流速流量测定设备、系统及方法与流程

本发明属于流速、流量测定领域，具体的涉及一种流速流量测定设备、系统及方法。

背景技术：

河流、湖、海中的水流量测定较少，现今世界上最先进的河流流速流量实时检测设备为走航式声学多普勒流速流量剖面仪。其测量原理与传统的人工船测，桥测，缆道测量，和涉水测量一样：在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并测量多点的流速从而得到垂线平均流速,但其所测的垂线可以很多，每条垂线上的测点也很多。将安装有走航式声学多普勒流速流量剖面仪的船固定在横跨河道的缆绳上，从河岸一边匀速行驶至另一边，然后再回来算一次测量，同时测定断面面积和断面上不同点的流速。它利用多普勒效应原理进行流速测量，即用声波换能器作传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出流速。其能直接测出断面的流速剖面，被广泛用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等。

但是，走航式声学多普勒流速流量剖面仪测定河流流速流量时，需先设定一横跨断面的缆绳，且只能随着缆绳的固定方向进行测量。其是通过声学原理测量流速，较多的泥沙颗粒将会削弱仪器发射和接受的声波，所以测量结果受泥沙含量的影响较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种流速流量测定设备、系统及方法，能够减少工作量，测量结果更加准确且不受泥沙含量的影响，此外，可以测定河流断面上任何一点的流速同时可以测定断面以外的各点流速，具有灵活应用、适用范围广的特点。

第一方面，本发明实施例提供了一种流速流量测定设备，设备主体、控制器、螺旋桨、转动杆、转速传感器、电动机以及主动式声纳，其中，

所述螺旋桨位于设备主体的外部，所述主动式声纳、控制器、电动机位于所述设备主体的内部；

所述转速传感器、电动机、主动式声纳与所述控制器相连接，所述螺旋桨通过转动杆与所述电动机相连接，所述转动杆上设置有转速传感器；

所述电动机用于驱动所述螺旋桨转动；

所述转速传感器用于测量所述螺旋桨的转速参数并传输至控制器；

所述主动式声纳用于探测设备主体到静止目标的距离参数并传输至控制器；

所述控制器根据所述距离参数对所述转速参数作出调整，以使所述设备主体保持静止。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述设备主体包括外壳，所述外壳涂覆有防水防潮涂层，所述外壳为椭圆型密闭结构。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述主动式声纳至少为五个。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，还包括升降装置，所述升降装置与所述控制器相连接，所述升降装置用于控制设备主体的上升和下降。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述升降装置包括水箱和水泵，所述水箱与所述水泵相连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述控制器包括电源模块、通讯模块、微控制模块，所述电源模块、通讯模块与所述微控制模块相连接。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，

该流速流量测定设备还包括电源装置，所述电源装置与所述升降装置、控制器、转速传感器、电动机以及主动式声纳相连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种流速流量测定系统，其中，包括控制终端以及第一方面及其可能的实施方式所述的流速流量测定设备，其中，

所述控制终端与所述流速流量测定设备通讯连接。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述控制终端为上位机，所述上位机为遥控装置、平板、笔记本电脑以及手机中的任意一种。

第三方面，本发明实施例还提供了一种流速流量测定方法，其中，采用第二方面及其可能的实施方式所述的流速流量测定系统，包括以下步骤：

选取目标水域，沿逆流方向放置所述流速流量测定设备；

开启电动机，驱动螺旋桨转动以使流速流量测定设备在水中运动；

通过主动式声纳测量流速流量测定设备与静止目标的距离参数；

根据所述距离参数调整螺旋桨转速，以使流速流量测定设备在水中处于静止状态，记录此时螺旋桨转速；

将螺旋桨转速经过控制器进行运算转换为流速；

基于所述流速计算得到流量。

本发明实施例带来了以下有益效果：

相比于现有技术需先设定一横跨断面的缆绳，且只能随着缆绳的固定方向进行测量，本发明实施例不用事先设定缆绳，减少了测量的工作量。同时，测量结果更加准确且不受泥沙含量的影响，此外，可以测定河流断面上任何一点的流速同时可以测定断面以外的各点流速，具有灵活应用、适用范围广的特点。而且本发明的流速流量测定设备体积较小，方便携带。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种流速流量测定设备的结构示意图；

图2为图1中的升降装置的结构示意图；

图3为图1中的控制器的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的一种流速流量测定系统的结构示意图；

图5为本发明实施例3提供的一种流速流量测定方法的流程图。

图标：1-控制器；11-电源模块；12-通讯模块；13-微控制模块；2-螺旋桨；3-转动杆；4-转速传感器；5-电动机；6-主动式声纳；7-升降装置；71-水箱；72-水泵；8-电源装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

流速测定已经有很多种方法，包括水管、渠道、河流等。但流量的测定，较多的是在水管、渠道等断面形状比较规则时可以测量。但是，河流、湖、海中的水流速、流量测定较少，现今世界上最先进的河流流速、流量实时检测设备为走航式声学多普勒流速流量剖面仪。

目前，走航式声学多普勒流速流量剖面仪测定河流流速流量时，需先设定一横跨断面的缆绳，且只能随着缆绳的固定方向进行测量。其是通过声学原理测量流速，较多的泥沙颗粒将会削弱仪器发射和接受的声波，所以测量结果受泥沙含量的影响较大。

基于此，本发明实施例提供的一种流速流量测定设备、系统及方法，以解决现有技术中需要事先设定缆绳，增加了测量的工作量，不能满足断面以外的各点流速测定、适用范围窄的的问题。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种流速测定装置进行详细介绍。

实施例1

如图1所示，该流速流量测定设备包括设备主体(未示于图中)、控制器1、螺旋桨2、转动杆3、转速传感器4、电动机5以及主动式声纳6，其中，

螺旋桨2位于设备主体的外部，主动式声纳6、控制器1、电动机5位于设备主体的内部；

转速传感器4、电动机5、主动式声纳6与控制器1相连接，螺旋桨2通过转动杆3与电动机5相连接，转动杆3上设置有转速传感器4；

电动机5用于驱动螺旋桨2转动；

转速传感器4用于测量螺旋桨2的转速参数并传输至控制器1；

主动式声纳6用于探测设备主体到静止目标的距离参数并传输至控制器1；

控制器1根据所述距离参数对转速参数作出调整，以使设备主体保持静止。

本发明实施例提供的流速流量测定设备，包括设备主体、控制器、螺旋桨、转动杆、转速传感器、电动机以及主动式声纳，电动机驱动螺旋桨转动是设备主体在水中可以逆流运动，转速传感器实时测量螺旋桨的转速参数并传输至控制器，主动式声纳探测设备主体到静止目标的距离参数并传输至控制器，控制器根据测得的距离参数对螺旋桨的转速参数作出调整，以使设备主体保持静止，记录螺旋桨转速，通过换算得到水流的流速，然后通过主动式声纳测定流速流量测定设备静止时的河流断面的形状和尺寸参数，即可以测定得到河流断面参数，基于河流断面参数可用于计算河流断面面积，基于河流断面面积和流速即可得到河流的流量，相比于现有技术，减少了工作量，提高了测试效率，同时可以测定河流断面上任何一点的流速以及测定断面以外的各点流速，能起到灵活应用，具有更广泛的适应性。

进一步的是，设备主体包括外壳，外壳涂覆有防水防潮涂层，外壳为椭圆型密闭结构。椭圆形结构有利于减小水的阻力，此外们为了进一步的减小水的阻力，将设备主体的外壳设置成流线型密闭结构或者鲸鱼型结构，外壳采用钢材料、铝材料或者钛合金材料，优选的是，外壳采用钛合金材料，具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点。

进一步的是，主动式声纳6至少为五个，分别位于设备主体的前端和后端以及设备主体的两侧和底部，使用时，设备主体的前端朝向水流的逆流方向，设备主体的后端朝向水流的顺流方向，前后两端的主动式声纳声纳可以测量沿水流逆流方向和顺流方向与静止物体的距离参数，保证设备静止，得到此时螺旋桨的转速，从而获得河流断面处的流速，进一步保证测量结果的准确性，设备主体两侧和底部的主动式声纳用于探测河流侧边和底部的形状及尺寸数据，测得形状及尺寸数据用于计算河流的断面面积。需要说明的是，螺旋桨2设置在设备主体的后端，优选的是，本发明实施例采用的主动式声纳6为五个，分别在设备主体的前端和后端中央处各设置一个，用于测量河流断面的流速，以及在设备主体的两侧边和底部中央各设置一个，用于探测河流侧边和底部的形状及尺寸数据，计算得到河流的断面面积。设备主体内部的控制器1根据主动式声纳6探测的数据一方面与螺旋桨的转速信息配合，通过换算能够得到河流断面的流速数据，另一方面能够实现对河流断面面积进行计算得到断面面积数据，并根据流速数据和断面面积数据进行计算得到流量数据，同时可以将螺旋桨的转速信息、流速数据和断面面积数据、流量数据均上传给地面的控制终端。地面的控制终端和用户可以针对对上传的数据进行校对、检验，运算，进一步保证结果的准确性。

进一步的是，该流速流量测定设备还包括升降装置7，升降装置7与控制器1相连接，升降装置7用于控制设备主体的上升和下降。优选的是，如图2所示，升降装置7包括水箱71和水泵72，水箱71与水泵72相连接。水箱71为两个，分别位于设备主体的两侧，相对应的，水泵72也为两个，每个水箱71与一个水泵72相连，水泵72的另一端水管通到设备主体表面与外界水流相通，可以快速实现设备主体的升降，水泵72通过防水绝缘传输线与控制器1相连接，需要说明的是，水泵72为双向电调控制水泵。

进一步的是，如图3所示，控制器1包括电源模块11、通讯模块12、微控制模块13，电源模块11、通讯模块12与微控制模块13相连接。

微控制模块13用于进行数据处理，进一步的是，微控制模块13为51系列单片机。

通讯模块12用于与外部进行通讯，可以接收和发送信号、数据，进一步的是，通讯模块12为有线通讯模块，有线通讯模块为RS485总线。

电源模块11为微控制模块提供电力支持，进一步的是，电源模块11为直流电源，也可以是直流稳压电源。进一步的是，直流电源为可充电电源，可以是蓄电池(俗称电瓶)，可以多次进行充放电，反复使用，经济环保。蓄电池为镍镉、镍氢、锂离子、铅蓄电池的任意一种，优选的是，电源模块11为5V直流稳压电源。

进一步的是，该流速流量测定设备还包括电源装置8，电源装置8用于为流速流量测定设备的用电设备供电，电源装置8与升降装置7、控制器1、转速传感器4、电动机5以及主动式声纳6相连接。

进一步的是，电动机5可以为有刷电动机，也可以是无刷电动机，优选的是，电动机5为无刷电动机，可以防水，同时，由于无刷电动机没有电刷，故也不需要相关接口，因此更干净，噪声更小，无需维护，寿命更长。本实施例采用的电动机5为稀土永磁无刷电动机，体积更小，利于实现设备小型化。

需要说明的是，该流速流量测定设备还可以包括方向装置、监测装置，方向装置、监测装置均与控制器相连接，方向装置用于控制设备主体方向和运行方向，进一步的是，方向装置为转舵，监测装置用于监测水中的情况，有利于及时调整方向，防止与杂物、鱼群相撞，损坏设备，进一步的是，监测装置为摄像头，优选的是防水微型摄像头，通过监测和方向调整设备位置，同时还可以减少泥沙对结果的影响。

实施例2

如图4所示，本发明实施例还提供了一种流速流量测定系统，用于测定河流流速、流量，包括控制终端以及实施例1中的流速流量测定设备，其中，

流速流量测定设备与控制终端通讯连接，控制终端位于地面上，测量人员可以通过地面上的控制终端对流速流量测定设备进行操控，控制终端用于与流速流量测定设备进行信号、数据双向传输，可以接收流速流量测定设备发送的数据和信号，也可以向流速流量测定设备发送相关指令信号，在地面上对流速流量测定设备进行控制，进一步的是，控制终端为上位机，其中，上位机为遥控装置、平板、笔记本电脑以及手机中的任意一种。优选的是，上位机为平板，可以不受地域限制，随时随地跟踪测量。

需要说明的是，流速流量测定设备与控制终端通过数据传输线进行有线通讯连接，数据传输线外部包裹有防水绝缘材料。

实施例3

如图5所示，本发明实施例还提供了一种流速流量测定方法，采用实施例2中的流速流量测定系统进行流速的测量，包括以下步骤：

S10：选取目标水域，沿逆流方向放置所述流速流量测定设备；

具体的，选取需要测试的河流断面，将流速流量测定设备沿河流的逆流方向放置。

S11：开启电动机，驱动螺旋桨转动以使流速流量测定设备在水中运动；

具体的，

S12：通过主动式声纳测量流速流量测定设备与静止目标的距离参数；

主动式声纳实时测量流速流量测定设备与静止目标的距离参数，并将测得的参数实时传递至控制器。

S13：根据所述距离参数调整螺旋桨转速，以使流速流量测定设备在水中处于静止状态，记录此时螺旋桨转速；

具体的，控制器根据主动式声纳测得的距离参数进行处理计算，调整电动机的电信号，并将电信号通过传输线传递至电动机，控制电动机进行转速的调整，在经由转动杆控制螺旋桨的转速，从而实现螺旋桨转速的调整，最终实现流速流量测定设备在水中保持静止的状态，得到的螺旋桨的转速经由传动杆上的转速传感器传递给控制器，由控制器存储记录。

S14：将螺旋桨转速经过控制器进行运算转换为流速。

具体的，控制器将相应的转速进行换算，得到河流断面某一位置的河流流速。

S15：基于流速计算得到流量。

具体的，首先通过主动式声纳测定流速流量测定设备静止时的河流断面的形状和尺寸参数；

然后主动式声纳将上述测定的形状和尺寸等河流断面参数传递至控制器和/或控制终端，需要说明的是，主动式声纳的有线通讯接口能够直接连接控制器和/或地面的控制终端。

而后由控制器和/或控制终端计算得到河流断面面积；

最后基于河流断面面积和流速得到流量，需要说明的是，将河流断面面积与流速相乘即可得到流量。

具体的，控制器通过通讯模块将得到的流速、主动式声纳实时测定的距离参数、形状、尺寸参数以及计算的河流断面面积均上传给地面的控制终端，从而实现地面的控制终端的远程监控。地面的控制终端可以将流速、形状、尺寸参数输入通过计算机计算用来测量流量，可以将两个结果进行校对检验，确保数据的准确性，进一步拓宽了适用范围。

需要说明的是，在步骤S14：控制器将相应的转速进行换算，得到河流断面某一位置的河流流速后，可以直接上传给地面的控制终端进行步骤S15，即得到上述的实施方式。

控制器还可以通过内部的微控制模块根据的到的流速通过进一步的计算可以得到流量结果，并将流速、流量结果上传至地面的控制终端，实现控制终端的远程监控。

控制器也可以将得到的河流断面的形状、尺寸、计算得到的面积以及螺旋桨的转速、河流流速等信息均上传给控制终端，由控制终端进行相应的计算和换算得到流速、流量结果，同时还能对控制器的结果进行校对检验，确保数据的准确性。为了减轻控制器的处理负荷和处理速度，可以直接通过地面的控制终端进行相应的计算处理。

进一步的是，该流速流量测定方法还包括以下步骤：

S16：通过升降装置调整流速流量测定设备的位置，重复上述步骤可以得到不同水深的流速、流量结果。

具体的，地面的控制终端将升降指令信号传递至流速流量测定设备的控制器，控制器接收到升降指令信号后，控制升降装置进行升降操作，即通过水泵进行放水、充水操作，实现升降，重复步骤S10-S15，测得河流不同水深的流速、流量结果，相比现有技术，测试范围更广泛，工作量更少。

本发明实施例提供的一种流速流量测定系统和方法，与上述实施例提供的流速测定装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。