一種流量測(cè)量方法與流程

本發(fā)明屬于泥漿、水等液體流量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種流量測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的對(duì)渠道表面流速進(jìn)行測(cè)量的便攜式測(cè)量?jī)x，根據(jù)雷達(dá)模塊所發(fā)射的雷達(dá)波以及波浪反射回來的雷達(dá)波即可計(jì)算出表面流速，能夠以非接觸方式測(cè)量表面流速，不受液面條件的影響，即使在高速水流、污水、漂浮物甚至泥石流、泥漿的情況下均可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。

但是，上述現(xiàn)有技術(shù)每次只能測(cè)量單個(gè)表面流速，流速數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)后續(xù)分析，不能立即現(xiàn)場(chǎng)得出結(jié)果，不具備將多個(gè)表面流速綜合計(jì)算出斷面流量等數(shù)據(jù)信息的功能，為了滿足用戶的使用需求，本發(fā)明提出了一種流量測(cè)量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)或不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種操作方便、測(cè)量周期短、測(cè)量精度高、不受液體成分限制的流量測(cè)量方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明具有如下構(gòu)成：

一種流量測(cè)量方法，將測(cè)量斷面劃分為n個(gè)測(cè)量區(qū)域，獲取每個(gè)測(cè)量區(qū)域的斷面面積sn，獲取測(cè)速垂線上的平均流速vpn，獲取測(cè)量斷面的邊坡系數(shù)m，基于所述斷面面積sn、所述測(cè)速垂線上的平均流速vpn以及邊坡系數(shù)m獲取所述測(cè)量斷面的平均流速q。

獲取所述測(cè)量斷面的表面平均流速v水，基于所述表面平均流速v水獲取測(cè)速垂線上的平均流速vpn。

由所述表面平均流速v水獲取所述測(cè)速垂線上的平均流速vpn的計(jì)算公式為，

其中，b為測(cè)量斷面的底部寬度，h為測(cè)量斷面的水深。

獲取所述測(cè)量斷面的表面流速v，基于所述表面流速v獲取表面平均流速v水。

獲取雷達(dá)波的入射角θ，獲取從空中向液體表面發(fā)射的雷達(dá)波f與反射回去的雷達(dá)波f′之間的多普勒頻差fd，基于所述入射角θ以及多普勒頻差fd獲取測(cè)量斷面的表面流速v。

基于所述入射角θ以及多普勒頻差fd獲取測(cè)量斷面的表面流速v的計(jì)算公式為：

其中，多普勒頻差fd＝|f-f′|，c為雷達(dá)波在空氣中的傳播速度。

獲取相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的寬度wn以及水深h，基于所述寬度wn以及水深h獲取每個(gè)測(cè)量區(qū)域的斷面面積sn。

所述斷面面積sn采用積分面積計(jì)算法獲取。

所述測(cè)量斷面的平均流速q滿足如下公式：

q＝m*s1*vp1+s2*(vp2+vp1)/2+s3*(vp2+vp3)/2+……+s(n-1)*(vp(n-2)+vp(n-1))/2+m*sn*vpn。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明采用非接觸式測(cè)量系統(tǒng)對(duì)斷面流量進(jìn)行測(cè)量，操作方便、測(cè)量周期短、測(cè)量精度高、不受液體成分限制，應(yīng)用前景廣闊，可以根據(jù)測(cè)量斷面的表面流速最終輸出測(cè)量斷面的實(shí)時(shí)斷面流量。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本申請(qǐng)的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1：本發(fā)明中梯形渠道斷面的流量測(cè)量示意圖；

圖2：本發(fā)明中手持式表面流速儀的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

本發(fā)明流量的測(cè)量方法，首先通過從空中向液面發(fā)射35ghz頻率的雷達(dá)波f，渠道液體表面將雷達(dá)波反射回雷達(dá)接收天線，因?yàn)榍乐械囊后w有流速，因此反射回去的雷達(dá)波f′與發(fā)射的雷達(dá)波f之間存在一個(gè)多普勒頻差fd：

fd＝|f-f′|，

獲取雷達(dá)波的入射角θ，基于所述入射角θ以及所述多普勒頻差fd獲取測(cè)量斷面的表面流速v，

通過所述測(cè)量斷面的表面流速v獲取表面平均流速v水。手持式表面流速儀(見下文描述)對(duì)某個(gè)區(qū)域的水面進(jìn)行60秒或90秒的連續(xù)測(cè)量，然后得到此處水面的表面平均流速v水，如將單位時(shí)間內(nèi)測(cè)量的表面流速v，去掉最大值和最小值，然后取中間值的平均值，即可得到所述表面平均流速v水。

通過所述測(cè)量斷面的表面平均流速v水獲取測(cè)速垂線上的平均流速vpn。首先根據(jù)待測(cè)斷面的形狀信息，底部及邊坡材質(zhì)，渠道坡度等信息，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法建立三維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析不同待測(cè)渠道的底部寬度b、邊坡系數(shù)m、水深h、糙率和坡度條件下斷面的流速分布特征，并據(jù)此探索表面特征點(diǎn)流速與平均流速的關(guān)系。根據(jù)不同影響因素的組合確定計(jì)算工況，并運(yùn)用量綱分析與曲線擬合相關(guān)性分析等理論研究表面平均流速v水與平均流速vpn的關(guān)系，得出給定斷面不同形狀、尺寸以及糙率條件下，

其中，b為測(cè)量斷面的底部寬度，h為測(cè)量斷面的水深。

獲取相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的寬度wn以及水深h，基于所述寬度wn以及水深h可獲取每個(gè)測(cè)量區(qū)域的斷面面積sn，常見的渠道斷面如矩形斷面、梯形斷面、u型或三角形斷面等規(guī)則形狀，當(dāng)所述渠道斷面為不規(guī)則形狀時(shí)，所述斷面面積sn可采用積分面積計(jì)算法獲取，下文所述的非接觸式測(cè)量系統(tǒng)支持特殊形狀描點(diǎn)輸入。

如圖1所示，將測(cè)量斷面劃分為n個(gè)測(cè)量區(qū)域，通過上述測(cè)量方法獲取每個(gè)測(cè)量區(qū)域的斷面面積sn，并獲取測(cè)速垂線上的平均流速vpn，獲取測(cè)量斷面的邊坡系數(shù)m，基于所述斷面面積sn、所述測(cè)速垂線上的平均流速vpn以及邊坡系數(shù)m獲取所述測(cè)量斷面的平均流速q。

所述測(cè)量斷面的邊坡系數(shù)m的取值是根據(jù)邊坡的材質(zhì)決定的，例如，土渠的邊坡系數(shù)m為0.65-0.7，石頭渠道的邊坡系數(shù)m為0.8，光滑渠道的邊坡系數(shù)m為0.9。

所述測(cè)量斷面的平均流速q滿足如下公式：

q＝m*s1*vp1+s2*(vp2+vp1)/2+s3*(vp2+vp3)/2+……+s(n-1)*(vp(n-2)+vp(n-1))/2+m*sn*vpn。

如圖1所示，當(dāng)所述測(cè)量區(qū)域的劃分個(gè)數(shù)為7且截面為梯形結(jié)構(gòu)時(shí)，所述測(cè)量斷面的平均流速q滿足如下公式：

q＝m*s1*vp1+s2*(vp2+vp1)/2+s3*(vp2+vp3)/2+……+s6*(vp5+vp6)/2+m*s7*vp7。

所述測(cè)量區(qū)域的劃分個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際渠道的截面類型，進(jìn)行合理劃分。

本申請(qǐng)一種流量測(cè)量方法的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示，非接觸式流量測(cè)量系統(tǒng)包括手持式表面流速儀以及手機(jī)或平板電腦組成，所述手持式表面流速儀與手機(jī)或平板電腦通過wifi、藍(lán)牙等方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

手持式表面流速儀包括雷達(dá)模塊、mcu模塊、顯示模塊以及電池手柄模塊。

所述雷達(dá)模塊，用于向渠道液面發(fā)送雷達(dá)波f，并接收來自所述渠道液面反射回來的雷達(dá)波f′，根據(jù)所述雷達(dá)波f以及所述雷達(dá)波f′以產(chǎn)生一多普勒頻差fd，其中fd＝|f-f′|。

所述雷達(dá)模塊包括天線、收發(fā)機(jī)和信號(hào)放大板，其中，所述天線和所述收發(fā)機(jī)用于發(fā)送發(fā)射的雷達(dá)波f并接受經(jīng)液面反射回來的雷達(dá)波f′，從而產(chǎn)生多普勒頻差fd，所述信號(hào)放大板接收所述頻差并進(jìn)行放大和濾波，從而輸出所述多普勒頻差信號(hào)。

所述mcu模塊，與所述雷達(dá)模塊相連接，所述mcu模塊用于獲取發(fā)射的雷達(dá)波與入射液面的雷達(dá)入射角θ，并結(jié)合所接收的所述多普勒頻差fd，輸出一表面流速v，且所述表面流速v滿足，

其中，c為雷達(dá)波在空氣中的傳播速度。

所述mcu模塊包括信號(hào)處理單元和通信單元，所述信號(hào)處理單元對(duì)所述多普勒頻差信號(hào)進(jìn)行放大和采用，并計(jì)算得到所述表面流速v和表面平均流速v水，經(jīng)表面平均流速v水計(jì)算測(cè)速垂線上的平均速度vpn，并計(jì)算流體的斷面流量q，

q＝m*s1*vp1+s2*(vp2+vp1)/2+s3*(vp2+vp3)/2+……+s(n-1)*(vp(n-2)+vp(n-1))/2+m*sn*vpn；

所述通信單元通過光耦、串行接口或并行接口與所述雷達(dá)模塊以及所述顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制，所述通信單元優(yōu)選為wifi、藍(lán)牙等無(wú)線通訊方式。

所述顯示模塊，與所述mcu模塊相連接，用于顯示所述表面流速v、表面平均流速v水、測(cè)速垂線上的平均流速vpn以及測(cè)量得到的斷面流量q等。

所述顯示模塊包括按鍵、顯示屏和驅(qū)動(dòng)板，用戶通過所述按鍵進(jìn)行開關(guān)操作和/或參數(shù)設(shè)置，所述參數(shù)包括渠道類型、渠道寬度b、水深h、邊坡系數(shù)等；所述驅(qū)動(dòng)板包括中文字庫(kù)，用于將所述表面流速轉(zhuǎn)化為中文字符或數(shù)字，并且對(duì)所述顯示屏進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；所述顯示屏用于顯示所述中文字符或數(shù)字，如表面流速v、表面平均流速v水、測(cè)速垂線上的平均流速vpn以及測(cè)量得到的斷面流量q等。

所述電池手柄模塊與所述雷達(dá)模塊、所述mcu模塊以及所述顯示模塊電性耦接，以提供上述各模塊的工作電壓；所述電池手柄模塊具有可充電鋰電池組和充放電管理板，所述充放電管路板用于控制所述可充電鋰電池組的充電和放電操作。

在本實(shí)施例中，安裝在手機(jī)或平板電腦上的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序(app)包括：手持式表面流速儀的參數(shù)設(shè)置、流速參數(shù)曲線顯示、斷面參數(shù)輸入、流量計(jì)算、斷面及流量情況；在手機(jī)或平板電腦上的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序(app)內(nèi)輸入斷面參數(shù)，例如渠道類型(梯形、矩形、u型或三角形等)，渠道底部寬度b，渠高h(yuǎn)、相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的間隔wn等。

具體工作流程如下所示：首先手持式表面測(cè)速儀測(cè)量渠道內(nèi)水深h以及進(jìn)行60秒或90秒連續(xù)測(cè)量各個(gè)垂線的表面流速v，然后獲得此處水面的表面平均流速v水；然后手機(jī)或平板電腦等移動(dòng)終端根據(jù)手持式表面測(cè)速儀測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算斷面流量q；最后手機(jī)或平板電腦等移動(dòng)終端將所述斷面流量q上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器。

所述非接觸式流量測(cè)量系統(tǒng)以非接觸方式對(duì)流體斷面的流量進(jìn)行測(cè)量，不受液面條件的影響，在高速水流、渾水、漂浮物甚至泥石流、泥漿的情況下均能進(jìn)行測(cè)量。

本發(fā)明流量測(cè)量方法操作便捷、測(cè)量周期短、測(cè)量精度高、不受液體成分限制，應(yīng)用場(chǎng)景廣闊。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限定，僅僅參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。