一种基于惯性导航的智能化流场测定装置的制作方法

本实用新型属于环境工程技术领域，具体为一种基于惯性导航的智能化流场测定装置。

背景技术：

水处理构筑物种类繁多，其中给水工艺中常用的构筑物包括：混凝池，沉淀池等，而污水处理工艺中常用的构筑物包括：移动床生物膜反应器，氧化沟，循环式活性污泥法（CAST池）等。影响构筑物处理效果的因素较复杂，包括药剂投加、物化因素、微生物特性等多因素相互作用。但对于一个为获得最佳运行效果的固定体积的构筑物而言，大量实验表明，水处理构筑物对于流场运动十分敏感。流场条件直接影响水处理工艺的有效容积、污染物去除效果、运行负荷等。因此如何测定水处理构筑物中水力学条件，进而对其进行研究和分析，最终优化流场，是水处理构筑物系统设计及运行时的关键因素。

但水处理构筑物中水力条件的测定始终是研究难点。常用的水力学表征手段主要是经验公式拟合、流体力学软件模拟及粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry，PIV）等技术。经验公式拟合基于构筑物结构参数（例如长宽高等构型参数）及运行参数（表面气速，相密度，流体粘度等）直接计算流场分布和水力条件。流体力学软件（例如CFD，CFX，Fluent等）模拟通过设定合理的边界层及网格划分，获得二维或三维各相运动速度及含率，由此可计算反应器中流场分布和水力条件。流体力学软件优势在于模拟时考虑几何构型，建模成功后具有推广价值。但经验公式拟合及流体力学软件模拟的结论通常需要与实际检测结果相互验证方具有可信性。

常见的实际流场检测手段是粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry，PIV）以及粒子跟踪测速技术（Partical Track Velocimetry，PTV）。PIV/PTV通过测量示踪粒子在短时间间隔内的位移来间接测量流场的瞬态速度分布。在测量整个流场速度分布的同时，可以逐个区分流场中不同粒径颗粒的运动特性。但PIV/PTV主要研究微观流场（检测区域通常小于50 cm*50 cm），且设备体积较大，价格昂贵，通常仅在实验室中使用，不适用于实际工程中的水处理构筑物内流场测定。目前尚未见经济有效的实际水处理构筑物中流场测定方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型的目的在于设计提供一种基于惯性导航的智能化流场测定装置的技术方案，可用于水处理构筑物中的流场测定，在待测水体上游投放测定装置，记录各项运动参数并存储，在回收装置后，通过读取数据存储模块中数据完成流场重建，为复杂流场测定及分析提供重要的技术依据。本设备灵巧便于携带，且在使用后可回收再利用，成本较低，具有良好的经济性和实用性。

所述的一种基于惯性导航的智能化流场测定装置，其特征在于包括外壳，外壳内设置相互配合连接的数据采集模块、数据存储模块、动力模块。

所述的一种基于惯性导航的智能化流场测定装置，其特征在于所述的外壳由上半球、下半球密封配合构成，外壳外侧包裹气囊，未充气时气囊与外壳贴合，充气后气囊膨胀；外壳内设置配重，外壳顶端设置水压深度传感器探头，外壳一侧留孔供气囊充气。

所述的一种基于惯性导航的智能化流场测定装置，其特征在于所述的数据采集模块由陀螺仪、加速度传感器、磁罗盘、水压深度传感器配合连接构成。

所述的一种基于惯性导航的智能化流场测定装置，其特征在于所述的数据存储模块包括配合连接的单片机、存储芯片及串口，单片机与数据采集模块、动力模块配合连接。

所述的一种基于惯性导航的智能化流场测定装置，其特征在于所述的动力模块包括配合连接的锂电池、稳压模块、直流电磁阀及微型气室，动力模块采用锂电池通过稳压模块升压后对数据存储模块、数据采集模块供电。

上述一种基于惯性导航的智能化流场测定装置，可用于水处理构筑物中的流场测定，在待测水体上游投放测定装置，记录各项运动参数并存储，在回收装置后，通过读取数据存储模块中数据完成流场重建，为复杂流场测定及分析提供重要的技术依据。本设备灵巧便于携带，且在使用后可回收再利用，成本较低，具有良好的经济性和实用性。

附图说明

图1为本实用新型实施例中装置结构外观示意图；

图2为本实用新型实施例中装置结构透视图；

图3为流场测定装置内部结构示意图；

图4为流场测定装置上浮原理图；

图中：1-外壳、11-上半球、12-下半球、13-配重、14-水压深度传感器探头、15-气囊；2-数据采集模块、21-陀螺仪、22-加速度传感器、23-磁罗盘、24-水压深度传感器；3-数据存储模块、31-单片机、32-存储芯片、33-串口；4-动力模块、41-锂电池、42-稳压模块、43-直流电磁阀、44-微型气室。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型作进一步说明。

如图所示，该基于惯性导航的智能化流场测定装置，包括外壳1，外壳1内设置相互配合连接的数据采集模块2、数据存储模块3、动力模块4。

进一步，所述的外壳1由上半球11、下半球12密封配合构成，上半球11、下半球12间通过螺纹加密封O圈密封，保证外壳1防水。外壳1外侧包裹气囊15，未充气时气囊15与外壳1贴合，充气后气囊15膨胀；外壳1内设置配重13，外壳1顶端设置水压深度传感器探头14，开孔处采用法兰等形式密封。外壳1一侧留孔供气囊15充气。

进一步，所述的数据采集模块2由陀螺仪21、加速度传感器22、磁罗盘23、水压深度传感器24配合连接构成，水压深度传感器24与水压深度传感器探头14配合连接。陀螺仪21用于获得旋转角加速度，加速度传感器22用于获得线加速度，磁罗盘23用于获得实时倾角和装置姿态，水压深度传感器24用于获得水深。基于对陀螺仪21和加速度传感器22测量的角加速度和线加速度积分，可快速求解出装置在运动过程中速度，对速度积分可获得运动过程中的位置信息。由于陀螺仪21和加速度传感器22固有的物理特性导致漂移和噪声也被积分，导致误差不断累积増大。因此还需要进一步采用额外的元件来校正陀螺仪21和加速度传感器22获得的信息。实用新型采用磁罗盘23获得实时倾角和装置姿态，水压深度传感器24获得水深，通过磁罗盘23和水压深度传感器24辅助，消除陀螺仪21和加速度传感器22积分误差，校准位置信息。

进一步，所述的数据存储模块3包括配合连接的单片机31、存储芯片32及串口33，单片机31与数据采集模块2、动力模块4配合连接；单片机31与陀螺仪21、加速度传感器22、磁罗盘23、水压深度传感器24相连，并将读取后的数据输入存储芯片32储存。单片机31同时对动力模块4中上浮时间进行控制。数据存储模块3用于保存测定数据，在运行结束后通过串口33读取存储芯片32内数据。

进一步，所述的动力模块4包括配合连接的锂电池41、稳压模块42、直流电磁阀43及微型气室44，动力模块4采用锂电池41通过稳压模块42升压后对数据存储模块3、数据采集模块2等所有设备供电。锂电池41对单片机31、存储芯片32、陀螺仪21、加速度传感器22、磁罗盘23、水压深度传感器24及直流电磁阀43供电。微型气室44及气囊15通过直流电磁阀43连接。直流电磁阀43为直流供电，采用常闭式电磁阀。动力模块4在到达预设检测时间后，为装置提供动力上浮，便于测定装置的回收。

采用一种基于惯性导航的智能化流场测定装置的方法，包括以下步骤：

1）在投放智能化流场测定装置前，通过串口33在单片机31中设置上浮操作启动时间，将压缩空气充入微型气室44，空气压力为5-10 Mpa，优选6-9 Mpa，更优选7-8 Mpa；然后关闭直流电磁阀43，压缩空气被存储于微型气室44内；可以采用独立的高压气瓶对微型气室44充气；

2）接通锂电池41，将外壳1密封后放入待测水处理构筑物中并记录投放地点位置；流场测定装置受水流作用下在水处理构筑物中运动；陀螺仪21、加速度传感器22、磁罗盘23、水压深度传感器24分别记录角加速度、线加速度、实时倾角和实际水深，并记录在存储芯片32中；

3）当运行时间到达设定的上浮操作启动时间时，常闭式直流电磁阀43开启，连通微型气室44和气囊15，将微型气室44中的压缩空气导入气囊15；

4）气囊15充气膨胀后受浮力作用，将装置顶托浮出水面以便回收；

5）在装置回收后，通过串口33读取角加速度和线加速度，并通过实时倾角、装置姿态及水深消除积分误差，求解出装置在运动过程中速度，对速度积分可获得运动过程中的位置信息；通过装置水下位置信息，重建水下流场。

本设备体积小便于携带，且在使用后可回收再利用，成本较低，具有良好的经济性和实用性。