双超声河水流动感知系统及计算方法与流程

本发明应用于河道流量监测领域，是一种双超声河水流动感知系统及计算方法。

背景技术：

当前流量监测的系统有雷达波测速、adcp测速等方式，但超声波测速方法却是最可靠的，雷达波和adcp测速结果都需要与超声波测速结果进行比测和分析后，才能确定该方法的准确性。

由此可见，设计出一种双超声河水流动感知系统及计算方法，不断可以实现无人值守、适应低流速河道状况，同时可以有效提高测量精度。

技术实现要素：

本发明可24小时不间断工作，实现水文测量的无人值守，系统能有效观测超声波在顺水中的传播情况、在逆水中的传播情况、河道的水位，指挥中心获取这些数据后，可以运算得到河水的流速和流量。

为实现上述目标，本发明提供的技术方案如下：

1.双超声河水流动感知系统及计算方法是由二个超声波收发器、一个测控箱体、一个太阳能板、一个水位计连接而成；测控箱体内有蓄电池、充电控制器和控制电路；测流控制电路上有cpu、dtu、供电单元，cpu上有多个串口，dtu的一端连接在cpu的串口上，另一端通过无线网络连接在指挥中心；太阳能板连接在测控箱体内的充电控制器上，水位计连接在控制电路的cpu串口上，二个超声波收发器的信号发送端分别连接在控制电路的二个光电开关上，二个超声波收发器的信号接收端分别连接在控制电路的二个串口上。

实际使用中，河道旁边有合适的建筑物、水位井房，也可以将测控箱体安装的建筑物或者井房上。

实际使用中，控制电路上，还有避雷相关模块。

实际使用中，多采用具有3g、4g通信能力的dtu，设备可以通过互联网连接至指挥中心。

实际使用中，dtu也可以是wifi通讯的。

2.所述光电开关控制端连接cpu的管脚，供电端连接超声波收发器的信号发送端。

3.所述测控箱体安装在河边的立杆上，立杆的顶端安装太阳能板，立杆顶端有一个悬臂，该悬臂伸向河道中央，水位计安装在悬臂靠近河道中央位置。

4.所述水位计的安装位置，要尽量临近河水中洪，水位计的雷达波速垂直向下。

实际使用中，也可以采用气泡水位计等其他类型的水位计，其安装方式也不一定是悬臂。

5.所述二个超声波收发器安装在河道中央上下游相距1米~3米的位置上，该位置的连线平行于河水流动方向，安装高程一致，雷达波接收和发送波束的方向分别指向对方，这一对超声波收发器一个用于测量超声波速在顺水中的传播时间，一个用于观测超声波速在逆水中的传播时间。

6.所述二个超声波收发器有支架和底座，固定在河底的河床上，要避免被河水冲走。

7.所述二个超声波收发器与测控箱体内连接线，采用防水电缆，该电缆从测控箱体连接到水下的超声波收发器上，该电缆内有数字信号线和电源线。

8.所述立杆的安装位置，要尽可能远离高大建筑和树木，以便太阳能板有充足的阳光照射。

实际使用中，也可以直接采用市电进行供电。

9.系统工作中，是对二个超声波收发器的发送端错时交替供电的，即其中一个超声波收发器发送超声波信号时，另外一个就不发送信号。

10.蓄电池一端连接在控制电路的供电模块上，一端通过充电控制器连接在太阳能板上。

11.控制电路另有多个指示灯，指示灯直接连接在cpu的管脚上。

实际使用中，指示灯可以连接在cpu的p0、p1或其他端口的管脚上。

12.该系统系统计算流速和流量的方法为：

①系统要植入本系统安装位置对应的河道断面图；

②系统依据水位计所测水位，并结合河道断面图，计算在当前水位下，河道的过水面积a；

③假定所测超声波顺水传播时间为td，逆水传播时间为tu，二个传感器的距离为l，则水流的速度v=l/（td-tu）。

④依据公式：流量q=流速v*过水面积a，即可计算出当前河水的流量。

本发明的优点是：

本发明可24小时不间断工作，实现水文测量的无人值守，系统能有效观测超声波在顺水中的传播情况、在逆水中的传播情况、河道的水位，指挥中心获取这些数据后，可以运算得到河水的流速和流量。

附图说明

图1：系统安装俯视图。

图2：系统安装侧视图。

图3：测流控制电路图。

具体实施方式

本发明可24小时不间断工作，实现水文测量的无人值守，系统能有效观测超声波在顺水中的传播情况、在逆水中的传播情况、河道的水位，指挥中心获取这些数据后，可以运算得到河水的流速和流量。

为实现上述目标，本发明提供的技术方案如下：

1.双超声河水流动感知系统及计算方法是由二个超声波收发器、一个测控箱体、一个太阳能板、一个水位计连接而成；测控箱体内有蓄电池、充电控制器和控制电路；测流控制电路上有cpu、dtu、供电单元，cpu上有多个串口，dtu的一端连接在cpu的串口上，另一端通过无线网络连接在指挥中心；太阳能板连接在测控箱体内的充电控制器上，水位计连接在控制电路的cpu串口上，二个超声波收发器的信号发送端分别连接在控制电路的二个光电开关上，二个超声波收发器的信号接收端分别连接在控制电路的二个串口上。

实际使用中，河道旁边有合适的建筑物、水位井房，也可以将测控箱体安装的建筑物或者井房上。

具体实施时，二个超声波收发器要尽量避开水草，定期检查并清除异物缠绕。

实际使用中，控制电路上，还有避雷相关模块。

实际使用中，多采用具有3g、4g通信能力的dtu，设备可以通过互联网连接至指挥中心。

实际使用中，dtu也可以是wifi通讯的。

2.所述光电开关控制端连接cpu的管脚，供电端连接超声波收发器的信号发送端。

3.所述测控箱体安装在河边的立杆上，立杆的顶端安装太阳能板，立杆顶端有一个悬臂，该悬臂伸向河道中央，水位计安装在悬臂靠近河道中央位置。

具体实施时，本系统的立杆上，还可以安装摄像头，以便远程观测看现场的画面。

4.所述水位计的安装位置，要尽量临近河水中洪，水位计的雷达波速垂直向下。

实际使用中，也可以采用气泡水位计等其他类型的水位计，其安装方式也不一定是悬臂。

具体实施时，只有采用雷达水位计时，才会安装悬臂。

5.所述二个超声波收发器安装在河道中央上下游相距1米~3米的位置上，该位置的连线平行于河水流动方向，安装高程一致，雷达波接收和发送波束的方向分别指向对方，这一对超声波收发器一个用于测量超声波速在顺水中的传播时间，一个用于观测超声波速在逆水中的传播时间。

6.所述二个超声波收发器有支架和底座，固定在河底的河床上，要避免被河水冲走。

具体实施时，河床上要浇筑一个混泥土墩，旋桨支架固定在该混泥土墩上。

7.所述二个超声波收发器与测控箱体内连接线，采用防水电缆，该电缆从测控箱体连接到水下的超声波收发器上，该电缆内有数字信号线和电源线。

实际使用中，该电缆埋沿河床埋设，水下部分一直埋设在泥沙里。

8.所述立杆的安装位置，要尽可能远离高大建筑和树木，以便太阳能板有充足的阳光照射。

实际使用中，也可以直接采用市电进行供电。

9.系统工作中，是对二个超声波收发器的发送端错时交替供电的，即其中一个超声波收发器发送超声波信号时，另外一个就不发送信号。

10.蓄电池一端连接在控制电路的供电模块上，一端通过充电控制器连接在太阳能板上。

11.控制电路另有多个指示灯，指示灯直接连接在cpu的管脚上。

12.该系统系统计算流速和流量的方法为：

①系统要植入本系统安装位置对应的河道断面图；

②系统依据水位计所测水位，并结合河道断面图，计算在当前水位下，河道的过水面积a；

③假定所测超声波顺水传播时间为td，逆水传播时间为tu，二个传感器的距离为l，则水流的速度v=l/（td-tu）。

④依据公式：流量q=流速v*过水面积a，即可计算出当前河水的流量。

本发明的优点是：

本发明可24小时不间断工作，实现水文测量的无人值守，系统能有效观测超声波在顺水中的传播情况、在逆水中的传播情况、河道的水位，指挥中心获取这些数据后，可以运算得到河水的流速和流量。