一種高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，包括信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制面板，信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)包含測(cè)量支撐桿、流速檢測(cè)模塊、超聲波含沙量監(jiān)測(cè)模塊、深度傳感器、水溫傳感器，所述測(cè)量支撐桿通過(guò)線纜固定在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤與支架橫桿的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，支架橫桿的另一端與電機(jī)連接，所述電機(jī)安裝在支撐架上；所述控制系統(tǒng)包含分別與電源模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊及單片機(jī)控制模塊。本發(fā)明采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將水溫、測(cè)點(diǎn)深度、流速等環(huán)境影響因素綜合考慮，綜合性強(qiáng)，檢測(cè)結(jié)果更加可靠、穩(wěn)定，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，且能夠?qū)崿F(xiàn)在線自動(dòng)檢測(cè)異重流，通過(guò)控制面板能夠更加直觀、實(shí)時(shí)地監(jiān)控和管理整個(gè)檢測(cè)過(guò)程，具有很高的社會(huì)價(jià)值和市場(chǎng)推廣價(jià)值。
【專利說(shuō)明】一種高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高含沙渾水檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)是一個(gè)洪澇災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家，修建水庫(kù)是人類減少洪澇災(zāi)害的一項(xiàng)重要工程措施。但在河流特別是多沙河流上修建水庫(kù)，由于大壩的擋水作用，水流流速降低，上游來(lái)沙在庫(kù)區(qū)的淤積速率增加，造成有效的庫(kù)容減少，水庫(kù)壽命縮短。在水庫(kù)中挾有大量細(xì)泥沙的洪水進(jìn)入水庫(kù)壅水區(qū)后，渾水中的粗泥沙不能繼續(xù)為水流所挾帶，淤積在水庫(kù)的進(jìn)口部位，含有細(xì)顆粒泥沙的高含沙渾水，則與庫(kù)內(nèi)清水形成一定的密度差，由此產(chǎn)生壓力的差另O，開始潛入水庫(kù)底部，形成庫(kù)區(qū)高含沙渾水異重流。潛入點(diǎn)標(biāo)志著異重流已經(jīng)開始形成。在某些情況下，異重流會(huì)帶來(lái)很大危害。但如果合理利用異重流特性，在水庫(kù)減淤，給水排水工程設(shè)計(jì)與運(yùn)用等方面可獲得很大效益。在高含沙河流上修建蓄水水庫(kù)和水電站時(shí)，設(shè)置底孔，合理運(yùn)用在庫(kù)底運(yùn)動(dòng)的高含沙渾水異重流可把泥沙排走，減少水庫(kù)淤積，是水庫(kù)減淤的主要措施。
[0003]異重流是兩種密度不同的流體因密度差異而產(chǎn)生的相對(duì)流動(dòng)，又稱密度流。水利工程中常見(jiàn)的異重流現(xiàn)象有:湖泊、水庫(kù)及河流、渠道中的渾水異重流；河口段的鹽水楔異重流；火電廠取、排水口附近的溫差異重流等。
[0004]在實(shí)際的水庫(kù)排水排沙管理中，為了掌握“蓄清排渾”的最佳時(shí)機(jī)，有效減少水庫(kù)的泥沙淤積，需要對(duì)異重流發(fā)生、增長(zhǎng)、穩(wěn)定、消退的全過(guò)程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。在異重流測(cè)量工作中，以前主要靠估計(jì)采樣水深，多次試探取樣，人工判斷渾水層深度和厚度。該方法測(cè)量精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，容易延誤“蓄清排渾”的最佳時(shí)機(jī)。目前有根據(jù)光電傳感器原理和泥沙顆粒的阻光效應(yīng)采取的光電式清渾水界面探測(cè)器，在小浪底水庫(kù)異重流測(cè)量中，取得了良好的應(yīng)用效果。但由于光電傳感器測(cè)量含沙量量程小，此設(shè)備只能測(cè)出清渾水含沙量臨界值，不能連續(xù)測(cè)量高含沙量及其垂直分布情況。因此，為了更好地跟蹤監(jiān)測(cè)異重流變化過(guò)程，有必要實(shí)現(xiàn)異重流的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，為黃河流域庫(kù)區(qū)的排水排沙起到監(jiān)督與管理服務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題和不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、安裝靈活、能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，包括信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制面板，各系統(tǒng)順序相連，信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)包含測(cè)量支撐桿及由下至上依次安裝在測(cè)量支撐桿上的流速檢測(cè)模塊，超聲波含沙量監(jiān)測(cè)模塊，深度傳感器，水溫傳感器，所述測(cè)量支撐桿的上部通過(guò)線纜固定在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤與支架橫桿的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，支架橫桿的另一端與電機(jī)連接，所述電機(jī)安裝在支撐架上；所述控制系統(tǒng)包含電源模塊，及分別與電源模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊及單片機(jī)控制模塊。[0007]根據(jù)上述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理模塊包含信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述信號(hào)調(diào)理模塊與信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)相連接，采集流速檢測(cè)模塊、超聲波含沙量檢測(cè)模塊、深度傳感器、水溫傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，信號(hào)調(diào)理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連接，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)控制模塊相連接。
[0008]根據(jù)上述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，所述信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)還包含固定在測(cè)量支撐桿上的多通道信號(hào)處理系統(tǒng)，流速檢測(cè)模塊，超聲波含沙量檢測(cè)模塊，深度傳感器，水溫傳感器分別通過(guò)多通道信號(hào)處理系統(tǒng)與信號(hào)調(diào)理模塊連接。
[0009]根據(jù)上述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，所述超聲波含沙量檢測(cè)模塊包含對(duì)稱固定安裝在測(cè)量支撐桿上的四波束超聲波傳感器。
[0010]根據(jù)上述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，所述深度傳感器為中間帶有通氣導(dǎo)管和電纜的紡錘形結(jié)構(gòu)。
[0011]優(yōu)選的，所述深度傳感器包含正壓腔、負(fù)壓腔、上部封頭、壓力感應(yīng)膜片、外腔壁及設(shè)置在外腔壁上的反沖洗裝置。
[0012]根據(jù)上述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，所述流速檢測(cè)模塊包含流速儀，安裝在流速儀前端的帶扇葉的葉輪，與流速儀后端固定連接的編碼器，放置編碼器的防水密封倉(cāng)，及與防水密封倉(cāng)相連接的導(dǎo)流尾翼；所述編碼器通過(guò)防水的帶軸與葉輪活動(dòng)連接。
[0013]根據(jù)上述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，所述單片機(jī)控制模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接。
[0014]根據(jù)上述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，所述控制面板為觸摸屏控制面板，包含數(shù)據(jù)顯示模塊，報(bào)警提示模塊及觸屏控制模塊，所述觸屏控制模塊控制電機(jī)拖動(dòng)集成在測(cè)量支撐桿上的傳感器，實(shí)現(xiàn)在庫(kù)區(qū)不同深度的異重流數(shù)據(jù)檢測(cè)。
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明將流速檢測(cè)模塊、超聲波含沙量檢測(cè)模塊、深度傳感器、水溫傳感器集成在一起，實(shí)現(xiàn)同一垂線上不同深度的流速、含沙量、測(cè)點(diǎn)深度和水溫的同時(shí)測(cè)量，檢測(cè)效率高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且超聲波含沙量檢測(cè)模塊包含對(duì)稱固定安裝在測(cè)量支撐桿上的四波束超聲波傳感器，對(duì)稱性設(shè)計(jì)，形成鉗形結(jié)構(gòu)，放置于被測(cè)含沙的水體中，得到數(shù)據(jù)矩陣，通過(guò)分析即可得到水體中懸浮含沙量的準(zhǔn)確濃度，并能有效消除干擾，防止因水草等雜物纏繞而帶來(lái)的儀器不能工作的影響，在較惡劣的環(huán)境中也能工作，若其中之一被纏繞或阻擋，其他幾個(gè)還可以正常工作，且深度傳感器外腔壁上的反沖洗裝置可以定期進(jìn)行清洗，保證正常工作的進(jìn)行。
[0016]2.本發(fā)明中的深度傳感器采用正壓腔和負(fù)壓腔的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)精巧，外腔壁的殼體采用經(jīng)過(guò)硫化處理的橡膠材料制成，采用特種氟膠電纜進(jìn)行電氣連接，針對(duì)強(qiáng)蝕性的高含沙液體，既保證了傳感器的水密封性、耐腐蝕性，又使得參考?jí)毫η缓铜h(huán)境壓力相通，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的高精度和高穩(wěn)定性，調(diào)校簡(jiǎn)單、安裝靈活。
[0017]3.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將水溫、測(cè)點(diǎn)深度、流速等環(huán)境影響因素綜合考慮，綜合性強(qiáng)，檢測(cè)結(jié)果更加可靠、穩(wěn)定，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，且能夠?qū)崿F(xiàn)在線自動(dòng)檢測(cè)異重流，通過(guò)控制面板能夠更加直觀、實(shí)時(shí)地監(jiān)控和管理整個(gè)檢測(cè)過(guò)程，具有很高的社會(huì)價(jià)值和市場(chǎng)推廣價(jià)值?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖；
圖3是本發(fā)明的深度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明的超聲波含沙量檢測(cè)模塊電路圖；
圖5是本發(fā)明的單片機(jī)控制系統(tǒng)電路圖；
圖6是本發(fā)明的電源模塊電路圖；
圖7是本發(fā)明的信號(hào)調(diào)理模塊電路圖；
圖8是本發(fā)明的A/D轉(zhuǎn)換模塊電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]圖中，標(biāo)號(hào)I為葉輪，2為防水密封倉(cāng)，3為導(dǎo)流尾翼，4為深度傳感器，41為通氣導(dǎo)管，42為負(fù)壓腔，43為外腔壁，44為正壓腔，45為電纜，46為上部封頭，47為壓力感應(yīng)膜片，5為超聲波含沙量檢測(cè)模塊，6為水溫傳感器，7為測(cè)量支撐桿，8為多通道信號(hào)處理系統(tǒng)，9為水平面，標(biāo)號(hào)10代表轉(zhuǎn)盤，11為支架橫桿，12為GPRS天線，13為控制系統(tǒng)，14為支撐架，15為電機(jī),16為上位機(jī),17為測(cè)試船。
[0020]實(shí)施例一:參見(jiàn)圖1?8所示，一種高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，包括信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制面板，各系統(tǒng)順序相連，信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)包含測(cè)量支撐桿及由下至上依次安裝在測(cè)量支撐桿上的流速檢測(cè)模塊，超聲波含沙量監(jiān)測(cè)模塊，深度傳感器，水溫傳感器，所述測(cè)量支撐桿的上部通過(guò)線纜固定在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤與支架橫桿的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，支架橫桿的另一端與電機(jī)連接，所述電機(jī)安裝在支撐架上；所述控制系統(tǒng)包含電源模塊，及分別與電源模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊及單片機(jī)控制模塊。數(shù)據(jù)處理模塊包含信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述信號(hào)調(diào)理模塊與信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)相連接，采集流速檢測(cè)模塊、超聲波含沙量檢測(cè)模塊、深度傳感器、水溫傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，信號(hào)調(diào)理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連接，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)控制模塊相連接。所述信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)還包含固定在測(cè)量支撐桿上的多通道信號(hào)處理系統(tǒng)，流速檢測(cè)模塊，超聲波含沙量檢測(cè)模塊，深度傳感器，水溫傳感器分別通過(guò)多通道信號(hào)處理系統(tǒng)與信號(hào)調(diào)理模塊連接。將采集到的信號(hào)先輸入到信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大處理，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)控制模塊連接，單片機(jī)處理之后再通過(guò)GPRS天線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程中心，同時(shí)在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。所述超聲波含沙量檢測(cè)模塊包含對(duì)稱固定安裝在測(cè)量支撐桿上的四波束超聲波傳感器。超聲波傳感器電路的發(fā)射端外接1000V高壓電源，電路由C8、R4、QU P4組成，其中Ql是可控硅，P4是超聲波發(fā)射器，通過(guò)單片機(jī)的P2.7 口控制Ql打開發(fā)射電路，從而使發(fā)射頭發(fā)射超聲波；發(fā)射端電路由P5、R5、R6、R7、C9、C10、U1A組成，P5是超聲波接收器，將接收到的信號(hào)經(jīng)UlA放大后輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊的INl通道處理。四波束超聲波傳感器的發(fā)射器啟動(dòng)，將超聲波檢測(cè)含沙量信息和環(huán)境溫度T以及含沙水體的流速V進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合處理，獲取含沙量信息。
[0021]所述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，其高含沙渾水異重流檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型為:將獲得的當(dāng)前時(shí)刻t的深度ht的含沙量S(ht)和上一時(shí)刻t-1的深度Iv1的含沙量SOv1)進(jìn)行差值運(yùn)算，綜合判斷高含沙渾水異重流是否產(chǎn)生。其數(shù)學(xué)模型為:
【權(quán)利要求】
1.一種高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，包括信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制面板，各系統(tǒng)順序相連，其特征在于:信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)包含測(cè)量支撐桿及由下至上依次安裝在測(cè)量支撐桿上的流速檢測(cè)模塊，超聲波含沙量監(jiān)測(cè)模塊，深度傳感器，水溫傳感器，所述測(cè)量支撐桿的上部通過(guò)線纜固定在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤與支架橫桿的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，支架橫桿的另一端與電機(jī)連接，所述電機(jī)安裝在支撐架上；所述控制系統(tǒng)包含電源模塊，及分別與電源模塊連接的數(shù)據(jù)處理模塊及單片機(jī)控制模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:數(shù)據(jù)處理模塊包含信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述信號(hào)調(diào)理模塊與信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)相連接，采集流速檢測(cè)模塊、超聲波含沙量檢測(cè)模塊、深度傳感器、水溫傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，信號(hào)調(diào)理模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連接，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)控制模塊相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是:所述信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)還包含固定在測(cè)量支撐桿上的多通道信號(hào)處理系統(tǒng)，流速檢測(cè)模塊，超聲波含沙量檢測(cè)模塊，深度傳感器，水溫傳感器分別通過(guò)多通道信號(hào)處理系統(tǒng)與信號(hào)調(diào)理模塊連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述超聲波含沙量檢測(cè)模塊包含對(duì)稱固定安裝在測(cè)量支撐桿上的四波束超聲波傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述深度傳感器為中間帶有通氣導(dǎo)管和電纜的紡錘形結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述深度傳感器包含正壓腔、負(fù)壓腔、上部封頭、壓力感應(yīng)膜片、外腔壁及設(shè)置在外腔壁上的反沖洗裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述流速檢測(cè)模塊包含流速儀，安裝在流速儀前端的帶扇葉的葉輪，與流速儀后端固定連接的編碼器，放置編碼器的防水密封倉(cāng)，及與防水密封倉(cāng)相連接的導(dǎo)流尾翼；所述編碼器通過(guò)防水的帶軸與葉輪活動(dòng)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述單片機(jī)控制模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高含沙渾水異重流檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述控制面板為觸摸屏控制面板，包含數(shù)據(jù)顯示模塊，報(bào)警提示模塊及觸屏控制模塊，所述觸屏控制模塊控制電機(jī)拖動(dòng)集成在測(cè)量支撐桿上的傳感器，實(shí)現(xiàn)在庫(kù)區(qū)不同深度的異重流數(shù)據(jù)檢測(cè)。
【文檔編號(hào)】G01C13/00GK104019804SQ201410261768
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】劉明堂, 付立彬, 王學(xué)一, 張穎, 劉秦, 付曉彥, 蔡海勇, 宋夢(mèng), 崔磊磊, 王永偉, 付娟, 劉雪梅 申請(qǐng)人:華北水利水電大學(xué), 黃河科技學(xué)院, 河南現(xiàn)代建設(shè)集團(tuán)有限公司