一种水力模型泡漩或漩涡流测量系统技术方案

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。本实用新型专利技术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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及水利工程及水力学研究模型试验领域，具体是ー种水力模型泡漩或漩涡流測量系统。
技术介绍
在水力模型(水エ、河エ、港エ模型)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ー个重要内容。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。为了获得这些參数和采取工程措施，水カエ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參考。以往在模型上最原始的观测是人工目测观察记录，没有測量泡漩水的专用仪器，更没有针对泡漩水參数测量的专用系统，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參数特性。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。
技术实现思路
本技术提供ー种水力模型泡漩或漩涡流测量系统，其通过阻抗式变换器与摄影图像技术相结合，能快速、多点測量泡漩水与大面积漩涡流水流流态，实现测量參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參数的难题。ー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，每ー信号处理电路通过A/D转换卡与计算机连接，每ー 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、光电隔离模块，其中耦合变压器的两个次级绕组分别水温/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。本技术将电子測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測量水流泡漩与漩涡流提供了一种新的測量系统，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。附图说明图I是本技术水力模型泡漩或漩涡流测量系统的结构框图；图2是本技术水力模型泡漩或漩涡流测量系统的电路原理框图；图3是使用本技术测得的水流波动-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是利用本技术进行水力模型泡漩或漩涡流测量的流程框图。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-C⑶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-光电隔离模块。具体实施方式下面将结合本技术中的附图，对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述。请參考图1，本技术实施例提供ー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，每ー CXD摄像机5通过图像采集卡6与计算机4连接。本技术測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CCD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。请进一歩參考图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。本技术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，这种变化是ー种高速的动态水位变化，水体升高则两电极间阻抗减小，水体下降则阻抗増大。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，測量精度通常受水温、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測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的元器件与參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模块，以减小或消除电网电压波动造成的干扰和影响，保证系统电路工作稳定。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模块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吋，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吋)。本系统泡高测量范围0-50mm;泡漩/漩涡流图像范围160m2。利用本技术可进行水力模型泡漩或漩涡流的測量，其通过在计算机4中安装系统测控软件来实现，具体包括如下步骤步骤一、将各泡漩本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(1)、与各个漩水传感器(1)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(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(1)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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴新生，廖小永，范北林，林木松，冯源，刘同宦，陈锦，王黎，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：实用新型
国别省市：