[發明專利]一種明渠水位跟蹤便攜式超聲波自動測流方法

有效

• 申請號: 201911333301.5
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111141343B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 馬娟娟;周義仁;焦正海;李永業;郭向紅;孫西歡
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66
• 代理公司: 太原倍智知識產權代理事務所(普通合伙) 14111
• 代理人: 戎文華

1.一種明渠水位跟蹤便攜式超聲波自動測流方法，其特征在于：所述自動測流方法是采用自動測流裝置按下列步驟進行的：

手提自動測流裝置至明渠渠道上方，將支撐桿（8）垂直置入水底，接通電源，點擊液晶顯示屏上的開始；

（2）液位超聲波傳感器（7）測出水位，根據水位的高低，步進電機（2）帶動滑塊（5）上下滑移，舵機（4）帶動測量桿（3）旋轉；

（3）單片機程序運行，控制滑塊（5）位移的距離和舵機（4）旋轉的角度，使測量桿（3）兩端的超聲波探頭（6）分別位于水面與水底，開始測量，兩個超聲波探頭（6）相向交替發射接收超聲波，液位超聲波傳感器（7）將其輸出的模擬量信號通過A/D轉換為單片機識別的數字信號，通過單片機程序運行，將采集到的數據通過液晶顯示屏顯示，同時通過通訊接口傳輸到GPRS終端，實現上位機的在線監測，最終程序自動算出渠道斷面流量，并顯示于液晶顯示屏上；

所述測量桿（3）是沿流速方向平行放置，在步進電機（2）和舵機（4）的帶動下，根據水位的高低，自動改變測量桿（3）在豎直方向上的位置，舵機（4）控制測量桿（3）旋轉一定角度，使得兩個超聲波探頭（6）分別位于水面與水底，此時測量桿（3）與流速方向呈一定角度，通過時差法測出測線上的流速，對該流速進行修正，獲得斷面平均流速； 測量桿（3）在明渠豎直方向形成的水平軸線為測線；或者

所述測量桿（3）是與流速方向呈一定角度水平放置，根據水位，步進電機（2）控制測量桿（3）做豎直方向的線性移動，舵機（4）控制測量桿（3）旋轉一定角度，同樣使一探頭位于水面，另一探頭位于水底，測得測線上的流速，此流速同時包含水平和豎直兩個方向的流速，由此尋求該流速與斷面平均流速的關系，獲得斷面平均流速；

所述自動測流裝置包括絲桿、步進電機、超聲波探頭、導軌、液位超聲波傳感器、舵機、滑塊、支撐桿、測量桿及固定墊板；其中：

所述支撐桿（8）是鋁型材，頂端安裝有液位超聲波傳感器（7）測量明渠水位高度；導軌（10）是內置有雙軸心直線導軌機械鋁型材，支撐桿（8）與導軌（10）通過固定墊板（9）固定連接；內置雙軸心直線導軌（10）上安裝有滑塊（5）及絲桿（1），滑塊（5）連接有舵機（4）；通過所述絲桿（1）上設置的步進電機（2）帶動滑塊（5）及舵機（4）在絲桿（1）上作上下滑移，舵機（4）連接有測量桿（3），并控制測量桿（3）的旋轉角度，測量桿（3）的兩端安裝有超聲波探頭（6）作360度豎直平面旋轉測量。

2.如權利要求1所述的明渠水位跟蹤便攜式超聲波自動測流方法，其特征在于：所述液位超聲波傳感器（7）是首先測量明渠水位高度，液位超聲波傳感器（7）由探頭發出超聲波脈沖信號，當脈沖信號遇到被測介質表面進行反射，同一探頭接收到反射回波時將其轉換為電信號，獲得從發射至接收到超聲脈沖的間隔時間，測得探頭至水面的距離，已知探頭至水底的距離，通過高度差計算得水位，再根據時差法獲得流速；

兩換能器之間的距離為 L，工作時，換能器1向換能器2順水流發射超聲脈沖，測出順水流傳過L的傳播時間，換能器2再向換能器1逆水發射超聲脈沖，測出逆水傳過L的傳播時間：

式中，L為兩個換能器之間的距離，C為超聲波在靜止媒介中的傳播速度，因為VC，將上式改寫成：

所以流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比，根據流速面積法Q=AV獲得流量。

3.如權利要求1所述的明渠水位跟蹤便攜式超聲波自動測流方法，其特征在于：所述測量桿（3）是不銹鋼、鋁質合金或石墨烯材質的細桿。

4.如權利要求1所述的明渠水位跟蹤便攜式超聲波自動測流方法，其特征在于：所述步進電機（2）的轉速是25rad/s或自行調節。