專利名稱：一種水力模型泡漩或漩渦流測量系統及測量方法
技術領域：
本發明涉及水利工程及水力學研究模型試驗領域，具體是一種水力模型泡漩或漩渦流測量系統及測量方法。
背景技術：
在水力模型(水工、河工、港工模型)試驗研究中，對泡漩水和漩渦流的觀測，是研究其水流流態形成機理和治理方法，以及船舶安全航行的一個重要內容。其中，泡漩是波浪翻滾并有漩渦的水流，漩渦是水流遇低洼處所激成的螺旋形水渦，泡漩水或漩渦流是河流主要礙航灘險之一，對船舶安全航行威脅極大，當船舶行駛至泡漩水或漩渦區域時將引起顛簸，造成駕駛困難，對于船隊可能會發生碰撞，或造成歪船、嚴重時使船舶翻傾沉沒，水流泡漩或漩渦流直接影響船舶航運安全。
泡漩水與漩渦流形成的必然條件是水流動能與位能之間發生轉換，水流之間發生這種能量轉換又需要一定的邊界條件和水力條件。為了獲得這些參數和采取工程措施，水力工程模型試驗檢測泡漩水或漩渦流的特征一般是指(I)泡漩與漩渦流的涌起高度或漩下深度(即波動量)；(2)泡漩的周期或水面的波動頻率；(3)泡漩水與漩渦流出現的區域范圍。檢測到的以上特征供有關研究與工程設計和工程治理參考。以往在模型上最原始的觀測是人工目測觀察記錄，沒有測量泡漩水的專用儀器，更沒有針對泡漩水參數測量的專用系統，后來有采用不同類型流速儀的測量方式，但不能反映泡漩的多參數特性。由于泡漩水流變化迅速，沒有快速測量的設備同步檢測泡漩的波動高度和周期，以及發生的范圍與流場強度，給模型試驗研究帶來難題。
發明內容
本發明提供一種水力模型泡漩或漩渦流測量系統及測量方法，其通過阻抗式變換器與攝影圖像技術相結合，能快速、多點測量泡漩水與大面積漩渦流水流流態，實現測量參數與動態圖像的自動同步顯示、記錄和存儲，解決了現有技術不能同時獲取泡漩水強度、流速流態產生的區域范圍等測量參數的難題。一種水力模型泡漩或漩渦流測量系統，包括多個泡漩水傳感器、與各個漩水傳感器對應連接的信號處理電路、A/D轉換卡、計算機、多個CCD攝像機、圖像采集卡，每一信號處理電路通過A/D轉換卡與計算機連接，每一 CXD攝像機通過圖像采集卡與計算機連接，所述泡漩水傳感器的波高傳感元件采用阻抗變換器，測量時放置于水流中一定深度；所述CXD攝像機布置在河道水流上方。如上所述的水力模型泡漩或漩渦流測量系統，所述泡漩水傳感器包括依次連接的多諧振蕩器、功率放大器、耦合變壓器、阻抗變換器，所述信號處理電路包括依次連接的水溫/水質補償平衡電路、差動電路、相敏檢波器、光電隔離模塊，其中耦合變壓器的兩個次級繞組分別水溫/水質補償平衡電路和阻抗變換器連接，水溫/水質補償平衡電路和阻抗變換器的輸出端分別與差動電路的兩個輸入端連接。
一種用于上述水力模型泡漩或漩渦流測量系統的測量方法，通過計算機中安裝的系統測控軟件來實現，包括如下步驟步驟一、將各泡漩水傳感器在模型CAD平面布置圖上的X/Y坐標輸入計算機；步驟二、啟動計時器開始繪制水流波動-時間過程曲線計算機從A/D轉換卡接收水流波動數字信號，所述水流波動數字信號由A/D轉換卡將泡漩水傳感器測到的水流波動模擬信號轉換而成，接著計算機點繪水流波動-時間過程曲線；步驟三、啟動泡漩水流范圍分析計算機將CCD攝像機拍攝的流場圖像模擬量轉換為數字量，然后根據已有泡漩水傳感器分布數據和拍攝的流場圖像標識泡漩水范圍以及漩渦流表面流場范圍；步驟四、啟動漩渦表面流速分析，具體步驟如下將示蹤粒子或碎紙片撒入流體之中；計算機通過C⑶攝像機獲取第一個時刻的C⑶圖像；計算機通過C⑶攝像機獲取下一個 時刻的CCD圖像；計算機對以上兩個圖像進行流動圖像數據處理后配對粒子位移；對離散數據擬合出流場矢量數據；根據所述流場矢量數據畫出該時刻的流場圖。本發明將電子測量技術與攝影技術以及計算機技術有機結合，為水力學物理模型試驗研究測量水流泡漩與漩渦流提供了一種新的測量方法與測量系統，并且大大提高試驗自動化和工作效率，有利于提升水力學物理模型試驗研究水平。
圖I是本發明水力模型泡漩或漩渦流測量系統的結構框圖；圖2是本發明水力模型泡漩或漩渦流測量系統的電路原理框圖；圖3是使用本發明測得的水流波動-時間過程曲線(即泡漩波高圖)；圖4-1是模型平面布置及泡漩表面流場范圍圖；圖4-2是模型泡漩表面流場局部放大圖；圖5是本發明水力模型泡漩或漩渦流測量方法的流程框圖。圖中1_泡漩水傳感器，2-信號處理電路，3-A/D轉換卡，4-計算機，5-CCD攝像機，6-圖像采集卡，7-穩壓電源，11-多諧振蕩器，12-功率放大器，13-耦合變壓器，14-阻抗變換器，21-差動電路，22-水溫/水質補償平衡電路，23-相敏檢波器，24-光電隔離模塊。
具體實施例方式
下面將結合本發明中的附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述。請參考圖1，本發明實施例提供一種水力模型泡漩或漩渦流測量系統，包括多個泡漩水傳感器I、與各個漩水傳感器I對應連接的信號處理電路2、A/D轉換卡3、計算機4、多個CXD攝像機5、圖像采集卡6，每一信號處理電路2通過A/D轉換卡3與計算機4連接，每一 CXD攝像機5通過圖像采集卡6與計算機4連接。本發明測量系統還可包括與泡漩水傳感器I、信號處理電路2及CXD攝像機5連接穩壓電源7。泡漩水傳感器I和CXD攝像機5的數量可根據測量水流區域需求進行設置，圖I中的實施例示出了 16個泡漩水傳感器I和8個CXD攝像機5，對應16個泡漩水傳感器I設有16個信號處理電路2，A/D轉換卡3為PCI總線16通道高分辨率多功能數據采集卡，相應的圖像采集卡6為8通道圖像采集卡。
請進一步參考圖2，所述泡漩水傳感器I包括多諧振蕩器11、功率放大器12、耦合變壓器13、阻抗變換器14，所述信號處理電路2包括差動電路21、水溫/水質補償平衡電路22、相敏檢波器23、光電隔離模塊24。本發明實施例中所述阻抗變換器14是兩根平行的圓形金屬桿作為傳感器的兩個電極。水體在兩金屬桿之間形成電阻阻抗，其阻抗隨泡漩水位升降而變化，這種變化是一種高速的動態水位變化，水體升高則兩電極間阻抗減小，水體下降則阻抗增大。電極測桿的長度視被測水體的變化幅度而定。所述阻抗變換器14可用兩根直徑為D、距離為L且相互平行的不銹鋼絲固定于絕緣體上，測量時放置于水流中一定深度，當水流波動的變化導致兩電極間阻抗值變化，適當選擇電極尺寸、電路元件數據，可使水面波動涌水越高，輸出的電流就越大；同時選擇適當的工作頻率，可以改善儀表的線性度；由于水的電導率隨水溫和水質的變化而改變，測量精度通常受水溫、水質的影響，可采用水溫/水質補償平衡電路22 以消除或減小其變化而引起的影響。本實施采用阻抗變換器，相對于電容變換器具有更快的測量反應速度和更好的動態特性。差動信號的訊號源由多諧振蕩器11獲得一定幅度穩定的矩形波，多諧振蕩器11產生一定頻率的矩形波交流電，經功率放大器12放大后耦合至耦合變壓器13的初級繞組。耦合變壓器13的兩個次級繞組分別水溫/水質補償平衡電路22和阻抗變換器14連接，阻抗變換器14及水溫/水質補償平衡電路22的輸出端分別與差動電路21的兩個輸入端連接。水溫/水質補償平衡電路22的元器件與參數則根據模型的水溫和水質適當調整選取。電路工作電源(即穩壓電源7)采用高精度穩壓電源模塊，以減小或消除電網電壓波動造成的干擾和影響，保證系統電路工作穩定。儀器測量或校驗時，將所述阻抗變換器14的電極置入水中，適當調整入水深度可獲得合適的電信號靈敏度。當水流波動起伏時，產生的泡漩差動信號經差動電路21轉換獲取后送至相敏檢波器23，相敏檢波器23的輸出信號由光電隔離電路模塊24送至A/D轉換卡3，再送至計算機4處理顯示、記錄水流波動的時間過程曲線，根據時間過程線(即水流波動-時間過程曲線)分析獲得泡漩的強度與頻率，并由泡漩水傳感器I的位置分布以及CCD攝像機圖像獲知泡漩水流發生的位置和面積范圍。當拋灑跟蹤粒子或碎紙片時，還可測量漩渦流的表面流速(即表面流場)。CCD攝像機5可用鋼架或鋁型材固定，布置在模型河道水流上方，單路有效測量面積可達4mX5m(攝像機懸掛高度7. Om時)。本系統泡高測量范圍0-50mm;泡漩/漩渦流圖像范圍160m2。本發明實施例還提供一種水力模型泡漩或漩渦流測量方法，其應用上述測量系統，通過在計算機4中安裝系統測控軟件來實現，具體包括如下步驟步驟一、將各泡漩水傳感器I在模型CAD平面布置圖上的X/Y坐標輸入計算機4 ；步驟二、啟動計時器開始繪制水流波動-時間過程曲線計算機4從A/D轉換卡3接收水流波動數字信號，所述水流波動數字信號由A/D轉換卡3將泡漩水傳感器I測到的水流波動模擬信號轉換而成，接著計算機4點繪水流波動-時間過程曲線(見圖3)。水流波動-時間過程曲線可以方便試驗人員實時觀測分析水流動態特性，以傳感器固定入水深度時無波動平順水流信號為縱坐標基準(h = O)，由水流波動特性可知，縱坐標涌高的波形為泡水、鏇下的為鏇渦或旋流。步驟三、啟動泡漩水流范圍分析計算機4將CXD攝像機5拍攝的流場圖像模擬量轉換為數字量，然后根據已有泡漩水傳感器I分布數據和拍攝的流場圖像標識泡漩水范圍以及漩渦流表面流場范圍。 泡漩水傳感器I和CXD攝像機5在模型安裝的X/Y坐標位置在CAD圖中可精確查出，泡漩水范圍以及漩渦流表面流場范圍以CAD模型平面布置圖形式畫出(如圖4所示，圖4-1為一具體工程試驗測量圖，圖4-2為泡漩水和回流區流場測量局部放大圖)，便于對試驗成果進行處理。試驗成果一般以圖3、圖4形式和數據表格在試驗報告中整理給出，數據表格中的泡漩高度、強度、頻度、范圍等數據根據模型比尺換算成原型值，供航道疏浚、工程治理和有關研究或規劃設計參考。步驟四、啟動漩渦表面流速分析，具體步驟如下將示蹤粒子或碎紙片撒入流體之中；計算機4通過CXD攝像機5獲取第一個時刻的CXD圖像；計算機4通過CXD攝像機5獲取下一個時刻的CCD圖像；計算機4對以上兩個圖像進行流動圖像數據處理后配對粒子位移；對離散數據擬合出流場矢量數據；根據所述流場矢量數據畫出該時刻的流場圖。流動圖像數據處理方法是基于粒子示蹤法(PIV)進行提取定量的流場信息。測量原理是由測量隨流體運動粒子的圖像之間的距離ΛΧ、ΛΥ來測量速度。測量時首先將示蹤粒子或碎紙片撒入流體之中，這些粒子和紙片跟隨流體運動，代表其所在流場內相應位置處流體的運動速度，拍攝的流場線圖像范圍即為流態發生的范圍，由計算機自動記錄和繪制在CAD圖上，帶箭頭的指示線是矢量流場線，其長短代表流速大小、箭頭代表方向。兩次拍攝的圖像分別被跨幀高分率CCD攝像機記錄下來，記錄的圖像被分成許多積分窗口。在兩次的時間間隔At內，每一個小區域有位移ΛΧ、ΛΥ，速度就可以用AX/At、AY/At來表示，粒子位移ΛΧ、ΛΥ可以通過兩個相應的積分窗口的相關性來計算。程序計算軟件采用數字圖像相關法，相關函數平面的最高點所在位置表示了某一特定積分窗口中粒子的平均位移ΛΧ、ΛΥ，所有積分窗口的位移矢量最終轉換為一幅完整的瞬時速度分布圖。系統處理具體過程如程序流程框圖(圖5)所示，在上述步驟二、三、四分析結束后判斷是否繼續，如果繼續則返回繼續進行分析；如果不繼續，則再判斷是否保存圖形和數據，若是則調用指定文件進行圖形和數據的保存，若否則結束分析流程。本發明實施例采集的所述水流波動信號經計算機進行數據處理，可以實時顯示各傳感器的水流波動-時間過程曲線、8幅CCD攝像機表面流場流速及泡漩水圖像范圍，測量人員可方便地對測量數據進行實時分析。計算機測控軟件可實現常系數建立、傳感器自檢、零點校準、測量數據和流場流態圖像處理等測量控制及分析功能。以上所述，僅為本發明的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。權利要求
1.一種水力模型泡漩或漩渦流測量系統，其特征在于包括多個泡漩水傳感器(I)、與各個漩水傳感器(I)對應連接的信號處理電路(2)、A/D轉換卡(3)、計算機(4)、多個CCD攝像機(5)、圖像采集卡￠)，每一信號處理電路(2)通過A/D轉換卡(3)與計算機(4)連接，每一 CCD攝像機(5)通過圖像采集卡(6)與計算機(4)連接，所述泡漩水傳感器(I)的波高傳感元件采用阻抗變換器(14)，測量時放置于水流中一定深度；所述CCD攝像機(5)布置在河道水流上方。
2.如權利要求I所述的水力模型泡漩或漩渦流測量系統，其特征在于所述泡漩水傳感器(I)包括依次連接的多諧振蕩器(11)、功率放大器(12)、耦合變壓器(13)、阻抗變換器(14)，所述信號處理電路(2)包括依次連接的水溫/水質補償平衡電路(22)、差動電路(21)、相敏檢波器(23)、光電隔離模塊(24)，其中耦合變壓器(13)的兩個次級繞組分別水溫/水質補償平衡電路(22)和阻抗變換器(14)連接，水溫/水質補償平衡電路(22)和阻抗變換器(14)的輸出端分別與差動電路(21)的兩個輸入端連接。
3.一種用于權利要求I所述水力模型泡漩或漩渦流測量系統的測量方法，通過計算機 (4)中安裝的系統測控軟件來實現，包括如下步驟 步驟一、將各泡漩水傳感器(I)在模型CAD平面布置圖上的X/Y坐標輸入計算機(4)；步驟二、啟動計時器開始繪制水流波動-時間過程曲線計算機(4)從A/D轉換卡(3)接收水流波動數字信號，所述水流波動數字信號由A/D轉換卡(3)將泡漩水傳感器(I)測到的水流波動模擬信號轉換而成，接著計算機(4)點繪水流波動-時間過程曲線； 步驟三、啟動泡漩水流范圍分析計算機(4)將CCD攝像機(5)拍攝的流場圖像模擬量轉換為數字量，然后根據已有泡漩水傳感器(I)分布數據和拍攝的流場圖像標識泡漩水范圍以及漩渦流表面流場范圍； 步驟四、啟動漩渦表面流速分析，具體步驟如下將示蹤粒子或碎紙片撒入流體之中；計算機(4)通過CXD攝像機(5)獲取第一個時刻的CXD圖像；計算機(4)通過CXD攝像機(5)獲取下一個時刻的CCD圖像；計算機(4)對以上兩個圖像進行流動圖像數據處理后配對粒子位移；對離散數據擬合出流場矢量數據；根據所述流場矢量數據畫出該時刻的流場圖。
全文摘要
一種水力模型泡漩或漩渦流測量系統，包括多個泡漩水傳感器、與各個漩水傳感器對應連接的信號處理電路、A/D轉換卡、計算機、多個CCD攝像機、圖像采集卡，每一信號處理電路通過A/D轉換卡與計算機連接，每一CCD攝像機通過圖像采集卡與計算機連接，所述泡漩水傳感器的波高傳感元件采用阻抗變換器，測量時放置于水流中一定深度；所述CCD攝像機布置在模型河道水流上方。本發明還提供一種水力模型泡漩或漩渦流測量方法。本發明將電子測量技術與攝影技術以及計算機技術有機結合，為水力學物理模型試驗研究測量水流泡漩與漩渦流提供了一種新的測量方法與測量系統，并且大大提高試驗自動化程度和工作效率，有利于提升水力學物理模型試驗研究水平。
文檔編號G01M10/00GK102735421SQ20121019220
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月12日 優先權日2012年6月12日
發明者馮源, 劉同宦, 吳新生, 廖小永, 林木松, 王黎, 范北林, 陳錦 申請人:長江水利委員會長江科學院