基于多普勒频移的明渠流量测量装置及方法

1.本发明属于流量计量技术领域，涉及基于多普勒频移的明渠流量测量装置，还涉及基于多普勒频移的明渠流量计量方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国水利建设快速发展，明渠流量计监测系统由于其适用于水库、河流、水利工程、城市供水、污水处理、农田灌溉、水政水资源等矩形、梯形明渠及涵洞的流量测量，应用甚广。
3.按照测量原理的不同，渠系流量计量分为堰槽流量计、电磁流量计、超声流量计、涡街流量计、容积流量计、差压流量计等，按照渠道类型又可以分为明渠流量计和管道流量计。明渠流量计主要应用于农田灌溉排水渠，现有的农田灌溉排水渠系流量计量方式存在如下主要问题：测量结果受水中漂浮物、气泡和水位大幅度变化；未考虑到大颗粒石子或石块若沉积在测量底板会使得水位变高，从而影响测量精度。总的来说，传统的农田灌溉排水渠系流量计量方式及设备有待改进，以提升测量精度和准确性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供基于多普勒频移的明渠流量测量装置，避免了水中漂浮物等杂物影响，实现了排水渠系中水与水中固体颗粒反射超声波的频率变化的测量，该频率变化可用于计算排水渠系的水流量。
5.本发明的另一目的是提供基于多普勒频移的明渠流量计量方法，根据排水渠系中水与水中固体颗粒反射超声波的频率变化计算排水渠系的水流量。
6.本发明所采用的第一种技术方案是，基于多普勒频移的明渠流量测量装置，包括巴氏槽，巴氏槽由中部分别向两端方向宽度增大，巴氏槽一端端口设置有过滤组件，过滤组件包括由巴氏槽端口向巴氏槽中方向依次设置的两个或两个以上过滤板，巴氏槽上方设置有收发超声波信号一体化的超声波传感器探头。
7.本发明的特点还在于，
8.巴氏槽包括槽底板，槽底板上对称固定有两槽侧板，槽侧板与槽底板通过螺钉相互垂直固定，两槽侧板之间的距离由中部分别向两端方向宽增大。
9.槽侧板由三块槽侧板依次连接，相邻两槽侧板端部通过轴铰接。
10.巴氏槽的槽侧板中部上固定有槽身延长架，槽身延长架包括分别固定在两槽侧板顶端的宽度固定梁，宽度固定梁上沿其长度方向均匀开设有多个螺栓孔，两宽度固定梁上下对应设置。
11.两槽侧板上固定有探头支架，探头支架上开设有螺栓移动长槽，探头支架上通过连接螺栓、螺母固定有探头固定板，连接螺栓位于螺栓移动长槽中，超声波传感器探头固定于探头固定板上。
12.过滤板设置有两个，包括平行设置的过滤板a和过滤板b，过滤板a和过滤板b均与
巴氏槽的槽底板垂直，过滤板a位于巴氏槽一端端口，过滤板b位于巴氏槽内，过滤板a上的过滤孔孔径大于过滤板b上的过滤孔孔径。
13.巴氏槽两槽侧板均设置有过滤板一端的端头设置有过滤板夹，过滤板夹将过滤板a一端、过滤板b一端以及槽侧板端头夹持固定
14.本发明采用的第二种技术方案是，基于多普勒频移的明渠流量计量方法，本发明的明渠流量测量装置进行计量，具体按照以下步骤实施：
15.步骤1、水流经过滤组件过滤后流入巴氏槽中，超声波传感器探头从巴氏槽上方发射频率为f0的初始超声波，初始超声波分别经巴氏槽水流中的固体颗粒反射和巴氏槽中水反射，超声波传感器探头分别接收到频率为f1的固体颗粒反射超声波和频率为f2的水反射超声波，根据固体颗粒反射超声波和水反射超声波求得多普勒频移，
[0016][0017]
式(1)中，
△
f为多普勒频移；θ为超声波传感器探头发出超声波的方向与流体运动方向之间的夹角；f0为初始声波频率；v为水流中固体颗粒的平均流速，也是水流的平均流速；c为声源在介质中的传播速度；
[0018]
步骤2、计算水流的平均流速v，因此，
[0019][0020]
步骤3、计算灌溉排水渠的水流量q，
[0021][0022]
式(3)中，q为断面的瞬时流量，a为渠道的界面面积。
[0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
本发明基于多普勒频移的明渠流量测量装置，对水流产生阻力小、结构简单、体积小，使用方便，用于测量排水渠系中水与水中固体颗粒反射超声波的频率变化即多普勒频移，测量时能够有效避免水中漂浮物、气泡和水位大幅度变化测量结果带来的影响，同时由于非接触式测量避免了被测流体温度、压力、黏度、密度等因素的影响，测量精度高，保证了多普勒频移测量的准确性，测量结果可用于准确计算排水渠系的水流流量。
[0025]
本发明基于多普勒频移的明渠流量计量方法，应用本发明的明渠流量测量装置非接触式测量排水渠系中水与水中固体颗粒反射超声波的频率变化，根据多普勒频移计算排水渠系的水流流量，简单易行，计量准确，且计量效率高。
附图说明
[0026]
图1是本发明基于多普勒频移的明渠流量测量装置的结构示意图；
[0027]
图2是本发明基于多普勒频移的明渠流量测量装置的结构分解图；
[0028]
图3是本发明基于多普勒频移的明渠流量测量装置的探头固定架结构示意图；
[0029]
图4是本发明基于多普勒频移的明渠流量测量装置的超声波传感器探头局部示意图。
[0030]
图中，101.槽底板，102.过滤板夹，103.过滤板a，104.过滤板b，105.槽侧板，106.
探头支架，107.超声波传感器探头，108.槽身延长架，109.探头固定板，110.连接螺栓。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0032]
本发明基于多普勒频移的明渠流量测量装置，如图1所示，包括巴氏槽，巴氏槽包括槽底板101，槽底板101上对称固定有两槽侧板105，槽侧板105与槽底板101通过螺钉相互垂直固定，两槽侧板105之间的距离由中部分别向两端方向宽增大，槽侧板105由三块槽侧板依次连接，相邻两槽侧板105端部通过轴铰接，开口程度可以调节，利用巴氏槽这一结构使得测量范围大，且测量不受支流面回水或水位大幅度变化的影响，并且安装方便，标准渠道不需要改造可直接安装，安装施工成本低。
[0033]
如图2所示，巴氏槽一端端口设置有过滤组件，过滤组件包括由巴氏槽端口向巴氏槽中方向依次设置的两个过滤板，包括平行设置的过滤板a103和过滤板b104，过滤板a103和过滤板b104均与巴氏槽的槽底板101垂直，过滤板a103位于巴氏槽一端端口，过滤板b104位于巴氏槽内，巴氏槽两槽侧板105均设置有过滤板一端的端头设置有过滤板夹102，过滤板夹102将过滤板a103一端、过滤板b104一端以及槽侧板105端头夹持固定，过滤板夹102依据巴氏槽身设计，牢牢地将过滤板a103过滤板b104与槽侧板105固定住，过滤板a103上的过滤孔孔径大于过滤板b104上的过滤孔孔径，形成两级过滤，使超声波传感器探头107测量不受水中漂浮物、气泡等对超声波频率测量的影响。
[0034]
巴氏槽的槽侧板中部上固定有槽身延长架108，槽身延长架108包括分别固定在两槽侧板105顶端的宽度固定梁，宽度固定梁上沿其长度方向均匀开设有多个螺栓孔，两宽度固定梁上下对应设置，通过螺栓固定上下两宽度固定梁，提高了巴氏槽槽侧板105的稳定性，使槽侧板105上下两端均得到固定，并且宽度固定梁设置多个螺栓孔可以适应不同巴氏槽宽度。
[0035]
巴氏槽上方设置有收发超声波信号一体化的超声波传感器探头107，超声波传感器探头107不与水流接触，有效避免超声波频率测量被测流体温度、压力、黏度、密度等因素影响，两槽侧板105上固定有探头支架106，如图3所示，探头支架106上开设有螺栓移动长槽，探头支架106上通过连接螺栓110、螺母固定有探头固定板109，连接螺栓110位于螺栓移动长槽中，如图4所示，超声波传感器探头107固定于探头固定板109上。
[0036]
本发明基于多普勒频移的明渠流量计量方法，应用本发明的明渠流量测量装置进行计量，具体按照以下步骤实施：
[0037]
步骤1、水流经过滤组件过滤后流入巴氏槽中，超声波传感器探头从巴氏槽上方发射频率为f0的初始超声波，初始超声波分别经巴氏槽水流中的固体颗粒反射和巴氏槽中水反射，超声波传感器探头分别接收到频率为f1的固体颗粒反射超声波和频率为f2的水反射超声波，根据固体颗粒反射超声波和水反射超声波求得多普勒频移，
[0038][0039]
式(1)中，c》》vcosθ，
△
f为多普勒频移；θ为超声波传感器探头发出超声波的方向与流体运动方向之间的夹角；f0为初始声波频率；v为水流中固体颗粒的平均流速，也是水流的平均流速；c为声源在介质中的传播速度；
[0040]
步骤2、计算水流的平均流速v，因此，
[0041][0042]
步骤3、计算灌溉排水渠的水流量q，
[0043][0044]
式(3)中，q为断面的瞬时流量，a为渠道的界面面积即渠道的横断面面积。
[0045]
通过上述内容可知，本发明基于多普勒频移的明渠流量计量方法，通过本发明的明渠流量测量装置非接触式测量排水渠系中水与水中固体颗粒反射超声波的频率变化，测量准确且精度高，根据多普勒频移计算排水渠水流流速，最终计算排水渠的流量，计算过程简洁清楚，且不受水中杂物、支流面回水或水位大幅度变化的影响，计量准确性高。