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专利名称：一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及水利工程及水力学研究模型试验领域，具体是一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统及测量方法。
背景技术：
在水力模型(水工、河工、港工模型)试验研究中，对泡漩水和漩涡流的观测，是研究其水流流态形成机理和治理方法，以及船舶安全航行的一个重要内容。其中，泡漩是波浪翻滚并有漩涡的水流，漩涡是水流遇低洼处所激成的螺旋形水涡，泡漩水或漩涡流是河流主要碍航滩险之一，对船舶安全航行威胁极大，当船舶行驶至泡漩水或漩涡区域时将引起颠簸，造成驾驶困难，对于船队可能会发生碰撞，或造成歪船、严重时使船舶翻倾沉没，水流泡漩或漩涡流直接影响船舶航运安全。
泡漩水与漩涡流形成的必然条件是水流动能与位能之间发生转换，水流之间发生这种能量转换又需要一定的边界条件和水力条件。为了获得这些参数和采取工程措施，水力工程模型试验检测泡漩水或漩涡流的特征一般是指(I)泡漩与漩涡流的涌起高度或漩下深度(即波动量)；(2)泡漩的周期或水面的波动频率；(3)泡漩水与漩涡流出现的区域范围。检测到的以上特征供有关研究与工程设计和工程治理参考。以往在模型上最原始的观测是人工目测观察记录，没有测量泡漩水的专用仪器，更没有针对泡漩水参数测量的专用系统，后来有采用不同类型流速仪的测量方式，但不能反映泡漩的多参数特性。由于泡漩水流变化迅速，没有快速测量的设备同步检测泡漩的波动高度和周期，以及发生的范围与流场强度，给模型试验研究带来难题。

发明内容
本发明提供一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统及测量方法，其通过阻抗式变换器与摄影图像技术相结合，能快速、多点测量泡漩水与大面积漩涡流水流流态，实现测量参数与动态图像的自动同步显示、记录和存储，解决了现有技术不能同时获取泡漩水强度、流速流态产生的区域范围等测量参数的难题。一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统，包括多个泡漩水传感器、与各个漩水传感器对应连接的信号处理电路、A/D转换卡、计算机、多个CCD摄像机、图像采集卡，每一信号处理电路通过A/D转换卡与计算机连接，每一 CXD摄像机通过图像采集卡与计算机连接，所述泡漩水传感器的波高传感元件采用阻抗变换器，测量时放置于水流中一定深度；所述CXD摄像机布置在河道水流上方。如上所述的水力模型泡漩或漩涡流测量系统，所述泡漩水传感器包括依次连接的多谐振荡器、功率放大器、耦合变压器、阻抗变换器，所述信号处理电路包括依次连接的水温/水质补偿平衡电路、差动电路、相敏检波器、光电隔离�？椋渲旭詈媳溲蛊鞯牧礁龃渭度谱榉直鹚�/水质补偿平衡电路和阻抗变换器连接，水温/水质补偿平衡电路和阻抗变换器的输出端分别与差动电路的两个输入端连接。
一种用于上述水力模型泡漩或漩涡流测量系统的测量方法，通过计算机中安装的系统测控软件来实现，包括如下步骤步骤一、将各泡漩水传感器在模型CAD平面布置图上的X/Y坐标输入计算机；步骤二、启动计时器开始绘制水流波动-时间过程曲线计算机从A/D转换卡接收水流波动数字信号，所述水流波动数字信号由A/D转换卡将泡漩水传感器测到的水流波动模拟信号转换而成，接着计算机点绘水流波动-时间过程曲线；步骤三、启动泡漩水流范围分析计算机将CCD摄像机拍摄的流场图像模拟量转换为数字量，然后根据已有泡漩水传感器分布数据和拍摄的流场图像标识泡漩水范围以及漩涡流表面流场范围；步骤四、启动漩涡表面流速分析，具体步骤如下将示踪粒子或碎纸片撒入流体之中；计算机通过C⑶摄像机获取第一个时刻的C⑶图像；计算机通过C⑶摄像机获取下一个 时刻的CCD图像；计算机对以上两个图像进行流动图像数据处理后配对粒子位移；对离散数据拟合出流场矢量数据；根据所述流场矢量数据画出该时刻的流场图。本发明将电子测量技术与摄影技术以及计算机技术有机结合，为水力学物理模型试验研究测量水流泡漩与漩涡流提供了一种新的测量方法与测量系统，并且大大提高试验自动化和工作效率，有利于提升水力学物理模型试验研究水平。


图I是本发明水力模型泡漩或漩涡流测量系统的结构框图；图2是本发明水力模型泡漩或漩涡流测量系统的电路原理框图；图3是使用本发明测得的水流波动-时间过程曲线(即泡漩波高图)；图4-1是模型平面布置及泡漩表面流场范围图；图4-2是模型泡漩表面流场局部放大图；图5是本发明水力模型泡漩或漩涡流测量方法的流程框图。图中1_泡漩水传感器，2-信号处理电路，3-A/D转换卡，4-计算机，5-CCD摄像机，6-图像采集卡，7-稳压电源，11-多谐振荡器，12-功率放大器，13-耦合变压器，14-阻抗变换器，21-差动电路，22-水温/水质补偿平衡电路，23-相敏检波器，24-光电隔离�？�。
具体实施例方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。请参考图1，本发明实施例提供一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统，包括多个泡漩水传感器I、与各个漩水传感器I对应连接的信号处理电路2、A/D转换卡3、计算机4、多个CXD摄像机5、图像采集卡6，每一信号处理电路2通过A/D转换卡3与计算机4连接，每一 CXD摄像机5通过图像采集卡6与计算机4连接。本发明测量系统还可包括与泡漩水传感器I、信号处理电路2及CXD摄像机5连接稳压电源7。泡漩水传感器I和CXD摄像机5的数量可根据测量水流区域需求进行设置，图I中的实施例示出了 16个泡漩水传感器I和8个CXD摄像机5，对应16个泡漩水传感器I设有16个信号处理电路2，A/D转换卡3为PCI总线16通道高分辨率多功能数据采集卡，相应的图像采集卡6为8通道图像采集卡。
请进一步参考图2，所述泡漩水传感器I包括多谐振荡器11、功率放大器12、耦合变压器13、阻抗变换器14，所述信号处理电路2包括差动电路21、水温/水质补偿平衡电路22、相敏检波器23、光电隔离模块24。本发明实施例中所述阻抗变换器14是两根平行的圆形金属杆作为传感器的两个电极。水体在两金属杆之间形成电阻阻抗，其阻抗随泡漩水位升降而变化，这种变化是一种高速的动态水位变化，水体升高则两电极间阻抗减�。逑陆翟蜃杩乖龃�。电极测杆的长度视被测水体的变化幅度而定。所述阻抗变换器14可用两根直径为D、距离为L且相互平行的不锈钢丝固定于绝缘体上，测量时放置于水流中一定深度，当水流波动的变化导致两电极间阻抗值变化，适当选择电极尺寸、电路元件数据，可使水面波动涌水越高，输出的电流就越大；同时选择适当的工作频率，可以改善仪表的线性度；由于水的电导率随水温和水质的变化而改变，测量精度通常受水温、水质的影响，可采用水温/水质补偿平衡电路22 以消除或减小其变化而引起的影响。本实施采用阻抗变换器，相对于电容变换器具有更快的测量反应速度和更好的动态特性。差动信号的讯号源由多谐振荡器11获得一定幅度稳定的矩形波，多谐振荡器11产生一定频率的矩形波交流电，经功率放大器12放大后耦合至耦合变压器13的初级绕组。耦合变压器13的两个次级绕组分别水温/水质补偿平衡电路22和阻抗变换器14连接，阻抗变换器14及水温/水质补偿平衡电路22的输出端分别与差动电路21的两个输入端连接。水温/水质补偿平衡电路22的元器件与参数则根据模型的水温和水质适当调整选取。电路工作电源(即稳压电源7)采用高精度稳压电源�？椋约跣』蛳缤缪共ǘ斐傻母扇藕陀跋欤Ｖは低车缏饭ぷ魑榷�。仪器测量或校验时，将所述阻抗变换器14的电极置入水中，适当调整入水深度可获得合适的电信号灵敏度。当水流波动起伏时，产生的泡漩差动信号经差动电路21转换获取后送至相敏检波器23，相敏检波器23的输出信号由光电隔离电路�？�24送至A/D转换卡3，再送至计算机4处理显示、记录水流波动的时间过程曲线，根据时间过程线(即水流波动-时间过程曲线)分析获得泡漩的强度与频率，并由泡漩水传感器I的位置分布以及CCD摄像机图像获知泡漩水流发生的位置和面积范围。当抛洒跟踪粒子或碎纸片时，还可测量漩涡流的表面流速(即表面流场)。CCD摄像机5可用钢架或铝型材固定，布置在模型河道水流上方，单路有效测量面积可达4mX5m(摄像机悬挂高度7. Om时)。本系统泡高测量范围0-50mm;泡漩/漩涡流图像范围160m2。本发明实施例还提供一种水力模型泡漩或漩涡流测量方法，其应用上述测量系统，通过在计算机4中安装系统测控软件来实现，具体包括如下步骤步骤一、将各泡漩水传感器I在模型CAD平面布置图上的X/Y坐标输入计算机4 ；步骤二、启动计时器开始绘制水流波动-时间过程曲线计算机4从A/D转换卡3接收水流波动数字信号，所述水流波动数字信号由A/D转换卡3将泡漩水传感器I测到的水流波动模拟信号转换而成，接着计算机4点绘水流波动-时间过程曲线(见图3)。水流波动-时间过程曲线可以方便试验人员实时观测分析水流动态特性，以传感器固定入水深度时无波动平顺水流信号为纵坐标基准(h = O)，由水流波动特性可知，纵坐标涌高的波形为泡水、镟下的为镟涡或旋流。步骤三、启动泡漩水流范围分析计算机4将CXD摄像机5拍摄的流场图像模拟量转换为数字量，然后根据已有泡漩水传感器I分布数据和拍摄的流场图像标识泡漩水范围以及漩涡流表面流场范围。 泡漩水传感器I和CXD摄像机5在模型安装的X/Y坐标位置在CAD图中可精确查出，泡漩水范围以及漩涡流表面流场范围以CAD模型平面布置图形式画出(如图4所示，图4-1为一具体工程试验测量图，图4-2为泡漩水和回流区流场测量局部放大图)，便于对试验成果进行处理。试验成果一般以图3、图4形式和数据表格在试验报告中整理给出，数据表格中的泡漩高度、强度、频度、范围等数据根据模型比尺换算成原型值，供航道疏浚、工程治理和有关研究或规划设计参考。步骤四、启动漩涡表面流速分析，具体步骤如下将示踪粒子或碎纸片撒入流体之中；计算机4通过CXD摄像机5获取第一个时刻的CXD图像；计算机4通过CXD摄像机5获取下一个时刻的CCD图像；计算机4对以上两个图像进行流动图像数据处理后配对粒子位移；对离散数据拟合出流场矢量数据；根据所述流场矢量数据画出该时刻的流场图。流动图像数据处理方法是基于粒子示踪法(PIV)进行提取定量的流场信息。测量原理是由测量随流体运动粒子的图像之间的距离ΛΧ、ΛΥ来测量速度。测量时首先将示踪粒子或碎纸片撒入流体之中，这些粒子和纸片跟随流体运动，代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度，拍摄的流场线图像范围即为流态发生的范围，由计算机自动记录和绘制在CAD图上，带箭头的指示线是矢量流场线，其长短代表流速大小、箭头代表方向。两次拍摄的图像分别被跨帧高分率CCD摄像机记录下来，记录的图像被分成许多积分窗口。在两次的时间间隔At内，每一个小区域有位移ΛΧ、ΛΥ，速度就可以用AX/At、AY/At来表示，粒子位移ΛΧ、ΛΥ可以通过两个相应的积分窗口的相关性来计算。程序计算软件采用数字图像相关法，相关函数平面的最高点所在位置表示了某一特定积分窗口中粒子的平均位移ΛΧ、ΛΥ，所有积分窗口的位移矢量最终转换为一幅完整的瞬时速度分布图。系统处理具体过程如程序流程框图(图5)所示，在上述步骤二、三、四分析结束后判断是否继续，如果继续则返回继续进行分析；如果不继续，则再判断是否保存图形和数据，若是则调用指定文件进行图形和数据的保存，若否则结束分析流程。本发明实施例采集的所述水流波动信号经计算机进行数据处理，可以实时显示各传感器的水流波动-时间过程曲线、8幅CCD摄像机表面流场流速及泡漩水图像范围，测量人员可方便地对测量数据进行实时分析。计算机测控软件可实现常系数建立、传感器自检、零点校准、测量数据和流场流态图像处理等测量控制及分析功能。以上所述，仅为本发明的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。权利要求
1.一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统，其特征在于包括多个泡漩水传感器(I)、与各个漩水传感器(I)对应连接的信号处理电路(2)、A/D转换卡(3)、计算机(4)、多个CCD摄像机(5)、图像采集卡￠)，每一信号处理电路(2)通过A/D转换卡(3)与计算机(4)连接，每一 CCD摄像机(5)通过图像采集卡(6)与计算机(4)连接，所述泡漩水传感器(I)的波高传感元件采用阻抗变换器(14)，测量时放置于水流中一定深度；所述CCD摄像机(5)布置在河道水流上方。
2.如权利要求I所述的水力模型泡漩或漩涡流测量系统，其特征在于所述泡漩水传感器(I)包括依次连接的多谐振荡器(11)、功率放大器(12)、耦合变压器(13)、阻抗变换器(14)，所述信号处理电路(2)包括依次连接的水温/水质补偿平衡电路(22)、差动电路(21)、相敏检波器(23)、光电隔离模块(24)，其中耦合变压器(13)的两个次级绕组分别水温/水质补偿平衡电路(22)和阻抗变换器(14)连接，水温/水质补偿平衡电路(22)和阻抗变换器(14)的输出端分别与差动电路(21)的两个输入端连接。
3.一种用于权利要求I所述水力模型泡漩或漩涡流测量系统的测量方法，通过计算机 (4)中安装的系统测控软件来实现，包括如下步骤 步骤一、将各泡漩水传感器(I)在模型CAD平面布置图上的X/Y坐标输入计算机(4)；步骤二、启动计时器开始绘制水流波动-时间过程曲线计算机(4)从A/D转换卡(3)接收水流波动数字信号，所述水流波动数字信号由A/D转换卡(3)将泡漩水传感器(I)测到的水流波动模拟信号转换而成，接着计算机(4)点绘水流波动-时间过程曲线； 步骤三、启动泡漩水流范围分析计算机(4)将CCD摄像机(5)拍摄的流场图像模拟量转换为数字量，然后根据已有泡漩水传感器(I)分布数据和拍摄的流场图像标识泡漩水范围以及漩涡流表面流场范围； 步骤四、启动漩涡表面流速分析，具体步骤如下将示踪粒子或碎纸片撒入流体之中；计算机(4)通过CXD摄像机(5)获取第一个时刻的CXD图像；计算机(4)通过CXD摄像机(5)获取下一个时刻的CCD图像；计算机(4)对以上两个图像进行流动图像数据处理后配对粒子位移；对离散数据拟合出流场矢量数据；根据所述流场矢量数据画出该时刻的流场图。
全文摘要
一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统，包括多个泡漩水传感器、与各个漩水传感器对应连接的信号处理电路、A/D转换卡、计算机、多个CCD摄像机、图像采集卡，每一信号处理电路通过A/D转换卡与计算机连接，每一CCD摄像机通过图像采集卡与计算机连接，所述泡漩水传感器的波高传感元件采用阻抗变换器，测量时放置于水流中一定深度；所述CCD摄像机布置在模型河道水流上方。本发明还提供一种水力模型泡漩或漩涡流测量方法。本发明将电子测量技术与摄影技术以及计算机技术有机结合，为水力学物理模型试验研究测量水流泡漩与漩涡流提供了一种新的测量方法与测量系统，并且大大提高试验自动化程度和工作效率，有利于提升水力学物理模型试验研究水平。
文档编号G01M10/00GK102735421SQ20121019220
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者冯源, 刘同宦, 吴新生, 廖小永, 林木松, 王黎, 范北林, 陈锦 申请人:长江水利委员会长江科学院