一种浑水压强测量装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种浑水压强测量装置，属于水利量测【技术领域】，该装置主要由测压容器、测压探头、软管、测压管、测压板、照相机、计算机所组成；其中，测压容器用于盛放待测浑水，所述测压容器侧壁设有测压孔，所述测压探头安装在测压孔内；所述软管两端分别和探头与测压管连接，构成用于盛放清水的连通管路，清、浑水由测压探头内部的薄膜进行隔离；测压管垂直固定在竖直安装的测压板的表面，测压板表面贴有棋盘格标定板；照相机对准测压管内的清水液面并与计算机相连；照相机拍摄测压管内的清水液面并将图片实时传回计算机；计算机根据液面高度计算出待测浑水的压强。本发明可以实现高精度、高频、自动测量浑水压强，综合测量精度高于现有测压设备。
【专利说明】一种浑水压强测量装置
【技术领域】
[0001]本发明属于水利量测【技术领域】，特别涉及一种测量浑水压强的新装置。
【背景技术】
[0002]压强是水体作用于单位面积上的水压力，是描述水流运动最基本的特征变量之一。在工程实践和科学实验领域，压强主要通过理论计算和测量两种方法获得，其中，理论计算仅适用于静止均质水体，而运动或非均质水体中的压强则只能通过测量方法获得。
[0003]测压管是水工模型试验领域应用最为广泛的测压装置，该装置以公式P = Pgh(P为待测水体密度，g为重力加速度，h为待测点水深)为理论基础，通过读取与待测点相连接的测压管内的水位来测量水压，具有简单、易用等诸多优点。但是，受理论基础的制约，测压管仅适用于测量密度均匀且已知的水体的压强；同时，由于测压管内的水位通常由人工读取和记录，存在测量精度和测量频率低等缺点。
[0004]近年来，随着半导体和微机电技术的快速发展，半导体压力传感器在诸多领域得到广泛应用，这种传感器以压电效应为基础，可以将变形元件承受的压力以模拟或数字信号的形式输出，具有体积小、精度高、自动化程度高等优点。目前，压力传感器的综合精度可以达到满量程的2%。，可以满足大多数应用的需求。但是，对于某些大量程、高精度应用而言，现有的压力传感器仍然无法满足需求。例如，当使用压力传感器测量水深为Im量级的水体压强时，其精度为IOPa量级且随水深的增大而持续降低。另一方面，当压力传感器应用于浑水测量时，传感器探头部位也极容易受泥沙颗粒的堵塞而失灵。对于高精度、长时间的测量，压力传感器的时漂和温漂的问题也难以解决。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对非均质浑水高精度测压的实际应用需求，提出一种测量浑水压强的测量装置，可以实现高精度、高频、自动测量浑水压强，综合测量精度高于现有测压设备。
[0006]本发明提出的一种浑水压强测量装置，其特征在于，该装置主要由测压容器、测压探头、软管、测压管、测压板、照相机、计算机所组成；其中，测压容器用于盛放待测浑水，所述测压容器侧壁设有测压孔，所述测压探头安装在测压孔内；所述软管两端分别和探头与测压管连接，构成用于盛放清水的连通管路，清、浑水由测压探头内部的薄膜进行隔离；测压管垂直固定在竖直安装的测压板的表面，测压板表面贴有棋盘格标定板；照相机对准测压管内的清水液面并与计算机相连；照相机拍摄测压管内的清水液面并将图片实时传回计算机；计算机利用常规数字图像处理方法从图片中提取清水液面，并根据液面高度计算出待测浑水的压强。
[0007]本发明的特点及效果为:
[0008]( I)利用柔韧性极好的薄膜分隔清水和浑水，实现了通过测量清水水位及其变化过程计算浑水压强及其随时间变化过程；由于隔膜设置在测压容器内部，避免了浑水中泥沙沉降引起的测压塔头堵塞问题。
[0009](2)利用高分辨率照相机记录和识别清水液面，可以准确捕获0.0lmm量级的水位变化，从而实现高分辨率(0.1Pa)压强测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明的浑水压力测量装置示意图；
[0011]图2为本发明的测压探头实施例结构示意图，其中图2(a)为侧面剖视图，图2(b)为正视图。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0013]本发明的一种高精度浑水压强测量装置，如图1所示，主要由测压容器1、测压探头2、软管3、测压管4、测压板5、照相机6、计算机7所组成。其中，测压容器I用于盛放待测浑水8，测压容器I侧壁设有测压孔，所述测压探头2安装在测压孔内；软管3两端分别和测压探头2与测压管4连接，构成用于盛放清水9的连通管路，清、浑水由测压探头2内部的薄膜21进行隔离；测压管4垂直固定在竖直安装的测压板5的表面，测压板5表面贴有棋盘格(本实施例采用5X5mm的标准棋盘格)标定板11 ;照相机6对准测压管4内的清水液面并与计算机7相连；照相机6拍摄测压管4内的清水液面并将图片实时传回计算机7;计算机7利用常规数字图像处理方法从图片中提取清水液面，并根据液面高度计算出待测浑水的压强。
[0014]本实施例的测压容器I的长、宽、高分别50cm、50cm、IOOcm的方形截面容器,容器侧壁设有长22cm、宽3cm的水平矩形测压孔10 ;软管3为内径6_普通塑料软管；测压管4为内径6mm、外径8mm的透明玻璃圆管；测压板5为长30cm、宽15cm、厚5mm的黑色招板；照相机6为尼康D800E照相机，分辨率7360X4912像素，照相机上安装圆形水准泡12 ;该照相机能捕获0.0lmm的水位变化幅度，以保证测压精度为0.1Pa0
[0015]本实施例的计算机7为普通台式计算机。
[0016]本发明的探头2主要由主板21、压板22、薄膜23、防护网24和接头25组成，如图2 (a)所示。其中，主板21为普通金属板，板的一侧铣方腔26，方腔底部中心钻圆孔27贯通主板，圆孔27与接头25连接，接头25用于连接软管3 ;薄膜23覆盖在方腔26的开口端面，并由压板22压紧固定在主板21上，薄膜23具有较大的松弛量，可在水压力作用下在方腔26中自由变形，传递薄膜两侧的压力，使其两侧的压强相等；防护网24安装在薄膜23靠浑水一侧，以防止薄膜23露出方腔26。本实施例的主板21为长22cm、宽3cm、厚Icm的招板，方腔26长20cm、宽I cm、深0.8cm,圆孔27直径6mm ;接头27为长5cm、内径6mm的薄壁钢管；薄膜23为厚0.0lmm的聚四氟乙烯膜；压板22为厚Imm的钢板；防护网24为丝径
0.4mm、孔径2mm的不锈钢筛网，如图2 (b)所示。
[0017]基于上述组成部分，本发明测量浑水压强的实施过程为:
[0018](I)测压探头2安装在测压容器I侧壁上的矩形测压孔11内，测压容器I内盛放与待测浑水水深相等的清水，薄膜23在水压力的作用下紧贴探头方腔26的底部；向由测压管4、软管3和探头2组成的连通管路内灌注清水，直至薄膜两侧水的体积各占方腔的一半，薄膜两侧压强相等，测压容器I和测压管4的液面等高。调整照相机6的位置，使测压管4内的液面大致位于图像底边中部，调平并固定照相机6。
[0019](2)照相机6清晰对焦后拍照，利用常规数字图像处理方法提取出测压管4内的液面在图像中的坐标，由于测压管4内的液面等于测压容器I内的液面，可以建立浑水液面与图像坐标原点的关系；利用常规角点识别方法从棋盘格标定板11上识别角点，并计算相邻角点像素距离，得到像素尺度与物理尺度之间的换算系数。
[0020](3)将测压容器I内的清水替换为同体积的待测浑水8，由于浑水容重大于清水容重，薄膜23在浑水压强的作用下向清水侧变形。待浑水液面恢复平静后，向由测压管4、软管3和探头2组成的连通管路内灌注清水，随着测压管4内清水液面的抬升，清水压强逐渐大于浑水压强，薄膜23由于压差向浑水侧变形，测压管4内的液面又逐渐回落至薄膜两侧压强重新相等，当方腔26内清水占其体积的一半时停止灌注清水。
[0021](4)照相机6再次拍照。利用常规数字图像处理方法提取出测压管4内的清水液面的图像坐标，根据已知的浑水液面与图像坐标原点的关系以及像素尺度与物理尺度之间的换算系数，得到测压管4内的清水液面和测压容器I内浑水液面的高程差，计算出浑水压强。随着时间的推移，测压容器I内的浑水压强将由于泥沙的沉降而发生改变，导致测压管4内的清水液面发生改变，通过提取液面随时间的变化过程即可得到浑水压强随时间变化过程。
[0022]根据上述实施过程可知，本发明的测压装置的测量区间由矩形测压孔11的体积和测压管4的内径共同确定。以本实施例为例，矩形测压孔11的体积为16000mm3，这等于测量管4中高56cm的水柱；因此，本实施例可测量的最高压强和最低压强之差为5600Pa。另一方面，本发明的测量精度由照相机6的拍摄分辨率确定。以本实施例为例，当相机拍摄的图像高度(4912像素)对应49mm的物理尺度时，拍摄分辨率为0.0lmm/像素时，对应的测压分辨率为0.1Pa0
【权利要求】
1.一种浑水压强测量装置，其特征在于，该装置主要由测压容器、测压探头、软管、测压管、测压板、照相机、计算机所组成；其中，测压容器用于盛放待测浑水，所述测压容器侧壁设有测压孔，所述测压探头安装在测压孔内；所述软管两端分别和探头与测压管连接，构成用于盛放清水的连通管路，清、浑水由测压探头内部的薄膜进行隔离；测压管垂直固定在竖直安装的测压板的表面，测压板表面贴有棋盘格标定板；照相机对准测压管内的清水液面并与计算机相连；照相机拍摄测压管内的清水液面并将图片实时传回计算机；计算机利用常规数字图像处理方法从图片中提取清水液面，并根据液面高度计算出待测浑水的压强。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述测压探头主要由主板、压板、薄膜、防护网和接头所组成；其中，主板的一侧开有方腔，方腔底部中心开有贯通主板的圆孔，圆孔与接头连接，接头用于连接软管；薄膜覆盖在方腔的开口端面，并由压板压紧固定在主板上，薄膜可在水压力作用下在方腔中自由变形，传递薄膜两侧的压力，使其两侧的压强相等；防护网安装在薄膜靠浑水一侧，以防止薄膜露出方腔。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述照相机的分辨率7360X4912像素，照相机上安装圆形水准泡；该照相机可以能捕获0.0lmm的水位变化幅度，以保证测压精度为0.1Pa。
【文档编号】G01L11/02GK103528748SQ201310499424
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】陈启刚, 钟强, 李丹勋, 王兴奎 申请人:清华大学