带动滑块（5）及舵机（4）在丝杆（1）上作上下滑移，舵机（4）连接有测量杆（3），并控制测量杆（3）的旋转角度，测量杆（3）的两端安装有超声波探头（6）作360度竖直平面旋转测量。

2.如权利要求1所述的明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，其特征在于：所述液位超声波传感器（7）是首先测量明渠水位高度，液位超声波传感器（7）由探头发出超声波脉冲信号，当脉冲信号遇到被测介质表面进行反射，同一探头接收到反射回波时将其转换为电信号，获得从发射至接收到超声脉冲的间隔时间，测得探头至水面的距离

，已知探头至水底的距离

，通过高度差

计算得水位，再根据时差法获得流速；

两换能器之间的距离为 L，工作时，换能器1向换能器2顺水流发射超声脉冲，测出顺水流传过L的传播时间

，换能器2再向换能器1逆水发射超声脉冲，测出逆水传过L的传播时间

：

式中，L为两个换能器之间的距离，C为超声波在静止媒介中的传播速度，因为V<<C，将上式改写成：

所以流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比，根据流速面积法Q=AV获得流量。

3.如权利要求1所述的明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，其特征在于：所述测量杆（3）是不锈钢、铝质合金或石墨烯材质的细杆。

4.如权利要求1所述的明渠水位跟踪便携式超声波自动测流方法，其特征在于：所述步进电机（2）的转速是25rad/s或自行调节。

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