一种高含沙浑水异重流检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高含沙浑水异重流检测系统，包括信号检测系统、数据传输系统、控制系统、控制面板，信号检测系统包含测量支撑杆、流速检测模块、超声波含沙量监测模块、深度传感器、水温传感器，所述测量支撑杆通过线缆固定在转盘上，转盘与支架横杆的一端转动连接，支架横杆的另一端与电机连接，所述电机安装在支撑架上；所述控制系统包含分别与电源模块连接的数据处理模块及单片机控制模块。本发明采用数据融合技术，将水温、测点深度、流速等环境影响因素综合考虑，综合性强，检测结果更加可靠、稳定，数据更准确，且能够实现在线自动检测异重流，通过控制面板能够更加直观、实时地监控和管理整个检测过程，具有很高的社会价值和市场推广价值。
【专利说明】一种高含沙浑水异重流检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及高含沙浑水检测领域，具体涉及一种高含沙浑水异重流检测系统。
【背景技术】
[0002]我国是一个洪涝灾害严重的国家，修建水库是人类减少洪涝灾害的一项重要工程措施。但在河流特别是多沙河流上修建水库，由于大坝的挡水作用，水流流速降低，上游来沙在库区的淤积速率增加，造成有效的库容减少，水库寿命缩短。在水库中挟有大量细泥沙的洪水进入水库壅水区后，浑水中的粗泥沙不能继续为水流所挟带，淤积在水库的进口部位，含有细颗粒泥沙的高含沙浑水，则与库内清水形成一定的密度差，由此产生压力的差另O，开始潜入水库底部，形成库区高含沙浑水异重流。潜入点标志着异重流已经开始形成。在某些情况下，异重流会带来很大危害。但如果合理利用异重流特性，在水库减淤，给水排水工程设计与运用等方面可获得很大效益。在高含沙河流上修建蓄水水库和水电站时，设置底孔，合理运用在库底运动的高含沙浑水异重流可把泥沙排走，减少水库淤积，是水库减淤的主要措施。
[0003]异重流是两种密度不同的流体因密度差异而产生的相对流动，又称密度流。水利工程中常见的异重流现象有:湖泊、水库及河流、渠道中的浑水异重流；河口段的盐水楔异重流；火电厂取、排水口附近的温差异重流等。
[0004]在实际的水库排水排沙管理中，为了掌握“蓄清排浑”的最佳时机，有效减少水库的泥沙淤积，需要对异重流发生、增长、稳定、消退的全过程进行跟踪监测。在异重流测量工作中，以前主要靠估计采样水深，多次试探取样，人工判断浑水层深度和厚度。该方法测量精度低，劳动强度大，测量时间长，容易延误“蓄清排浑”的最佳时机。目前有根据光电传感器原理和泥沙颗粒的阻光效应采取的光电式清浑水界面探测器，在小浪底水库异重流测量中，取得了良好的应用效果。但由于光电传感器测量含沙量量程小，此设备只能测出清浑水含沙量临界值，不能连续测量高含沙量及其垂直分布情况。因此，为了更好地跟踪监测异重流变化过程，有必要实现异重流的实时跟踪监测，为黄河流域库区的排水排沙起到监督与管理服务。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术中存在的问题和不足，提供一种结构简单、设计合理、安装灵活、能够实现在线实时监测的高含沙浑水异重流检测系统。
[0006]本发明通过以下技术方案实现:一种高含沙浑水异重流检测系统，包括信号检测系统、数据传输系统、控制系统、控制面板，各系统顺序相连，信号检测系统包含测量支撑杆及由下至上依次安装在测量支撑杆上的流速检测模块，超声波含沙量监测模块，深度传感器，水温传感器，所述测量支撑杆的上部通过线缆固定在转盘上，转盘与支架横杆的一端转动连接，支架横杆的另一端与电机连接，所述电机安装在支撑架上；所述控制系统包含电源模块，及分别与电源模块连接的数据处理模块及单片机控制模块。[0007]根据上述的高含沙浑水异重流检测系统，数据处理模块包含信号调理模块、A/D转换模块，所述信号调理模块与信号检测系统相连接，采集流速检测模块、超声波含沙量检测模块、深度传感器、水温传感器传输的信号，信号调理模块与A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块与单片机控制模块相连接。
[0008]根据上述的高含沙浑水异重流检测系统，所述信号检测系统还包含固定在测量支撑杆上的多通道信号处理系统，流速检测模块，超声波含沙量检测模块，深度传感器，水温传感器分别通过多通道信号处理系统与信号调理模块连接。
[0009]根据上述的高含沙浑水异重流检测系统，所述超声波含沙量检测模块包含对称固定安装在测量支撑杆上的四波束超声波传感器。
[0010]根据上述的高含沙浑水异重流检测系统，所述深度传感器为中间带有通气导管和电缆的纺锤形结构。
[0011]优选的，所述深度传感器包含正压腔、负压腔、上部封头、压力感应膜片、外腔壁及设置在外腔壁上的反冲洗装置。
[0012]根据上述的高含沙浑水异重流检测系统，所述流速检测模块包含流速仪，安装在流速仪前端的带扇叶的叶轮，与流速仪后端固定连接的编码器，放置编码器的防水密封仓，及与防水密封仓相连接的导流尾翼；所述编码器通过防水的带轴与叶轮活动连接。
[0013]根据上述的高含沙浑水异重流检测系统，所述单片机控制模块通过GPRS网络与上位机连接。
[0014]根据上述的高含沙浑水异重流检测系统，所述控制面板为触摸屏控制面板，包含数据显示模块，报警提示模块及触屏控制模块，所述触屏控制模块控制电机拖动集成在测量支撑杆上的传感器，实现在库区不同深度的异重流数据检测。
[0015]本发明具有以下优点:
1.本发明将流速检测模块、超声波含沙量检测模块、深度传感器、水温传感器集成在一起，实现同一垂线上不同深度的流速、含沙量、测点深度和水温的同时测量，检测效率高，数据准确，且超声波含沙量检测模块包含对称固定安装在测量支撑杆上的四波束超声波传感器，对称性设计，形成钳形结构，放置于被测含沙的水体中，得到数据矩阵，通过分析即可得到水体中悬浮含沙量的准确浓度，并能有效消除干扰，防止因水草等杂物缠绕而带来的仪器不能工作的影响，在较恶劣的环境中也能工作，若其中之一被缠绕或阻挡，其他几个还可以正常工作，且深度传感器外腔壁上的反冲洗装置可以定期进行清洗，保证正常工作的进行。
[0016]2.本发明中的深度传感器采用正压腔和负压腔的结构，结构精巧，外腔壁的壳体采用经过硫化处理的橡胶材料制成，采用特种氟胶电缆进行电气连接，针对强蚀性的高含沙液体，既保证了传感器的水密封性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔和环境压力相通，保证测量数据的高精度和高稳定性，调校简单、安装灵活。
[0017]3.本发明结构简单、设计合理，采用数据融合技术，将水温、测点深度、流速等环境影响因素综合考虑，综合性强，检测结果更加可靠、稳定，数据更准确，且能够实现在线自动检测异重流，通过控制面板能够更加直观、实时地监控和管理整个检测过程，具有很高的社会价值和市场推广价值。【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明高含沙浑水异重流检测系统的结构示意图；
图2是本发明高含沙浑水异重流检测系统的原理框图；
图3是本发明的深度传感器的结构示意图；
图4是本发明的超声波含沙量检测模块电路图；
图5是本发明的单片机控制系统电路图；
图6是本发明的电源模块电路图；
图7是本发明的信号调理模块电路图；
图8是本发明的A/D转换模块电路图。
【具体实施方式】
[0019]图中，标号I为叶轮，2为防水密封仓，3为导流尾翼，4为深度传感器，41为通气导管，42为负压腔，43为外腔壁，44为正压腔，45为电缆，46为上部封头，47为压力感应膜片，5为超声波含沙量检测模块，6为水温传感器，7为测量支撑杆，8为多通道信号处理系统，9为水平面，标号10代表转盘，11为支架横杆，12为GPRS天线，13为控制系统，14为支撑架，15为电机,16为上位机,17为测试船。
[0020]实施例一:参见图1?8所示，一种高含沙浑水异重流检测系统，包括信号检测系统、数据传输系统、控制系统、控制面板，各系统顺序相连，信号检测系统包含测量支撑杆及由下至上依次安装在测量支撑杆上的流速检测模块，超声波含沙量监测模块，深度传感器，水温传感器，所述测量支撑杆的上部通过线缆固定在转盘上，转盘与支架横杆的一端转动连接，支架横杆的另一端与电机连接，所述电机安装在支撑架上；所述控制系统包含电源模块，及分别与电源模块连接的数据处理模块及单片机控制模块。数据处理模块包含信号调理模块、A/D转换模块，所述信号调理模块与信号检测系统相连接，采集流速检测模块、超声波含沙量检测模块、深度传感器、水温传感器传输的信号，信号调理模块与A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块与单片机控制模块相连接。所述信号检测系统还包含固定在测量支撑杆上的多通道信号处理系统，流速检测模块，超声波含沙量检测模块，深度传感器，水温传感器分别通过多通道信号处理系统与信号调理模块连接。将采集到的信号先输入到信号调理模块进行放大处理，然后经A/D转换模块与单片机控制模块连接，单片机处理之后再通过GPRS天线模块将数据发送到远程中心，同时在液晶显示屏上显示相应数据。所述超声波含沙量检测模块包含对称固定安装在测量支撑杆上的四波束超声波传感器。超声波传感器电路的发射端外接1000V高压电源，电路由C8、R4、QU P4组成，其中Ql是可控硅，P4是超声波发射器，通过单片机的P2.7 口控制Ql打开发射电路，从而使发射头发射超声波；发射端电路由P5、R5、R6、R7、C9、C10、U1A组成，P5是超声波接收器，将接收到的信号经UlA放大后输入到A/D转换模块的INl通道处理。四波束超声波传感器的发射器启动，将超声波检测含沙量信息和环境温度T以及含沙水体的流速V进行多传感器数据融合处理，获取含沙量信息。
[0021]所述的高含沙浑水异重流检测系统，其高含沙浑水异重流检测的数学模型为:将获得的当前时刻t的深度ht的含沙量S(ht)和上一时刻t-1的深度Iv1的含沙量SOv1)进行差值运算，综合判断高含沙浑水异重流是否产生。其数学模型为:
【权利要求】
1.一种高含沙浑水异重流检测系统，包括信号检测系统、控制系统、控制面板，各系统顺序相连，其特征在于:信号检测系统包含测量支撑杆及由下至上依次安装在测量支撑杆上的流速检测模块，超声波含沙量监测模块，深度传感器，水温传感器，所述测量支撑杆的上部通过线缆固定在转盘上，转盘与支架横杆的一端转动连接，支架横杆的另一端与电机连接，所述电机安装在支撑架上；所述控制系统包含电源模块，及分别与电源模块连接的数据处理模块及单片机控制模块。
2.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测系统，其特征在于:数据处理模块包含信号调理模块、A/D转换模块，所述信号调理模块与信号检测系统相连接，采集流速检测模块、超声波含沙量检测模块、深度传感器、水温传感器传输的信号，信号调理模块与A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块与单片机控制模块相连接。
3.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测系统，其特征是:所述信号检测系统还包含固定在测量支撑杆上的多通道信号处理系统，流速检测模块，超声波含沙量检测模块，深度传感器，水温传感器分别通过多通道信号处理系统与信号调理模块连接。
4.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测系统，其特征在于:所述超声波含沙量检测模块包含对称固定安装在测量支撑杆上的四波束超声波传感器。
5.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测系统，其特征在于:所述深度传感器为中间带有通气导管和电缆的纺锤形结构。
6.根据权利要求5所述的高含沙浑水异重流检测系统，其特征在于:所述深度传感器包含正压腔、负压腔、上部封头、压力感应膜片、外腔壁及设置在外腔壁上的反冲洗装置。
7.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测系统，其特征在于:所述流速检测模块包含流速仪，安装在流速仪前端的带扇叶的叶轮，与流速仪后端固定连接的编码器，放置编码器的防水密封仓，及与防水密封仓相连接的导流尾翼；所述编码器通过防水的带轴与叶轮活动连接。
8.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测系统，其特征在于:所述单片机控制模块通过GPRS网络与上位机连接。
9.根据权利要求1所述的高含沙浑水异重流检测系统，其特征在于:所述控制面板为触摸屏控制面板，包含数据显示模块，报警提示模块及触屏控制模块，所述触屏控制模块控制电机拖动集成在测量支撑杆上的传感器，实现在库区不同深度的异重流数据检测。
【文档编号】G01C13/00GK104019804SQ201410261768
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】刘明堂, 付立彬, 王学一, 张颖, 刘秦, 付晓彦, 蔡海勇, 宋梦, 崔磊磊, 王永伟, 付娟, 刘雪梅 申请人:华北水利水电大学, 黄河科技学院, 河南现代建设集团有限公司