一种水管流速摄像头测量装置及测量方法

本发明涉及一种流体空间运动轨迹测量装置及出水管的流体流量测量方法。

背景技术：

管道内流体的流动需要一定的驱动力，这个驱动力通常通过液体的压差产生，假设流体的密度ρ，重力加速度g，管道出水口面积s，管道出水口与管道液面高度差l，则管道出水口流体驱动力大小为ρ*g*l*s，此时对应管道出水口流体的流速是v0。如果能通过实验测量v0的大小，则通过事先测定管道出水口面积s，可以得到管道出水口的流体流量大小。水管出水流出的流体在空间中的运动可以分解为两个相互垂直的维度方向，一个是水平方向，一个是竖直方向。

x＝v0tsinα(1)

表达式1、2中，水平方向与竖直方向的位移x、h等量可以通过测量得到，α为出水管与竖直方向的夹角(一般出水管夹角取值为90度)，g是重力加速度，v0是出水管在出水口处流体的流速，t是水流流出出水口后在空间中某点对应的时间，水流刚出出水口时t＝0，联立表达式1、2，可以求出管道出水口流体的流速v0与某点对应的时间t，再通过表达式3，可以求出某点对应的流体的流速vt的大小，流速vt的方向为此点轨迹的切线方向。

上述理论证明，通过水管出水口流体的空间运动轨迹可以得到速度的大小，借助近年来快速发展的图像采集技术或测距技术，流体的空间运动轨迹可以方便得到，再通过事先测量得到的水管横截面积s，可以实现管道流量的快速、便捷测量，但在水管出水口流体的空间运动轨迹测量的过程中，如何实现精准的位置或位移坐标，一直是提高流速测量的关键难题。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，利用两个相互垂直的摄像头，实现水管出水口流体的空间运动轨迹的精准测量。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种水管流速摄像头测量装置，包括底座，水平滑竿，竖直滑竿，水平摄像头，竖直摄像头，水平电机、竖直电机，电源，控制电路，出水管，导线，控制线；水平滑竿与竖直滑竿垂直固定在底座上，电源与控制电路固定在底座表面，水平滑竿与竖直滑竿在同一平面上且互相垂直，水平摄像头通过水平电机固定在水平滑竿上，水平电机带动水平摄像头在水平滑竿上移动，竖直摄像头通过竖直电机固定在竖直滑竿上，竖直电机带动竖直摄像头在竖直滑竿上移动，水平摄像头、竖直摄像头、水平电机、竖直电机通过导线与电源相连，水平摄像头、竖直摄像头、水平电机、竖直电机通过控制线与控制电路相连。

优选的，底座为铸铁底座，底座的安装位置在出水管的右上方或左下方。

优选的，水平滑竿与竖直滑竿为双杆金属导轨，水平滑竿与出水管平行放置，水平滑竿、竖直滑竿与出水管放置在同一个平面内。

优选的，水平摄像头与竖直摄像头为激光摄像头，水平摄像头的测距方向与水平滑竿垂直且与出水管在同一个平面内，垂直摄像头的测距方向与水平滑竿垂直且与水平滑竿在同一个平面内并平行。

优选的，水平电机与竖直电机为步进电机。

本发明还公开了一种出水管的流体流量测量方法，依赖上述的流体空间运动轨迹测量装置实现，其步骤包括：

(1)通过竖直电机与竖直摄像头测量流体刚从出水管的出水口流出后在竖直方向的一段运动轨迹gj1，运动轨迹gj1的起点为出水管的出水口；

(2)通过水平电机与水平摄像头测量流体刚从出水管的出水口流出后在水平方向的一段运动轨迹gj2，运动轨迹gj2的起点为出水管的出水口；

(3)截取gj1与gj2中从开始阶段同样的一段轨迹，然后通过关系式(1)和(2)求出时间t，再通过读取步进电机6移动的对应水平距离xs，即可得到流速v0＝xs/t；

x＝v0tsinα(1)

式(1)、(2)中，水平方向的位移x与竖直方向的位移h可以通过测量得到，α为出水管与竖直方向的夹角，取值为90°，g是重力加速度，v0是出水管在出水口处流体的流速，t是水流流出出水口后在空间中某点对应的时间，水流刚出出水口时t＝0；

(4)通过事先测定出水管的出水口面积s，可以得到出水管的出水口的流体流量大小为v0*s。

本发明的有益效果是：本发明的测量装置，通过激光摄像头与步进电机得到精准的空间位移测量结果，可以得到水管流体的精准空间运动轨迹，结合运动学分析方法，可以得到精准的流体运动流速，整个装置简单、实用、成本低，具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

如图1所示，本发明的一种水管流速摄像头测量装置，包括底座1，水平滑竿2，竖直滑竿3，水平摄像头4，竖直摄像头5，水平电机6，竖直电机7，电源8，控制电路9，出水管10，导线11，控制线12。水平滑竿2与竖直滑竿3垂直固定在底座1上，电源8与控制电路9固定在底座1表面，水平滑竿2与竖直滑竿3在同一平面上且互相垂直，水平摄像头4通过水平电机6固定在水平滑竿2上，水平电机6带动水平摄像头4在水平滑竿2上移动，竖直摄像头5通过竖直电机7固定在竖直滑竿3上，竖直电机7带动竖直摄像头5在竖直滑竿3上移动，水平摄像头4、竖直摄像头5、水平电机6、竖直电机7通过导线11与电源8相连，水平摄像头4、竖直摄像头5、水平电机6、竖直电机7通过控制线12与控制电路9相连。

其中，底座1为铸铁底座，底座的安装在出水管10的右上方；

其中，水平滑竿2与竖直滑竿3为双杆金属导轨，具体为恒创滑台，有效行程长100cm，定位精度0.1mm，水平滑竿2与出水管10平行放置，竖直滑竿3与出水管10放置在同一个平面内；

其中，水平摄像头4与竖直摄像头5为锐尔威视高速摄像头，型号usbfhd08h，最高帧速260，水平摄像头4的测距方向与水平滑竿2垂直且与出水管10在同一个平面内，垂直摄像头5的测距方向与水平滑竿3垂直且与水平滑竿2在同一个平面内并平行；

其中，水平电机6与竖直电机7为步进电机，具体型号为57byg250b，电流3a，长度5.6cm。

实施例2

一种出水管的流体流量测量方法，其步骤包括：

(1)通过竖直电机与竖直摄像头测量流体刚从出水管的出水口流出后在竖直方向的一段运动轨迹gj1，运动轨迹gj1的起点为出水管的出水口；

(2)通过水平电机与水平摄像头测量流体刚从出水管的出水口流出后在水平方向的一段运动轨迹gj2，运动轨迹gj2的起点为出水管的出水口；

(3)截取gj1与gj2中从开始阶段同样的一段轨迹，然后通过关系式(1)和(2)求出时间t，再通过读取步进电机6移动的对应水平距离xs，即可得到流速v0＝xs/t；

x＝v0tsinα(1)

式(1)、(2)中，水平方向的位移x与竖直方向的位移h可以通过测量得到，α为出水管与竖直方向的夹角(一般出水管夹角取值为90度)，g是重力加速度，v0是出水管在出水口处流体的流速，t是水流流出出水口后在空间中某点对应的时间，水流刚出出水口时t＝0；

(4)通过事先测定出水管的出水口面积s，可以得到出水管的出水口的流体流量大小为v0*s。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，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该以权利要求书所限定的保护范围为准。