便携扭矩式测流装置及测流方法与流程

1.本发明属于明渠流量测量装置技术领域，涉及一种便携扭矩式测流装置，本发明还涉及采用上述便携扭矩式测流装置进行测流的方法。


背景技术：

2.灌区输水明渠流量的准确快速测量是灌区节水的基础，对于输水明渠流量测量的手段目前主要有流速面积法，该测量手段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、量水建筑物测流法。对于电磁法存在的难题是难以突破大断面测流限制的不足；而多普勒法主要用于测条带流速，精度低；超声波时差法测流，所采取的多声道测流设备对现场安装要求苛刻且成本很高。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种便携扭矩式测流装置，解决了现有技术中存在的测流装置精度低、功耗高的问题。
4.本发明所采用的技术方案是，便携扭矩式测流装置，包括由水平直线滑台和竖直直线滑台相交构成的xy向运动结构，水平直线滑台一侧设置有流量监测控制器和超声波水位计，竖直直线滑台上设有沿竖直直线滑台上下运动的滑板，滑板上连接有竖直方向的测流刚杆、扭矩传感器、以及水平放置的长水准泡，测流刚杆与扭矩传感器连接并固定，扭矩传感器与超声波水位计通过线缆与流量监测控制器相连接。
5.本发明的特征还在于，
6.水平直线滑台为工字型，由三根铝型材通过角码连接固定构成；包括中间的水平滑台以及与水平滑台两端相连的纵梁，每个纵梁的两端各设置有一个可调脚杯，四个可调脚杯均朝向外布置、通过脚杯连接块固定连接在纵梁上。
7.长水准泡有两个、且互相垂直固定于扭矩传感器支撑梁上部，用于装置的调平。
8.超声波水位计通过两个m3螺丝固定于水平直线滑台的侧壁中部；流量监测控制器通过两个m3螺丝固定于水平直线滑台的侧壁。
9.水平直线滑台和竖直直线滑台的水平或竖直运动采用与步进电机相连的皮带，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直线滑台或竖直直线滑台的一端。
10.流量监测控制器包括：
11.数据传输模块：通过无线或有线传输待测明渠的几何参数和测流控制参数，同时将相关信息发至控制模块；
12.瞬时流量计算模块：计算被测量横断面的平均流量；
13.运算放大模块：用于将扭矩传感器产生的微弱电压进行放大，微控制器对放大后的电压信号进行ad转化采样；
14.步进电机驱动模块：用于驱动步进电机运动相应的距离，以控制测流刚杆的位置；
15.控制模块：作为控制中心，分别与数据传输模块、瞬时流量计算模块、运算放大模块以及步进电机驱动模块电性连接；用于控制超声波水位计测量明渠水位和扭矩传感器测量扭矩并采集扭矩值，以及控制测流刚杆在渠道中的位置；
16.本发明采用的第二种技术方案是，便携扭矩式测流装置的测流方法，具体过程为：
17.步骤1、将扭矩传感器、超声波水位计及流量监测控制器与xy向运动结构连接并固定，随后将测流刚杆与扭矩传感器连接固定；将组装好的测流装置固定在待测明渠横断面上，并将xy向运动结构调平；
18.步骤2、通过流量监测控制器的数据传输模块或远程控制中心启动测流，采集一系列被测明渠横断面的水深h
x
和扭矩传感器的扭矩值my；
19.步骤3、被测明渠横断面的过流流量计算：
20.流量监测控制器将得到的被测明渠横断面的水深h
x
及扭矩传感器的扭矩值my输出给瞬时流量计算模块，瞬时流量计算模块首先采用限幅消抖滤波法对输入的一系列水深h
x
及扭矩传感器的扭矩值my进行滤波，得到滤波后的明渠水深h及扭矩传感器扭矩m，然后根据如下流量计算模型计算被测明渠横断面的过流流量：
21.当明渠水深h《5时，cd＝1.5；
22.当明渠水深5≤h《7.5时，cd＝1.5，α＝0.33；
23.当明渠水深7.5≤h《13时，cd＝1，α＝0.21；
24.其中：cd：刚杆的绕流阻力系数；a
p
：刚杆与流速垂直方向的迎流投影面积；m：扭矩传感器扭矩；l：刚杆的长度；α：力臂修正系数；h：明渠水深；d：被测断面宽度；q：被测断面的过流流量。
25.本发明的特点还在于，
26.在上述步骤3中，在计算明渠水深h及扭矩传感器扭矩m时，采用的是限幅消抖滤波法，即多次采样，采将得到的数据存放于数组内，随后采用快速排序算法对数组内元素进行排序，再取数组中间的元素作为滤波后的结果
27.本发明的有益效果是：
28.本发明便携扭矩式测流装置，是由支撑在明渠两侧内壁的xy向运动结构及其上设置的扭矩传感器、超声波水位计和流量监测控制器构成；其中水平直线滑台为工字型结构，且设有四个可调脚杯、步进电机、皮带、皮带轮固定件及滑车，工字形结构框架由三根铝型材通过角码连接构成；扭矩传感器与测流刚杆连接后通过一段欧标2060铝型材固定于竖直直线滑台的滑车上；超声波水位计固定于水平直线滑台的中部侧面；流量监测控制器固定于水平直线滑台的侧面，测量时通过流量监测控制器的数据传输模块启动测流，采集一系列被测明渠横断面的水深h
x
和扭矩传感器的扭矩值my，经滤波处理后得到明渠水深h和扭矩传感器的扭矩m；最终经计算得到测量出不同水位下明渠流量值。本发明结构简单，便于安装、自动化程度高，功耗低，测流精度高。
附图说明
29.图1是本发明便携扭矩式测流装置的整体结构示意图；
30.图2是本发明便携扭矩式测流装置的上视结构示意图；
31.图3是本发明便携扭矩式测流装置布置于明渠上的立面结构示意图；
32.图4是本发明的电路控制系统框图；
33.图5是本发明测流方法的流程框图。
34.图中：1.滑板；2.皮带轮固定件；3.纵梁；4.流量监测控制器；5.角码；6.可调脚杯；7.步进电机；8.测流刚杆；9.扭矩传感器；10.长水准泡；11.脚杯连接块；12.皮带；13.水平直线滑台；14.竖直直线滑台；15.超声波水位计。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
36.本发明的便携扭矩式测流装置，其结构如图1-3所示，包括由水平直线滑台13和竖直直线滑台14相交构成的xy向运动结构，水平直线滑台13一侧设置有流量监测控制器4和超声波水位计15，竖直直线滑台14上设有沿竖直直线滑台14上下运动的滑板1，滑板1上连接有竖直方向的测流刚杆8、扭矩传感器9、以及水平放置的长水准泡10，测流刚杆8与扭矩传感器9连接并固定，扭矩传感器9与超声波水位计15通过线缆与流量监测控制器4相连接。
37.水平直线滑台13为工字型，由三根铝型材通过角码5连接固定构成；包括中间的水平滑台以及与水平滑台两端相连的纵梁3，每个纵梁3的两端各设置有一个可调脚杯6，四个可调脚杯6均朝向外布置、通过脚杯连接块11固定连接在纵梁3上。
38.长水准泡10有两个、且互相垂直固定于扭矩传感器9支撑梁上部，用于装置的调平。
39.超声波水位计15通过两个m3螺丝固定于水平直线滑台13的侧壁中部；流量监测控制器4通过两个m3螺丝固定于水平直线滑台13的侧壁。
40.水平直线滑台13和竖直直线滑台14的水平或竖直运动采用与步进电机7相连的皮带12，皮带12的一端与步进电机7相连，另一端通过皮带轮固定件2固定在水平直线滑台13或竖直直线滑台14的一端。
41.如图4所示，流量监测控制器4包括：
42.数据传输模块：通过无线或有线传输待测明渠的几何参数和测流控制参数，同时将相关信息发至控制模块；
43.瞬时流量计算模块：计算被测量横断面的平均流量；
44.运算放大模块：与扭矩传感器9电性连接，用于将扭矩传感器9产生的微弱电压进行放大，微控制器对放大后的电压信号进行ad转化后输送至控制模块中；
45.步进电机驱动模块：用于驱动步进电机运动相应的距离，以控制测流刚杆8的位置；
46.控制模块：作为控制中心，分别与数据传输模块、瞬时流量计算模块、运算放大模块以及步进电机驱动模块电性连接；用于控制超声波水位计15测量明渠水位和扭矩传感器
9测量扭矩并采集扭矩值，以及控制测流刚杆8在渠道中的位置，超声波水位计与控制模块相连；
47.上述的便携扭矩式测流装置在自动测流时，如图5所示，采用以下步骤：
48.步骤1、将扭矩传感器、超声波水位计及流量监测控制器与xy向运动结构连接并固定，随后将测流刚杆与扭矩传感器连接固定；将组装好的测流装置固定在待测明渠横断面上(如图3所示)，并将xy向运动结构调平；
49.步骤2、通过流量监测控制器的数据传输模块或远程控制中心启动测流，采集一系列被测明渠横断面的水深h
x
和扭矩传感器的扭矩值my；
50.步骤3、被测明渠横断面的过流流量计算：
51.流量监测控制器将得到的被测明渠横断面的水深h
x
及扭矩传感器的扭矩值my输出给瞬时流量计算模块，瞬时流量计算模块首先采用限幅消抖滤波法对输入的一系列水深h
x
及扭矩传感器的扭矩值my进行滤波，得到滤波后的明渠水深h及扭矩传感器扭矩m，然后根据如下流量计算模型计算被测明渠横断面的过流流量q，如表下1所示：
52.表1
[0053][0054]
其中：cd：刚杆的绕流阻力系数；a
p
：刚杆与流速垂直方向的迎流投影面积；m：扭矩传感器扭矩；l：刚杆的长度；α：力臂修正系数；h：明渠水深；d：被测断面宽度；q：被测断面的过流流量。
[0055]
在上述步骤3中，在计算明渠水深h及扭矩传感器扭矩m时，采用的是限幅消抖滤波法，即多次采样，采将得到的数据存放于数组内，随后采用快速排序算法对数组内元素进行排序，再取数组中间的元素作为滤波后的结果。
[0056]
通过上述测试得到的被测断面的过流流量与采用电磁流量计获得的流量数据进行比对，结果如表2所示：
[0057]
表2数据比对结果
[0058][0059]
由上述数据可以看出，采用本发明的便携扭矩式测流装置以及测流方法测得的结果误差小于4％，测流精度很高。
[0060]
传统的测量装置，测量过程和待机中需要消耗大量电能，本发明通过采用低功耗的流量监测控制器和扭矩传感器，以及由水平直线滑台和竖直直线滑台构成的xy向运动结构的低功耗设计，使整个装置功耗很低，具有非常广阔的商业应用前景。