扭矩式明渠低功耗自动测流装置

1.本实用新型涉及明渠流量测量领域，尤其是涉及用于水力要素变化较平缓的明渠低功耗自动测流装置。


背景技术：

2.灌区输水明渠流量的准确快速测量是灌区节水的基础，对于输水明渠流量测量的手段目前主要有流速面积法，该测量手段的核心是测量过流断面的平均流速，测量平均流速的方法主要有电磁法、超声波（时差法）、多普勒法、量水建筑物测流法。对于电磁法存在的难题是难以突破大断面测流限制的不足；而多普勒法主要用于测条带流速，精度低；超声波时差法测流，所采取的多声道测流设备对现场安装要求苛刻且成本很高。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种测流精度高、安装方便、自动化程度高、低功耗的扭矩式明渠低功耗自动测流装置。
4.为实现上述目的，本实用新型采取如下述技术方案。
5.一种扭矩式明渠低功耗自动测流装置，包括水平底座、扭矩传感器、超声波水位计、流量监测控制器、测流竖直刚杆、可调脚杯、普通式长水准泡、角码、脚杯连接块及铝型材；其特征在于：所述自动测流装置是由架设在明渠上方的水平底座以及固定在水平底座上的扭矩传感器、超声波水位计和流量监测控制器，通过电缆连接构成。
6.所述水平底座是工字型结构，由三根铝型材通过角码连接固定构成，并设有四个可调脚杯及两个互相垂直的普通式长水准泡和可调脚杯通过脚杯连接块与底座连接。
7.所述扭矩传感器是与所述测流竖直刚杆连接后固定于所述水平底座的中部侧壁。
8.所述超声波水位计是固定于所述水平底座的中部侧壁。
9.所述流量监测控制器是固定于所述水平底座梁的侧壁；包括基本参数输入模块：用于设置所述明渠的几何参数和测流控制参数并存储于存储器内；控制模块：用于控制控制超声波水位计测量明渠水位和扭矩传感器测量扭矩，在设定的测量时段内按照设定的采样频率，同时采集明渠水位和扭矩传感器的扭矩值；瞬时流量监测计算模块：用于按照在设定的所述测量时段内采用中位数滤波法计算出滤波后的明渠水位及扭矩传感器的扭矩值，计算在设定的测量时段内所述被测量横断面的平均流量；显示模块：用于显示该测量横断面的平均流量测量结果；gprs无线通信模块：用于接收远程控制中心发送的指令数据及上报该测量横断面的平均流量测量结果；运算放大模块：用于将扭矩传感器产生的微弱电压进行放大，微控制器对放大后的电压信号进行ad转化采样。
10.所述可调脚杯固定于工字形结构的四角，两个普通式长水准泡互相垂直固定于工字形结构中部，用于水平底座的调平。
11.其中，所述测流竖直刚杆是耐腐蚀轻质大刚度圆柱形直杆，并与所述扭矩传感器连接固定后，测流竖直刚杆的末端靠近渠底。
12.由于采用了上述的技术方案，本实用新型所取得的有益效果是突破了传统的明渠测流仪器结构，设置并建立了通过物体在流动的流体中受到的绕流阻力对扭矩传感器矩心产生的力矩大小与速度的关系，实现明渠水流流速的测量，从而由流速面积法计算出明渠流量，测流精度高；通过安装在待测流明渠横断面处所述扭矩式明渠低功耗自动测流装置伸入明渠中的刚杆进行水流流速测量，避免了水中泥沙及浮游生物对测量装置的影响；本装置没有复杂的机械结构，整体采用低功耗设计，配合物联网云平台，能长时间稳定、高精度的进行野外环境明渠测流。
附图说明
13.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
14.图1是本实用新型自动测流装置的整体结构示意图。
15.图2是本实用新型自动测流装置布置于明渠上的平面结构示意图。
16.图3是本实用新型自动测流装置布置于明渠上的立面结构示意图。
17.图4是本实用新型的电路控制系统框图。
18.图5是本实用新型自动测流方法的流程框图。
19.图中：1：水平底座；2：扭矩传感器；3：超声波水位计；4：流量监测控制器；5：测流竖直刚杆；6：可调脚杯；7：普通式长水准泡；8：角码；9：脚杯连接块；10：铝型材。
具体实施方式
20.下面对本实用新型的具体实施方式作出进一步的详细说明。
21.具体实施方式1
22.实施一种本实用新型上述的扭矩式明渠低功耗自动测流装置，该装置是由架设在明渠上方的流量测量装置和设置在流量测量装置上的流量监测控制器4构成；流量测量装置包括用于架设在明渠上方的水平底座1，与该水平底座1连接的是扭矩传感器2、超声波水位计3和流量监测控制器4；测流竖直刚杆5与扭矩传感器2连接并通过m3螺丝固定；水平底座1架设在明渠测流横断面上，为工字形结构，可调脚杯6固定于工字形结构的四角，两个普通式长水准泡7互相垂直固定于工字形结构中部，用于水平底座的调平；扭矩传感器2通过四个m3螺丝固定于水平底座1的梁中部侧壁；超声波水位计3通过两个m3螺丝固定于水平底座1的梁中部侧面；流量监测控制器4通过两个m3螺丝固定于水平底座1的梁侧面；扭矩传感器2与超声波水位计3通过线缆与流量监测控制器4连接。
23.其中的流量监测控制器包括：基本参数输入模块：用于设置明渠的几何参数和测流控制参数并存储于存储器内。
24.控制模块：用于控制超声波水位计3测量明渠水位和扭矩传感器2测量扭矩，在设定的测量时段内按照设定的采样频率，同时采集明渠水位和扭矩传感器2的扭矩值。
25.瞬时流量监测计算模块：用于按照在设定的测量时段内采用限幅消抖滤波法计算出滤波后的明渠水位及扭矩传感器2的扭矩值，计算在设定的测量时段内被测量横断面的平均流量。
26.显示模块：用于显示该测量横断面的平均流量测量结果；
27.gprs无线通信模块：用于接收远程控制中心发送的指令数据及上报该测量横断面的平均流量测量结果；
28.运算放大模块：用于将扭矩传感器2产生的微弱电压进行放大，微控制器对放大后的电压信号进行ad转化采样。
29.用于伸入明渠内测量的测流竖直刚杆5为耐腐蚀轻质大刚度圆柱形直杆。
30.流量监测控制器4采用低功耗设计，采用低功耗微控制器，工作时只启动必要模块，扭矩传感器2及超声波水位计3在工作时需要消化的能量也比较小，以实现本装置低功耗运行。
31.上述扭矩式明渠低功耗自动测流装置在自动测流时，采用以下步骤：
32.步骤一、将扭矩传感器2、超声波水位计3及流量监测控制器4与水平底座1连接并固定，随后将测流竖直刚杆5与扭矩传感器2连接并通过m3螺丝固定；将组装好的测流装置架设在待测明渠横断面上，并将水平底座1调平；
33.步骤二、通过流量监测控制器4的基本参数输入模块设置待测明渠的几何参数和测流控制参数，如采样时间dt等，输入并存储于于存储器内，在设定完成后，通过基本参数输入模块或远程控制中心启动所述扭矩式明渠低功耗自动测流装置开始测流，流量监测控制器4按照设定的测量时段dt及设定的采样频率f，同时采集被测明渠横断面的水位和扭矩传感器2的扭矩值，获得一系列被测明渠横断面cs的水深h
x
及扭矩传感器的扭矩值m
y
数据。
34.步骤三、被测明渠横断面cs的过流流量计算：
35.流量监测控制器4得到的一系列被测明渠横断面cs的水深h
x
及扭矩传感器2的扭矩值m
y
数据输出给瞬时流量监测计算模块，瞬时流量监测计算模块首先采用限幅消抖滤波法对输入的一系列被测明渠横断面cs的水深h
x
及扭矩传感器2的扭矩值m
y
数据进行滤波，计算出滤波后的明渠水深h及扭矩传感器的扭矩值m，随后依据圆柱绕流模型，推导了基于上述参数的dt时段平均过流流量计算方法如下：
36.刚杆受到绕流水流给予的总阻力大小可表示为：
[0037][0038]
扭矩传感器2受到的扭矩大小可表示为：
[0039][0040]
又由面积流速法知：
[0041][0042]
从而得到
[0043]
其中：：刚杆在dt时段的平均总阻力大小；：刚杆的绕流阻力系数； ：刚杆与流速垂直方向的迎流投影面积；：被测水流的密度；：被测断面在dt时段的平均流速；：扭矩传感器在dt时段的平均扭矩大小；：刚杆的长度；：力臂修正系数；：明渠在dt时段的平均水深；：被测断面在dt时段的平均过流面积；：被测断面宽度；：
被测断面在dt时段的平均流量。
[0044]
在上述步骤二中，设定的测量时段dt在1秒~3秒之间选择，采样频率f在每秒10~50次之间选择，每个测量时段dt计算一次所诉明渠水深h及扭矩传感器的扭矩值m，在计算明渠水深h及扭矩传感器的扭矩值m时，采用的是限幅消抖滤波法，即多次采样，采用得到的数据存放于数组内，随后采用快速排序算法对数组内元素进行排序，再取数组中间的元素作为滤波后的结果。
[0045]
具体实施例1
[0046]
下面结合附图对本实用新型的实施方式作出详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。
[0047]
如附图1
‑
4所示，本实用新型扭矩式明渠低功耗自动测流装置由架设在明渠上方的流量测量装置和设置在流量测量装置上的流量监测控制器组构成。
[0048]
其中的流量测量装置，包括用于架设在明渠上方的水平底座1，与水平底座连接的是扭矩传感器2、超声波水位计3和流量监测控制器4，如附图2所示。
[0049]
其中的水平底座1架设在明渠测流横断面上，为工字形结构，设有四个可调脚杯6及两个互相垂直的普通式普通式长水准泡7；可调脚杯及普通式普通式长水准泡用于水平底座的调平；扭矩传感器2通过四个m3螺丝固定于水平底座梁的中部侧壁；超声波水位计3通过两个m3螺丝固定于水平底座梁的中部侧面；流量监测控制器4通过两个m3螺丝固定于水平底座梁的侧面；测流竖直刚杆5与扭矩传感器2连接并通过m3螺丝固定；扭矩传感器2与超声波水位计3通过线缆与流量监测控制器4连接。
[0050]
如附图4所示，流量监测控制器，包括基本参数输入模块，用于设置明渠的几何参数和测流控制参数并存储于存储器内；控制模块，用于控制超声波水位计3测量明渠水位和扭矩传感器2测量扭矩，在设定的测量时段内按照设定的采样频率，同时采集明渠水位和扭矩传感器的扭矩值；瞬时流量监测计算模块，用于按照在设定的测量时段内采用限幅消抖滤波法计算出滤波后的明渠水位及扭矩传感器的扭矩值，计算在设定的测量时段内被测量横断面的平均流量；显示模块，用于显示该测量横断面的平均流量测量结果；gprs无线通信模块，用于接收远程控制中心发送的指令数据及上报该测量横断面的平均流量测量结果；运算放大模块，用于将扭矩传感器产生的微弱电压进行放大，微控制器对放大后的电压信号进行ad转化采样。
[0051]
如附图1
‑
5所示，本实用新型扭矩式明渠低功耗自动测流装置的测流方法，包括下述步骤：
[0052]
步骤一、将扭矩传感器、超声波水位计及流量监测控制器与水平底座连接并固定，随后将测流竖直刚杆与扭矩传感器连接固定；将组装好的测流装置架设在待测明渠横断面上，并将水平底座调平；
[0053]
步骤二、通过流量监测控制器的基本参数输入模块设置待测明渠的几何参数和测流控制参数，如采样时间dt等，输入并存储于于存储器内；在设定完成后，通过基本参数输入模块或远程控制中心启动扭矩式明渠低功耗自动测流装置开始测流，流量监测控制器按照设定的测量时段dt及设定的采样频率f，同时采集被测明渠横断面的水位和扭矩传感器的扭矩值，获得一系列被测明渠横断面cs的水深h
x
及扭矩传感器的扭矩值m
y
数据。
[0054]
步骤三、被测明渠横断面cs的过流流量计算：
[0055]
流量监测控制器得到的一系列被测明渠横断面cs的水深h
x
及扭矩传感器的扭矩值m
y
数据输出给瞬时流量监测计算模块，瞬时流量监测计算模块首先采用限幅消抖滤波法对输入的一系列被测明渠横断面cs的水深h
x
及扭矩传感器的扭矩值m
y
数据进行滤波，计算出滤波后的明渠水深h及扭矩传感器的扭矩值m，随后依据圆柱绕流模型，推导了基于上述参数的dt时段平均过流流量计算方法如下：
[0056]
刚杆受到绕流水流给予的总阻力大小可表示为：
[0057][0058]
扭矩传感器受到的扭矩大小可表示为：
[0059][0060]
又由面积流速法知：
[0061][0062]
从而得到
[0063]
其中：：刚杆在dt时段的平均总阻力大小；：刚杆的绕流阻力系数； ：刚杆与流速垂直方向的迎流投影面积；：被测水流的密度；：被测断面在dt时段的平均流速；：扭矩传感器在dt时段的平均扭矩大小；：刚杆的长度；：力臂修正系数；：明渠在dt时段的平均水深；：被测断面在dt时段的平均过流面积；：被测断面宽度；：被测断面在dt时段的平均流量。
[0064]
在上述的实施步骤二中，设定的测量时段dt在1秒~3秒之间选择，采样频率f在每秒10
‑
50次之间选择，每个测量时段dt计算一次明渠水深h及扭矩传感器的扭矩值m，在计算明渠水深h及扭矩传感器的扭矩值m时，采用的是限幅消抖滤波法，即多次采样，采用得到的数据存放于数组内，随后采用快速排序算法对数组内元素进行排序，再取数组中间的元素作为滤波后的结果。