一种明渠实验水槽生成均匀流的自动调节装置及调节方法
【专利摘要】本发明公开了一种明渠实验水槽生成均匀流的自动调节装置及调节方法，通过自动水位仪不断获取数据反馈给计算机，由计算机对比目标水位后，再控制交流电机正转或反转带动蜗杆、蜗轮转动并拖动水槽上下游支撑端铅直升降，实现水槽底坡的自动调节，直至均匀流的生成，通过标定实验获取水槽底坡变化量、水槽初始底坡及水面坡度之间关系，并将水槽底坡变化量转换成交流电机旋转角度，从而实现水位仪自动获取数据指示交流电机转动调节水槽底坡进而生成均匀流。本发明可以避免常规方法通过人工观测水位测针或标度尺的水位读数后计算水深，再反复手动调节水槽底坡生成均匀流，大幅减小了中间环节，缩短了调节时间，提高了调节精度，实现了智能控制。
【专利说明】一种明渠实验水槽生成均匀流的自动调节装置及调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及利用明渠实验水槽实验段进出口断面水位的自动监测信息自动控制 交流电机调节水槽底坡以实现恒定均匀流的【技术领域】，尤其涉及一种明渠实验水槽生成均 匀流的自动调节装置及调节方法。
【背景技术】
[0002] 明渠水槽实验可预测河流演变规律，优化工程方案，是进行河流河势规划、沿岸防 洪规划、流域国民经济可持续发展规划不可或缺的有力工具，广泛应用于水利工程、港口工 程及航道工程等基础理论与工程实践研究中。明渠水槽与水槽实验所取得成果的好坏有着 密切的关系。明渠水槽按其功能和用途可分为两类，一类是平坡水槽，水槽底坡固定不变， 主要用于大尺度的河工模型实验；另一类为变坡水槽，水槽底坡可按要求在一定范围内调 整，主要用于糙率实验、推移质泥沙实验和水力稳定性实验等方面的基础流体力学实验。而 绝大部分基础流体力学实验均是在恒定均匀流条件下进行的，要求水槽具有变坡功能，以 便恒定均匀流场条件的生成。
[0003] 目前明渠实验水槽变坡生成均匀流的变坡功能为采用如图1所示的调节装置，包 括：固定铰支座12、交流电机13、涡杆14、涡轮15、丝杆16、丝杆导轨17,其控制方式是：交 流电机13正转或反转带动蜗杆14转动，涡杆14将动力传递给蜗轮15,涡轮15带动丝杆16 沿着固定在地面基座上的丝杆导轨17上下移动，固定铰支座12支撑的水槽上游端不动，固 定在水槽下游端的丝杆16能够拖动明渠水槽下游支撑端在铅直方向升降，并在标定好升 降极限位置的行程限位安全控制器的控制下，调节明渠水槽底坡在一定范围内变化，再通 过沿明渠水槽方向5个位置处布置的水位测针或标度尺测量水深，直到5个位置处的水深 相等时，认为水槽中恒定均匀流生成。而此时明渠水槽底坡i可通过相对于事先标定过的 零坡位置时的水槽下游支撑点在铅直方向上移动的距离L v和上游端固定铰支座到下游高 程可变支撑点之间的长度Lh来确定，即V ^这种方法通过布设在明渠水槽不同位置处 的水位测针或标度尺测量水深，并将水深相等作为生成恒定均匀流的判定准则指导实验 人员操作交流电机13正转或反转带动蜗杆14转动，涡杆14将动力传递给蜗轮15,涡轮15 带动丝杆16沿着固定在地面基座上的丝杆导轨17上下移动，明渠水槽上游端固定，固定在 水槽下游端的丝杆16能够拖动明渠水槽下游支撑端在铅直方向升降，从而实现明渠水槽 底坡的反复调节，直至恒定均匀流的生成。整个操作过程不仅需要人工反复读取水位和计 算水深，还需要根据所计算的水深人为操控交流电机往复不停的调节明渠水槽底坡成百上 千次后才能生成恒定均匀流。因此，利用水位测针或标度尺测量的水深相等作为生成恒定 均匀流的判定准则指导实验人员手动往复调节明渠实验水槽下游支撑端高程实现底坡变 化进而生成恒定均匀流的方法存在调节时间长、操作环节多、调节精度低、容易因高程调节 时水槽一端突然升降而引起水槽内全流场水流的系统震荡、需要融合经验和主观判断才能 完成整个操作过程等诸多问题。
[0004] 因此，需要提供一种明渠实验水槽生成均匀流的自动调节装置及调节方法来解决 上述问题。
【发明内容】
[0005] 为了解决该问题，本发明公开了一种明渠实验水槽生成均匀流的自动调节装置及 调节方法，它是通过水槽中间位置处的固定铰支座支撑和上、下游支撑端高程同步调节实 现明渠水槽变坡，不再利用固定水槽上游端而调节下游端高程进行水槽底坡调节，水槽底 坡的调节也只需要依据自动水位仪的反馈数据控制电机的转动角度就能完成，有效避免了 因高程调节时水槽一端突然升降而引起的全流场水流的系统震荡，大幅减小了中间环节， 缩短了调节时间，提高了调节精度。
[0006] 较佳地，本发明提供了一种明渠实验水槽变坡生成均匀流的自动调节装置及调节 方法，它是通过交流电机与涡杆刚性连接，涡杆与涡轮连接，涡轮与传动轴、传动轴与二级 涡杆刚性连接，二级涡杆与二级涡轮连接、二级涡轮与丝杆连接，丝杆固定在水槽上、下游 支撑端，丝杆导轨固定在地面基座上，固定铰支座支撑于水槽中间位置处，基于上述连接， 交流电机转动可直接传递给丝杆，丝杆带动明渠水槽上、下游支撑端在铅直方向同步升、降 而使水槽底坡产生变化，通过标定实验获取交流电机转动引起的水槽底坡变化量、水槽初 始底坡及水面坡度三者之间的关系，并将交流电机转动引起的水槽底坡变化量转换成交流 电机的旋转角度，从而实现了水位仪自动获取水位数据并反馈给计算机、计算机通过水位 数据计算水面坡度和初始底坡并依据二者差值所转换成的交流电机的旋转角度控制交流 电机转动、交流电机转动带动水槽底坡变化的明渠实验水槽生成恒定均匀流的智能化调 节。本发明可以避免常规方法通过人工反复读取水位测针或标度尺的水位读数后计算水 深，再将水深相等作为生成恒定均匀流的判定准则指导实验人员手动操作交流电机反复调 节明渠实验水槽底坡，也有效避免了明渠水槽上游端固定时调节下游端高程变幅过大引起 的全流场水流的系统震荡，大幅减小了中间环节，缩短了调节时间，提高了调节精度，实现 了明渠实验水槽变坡生成恒定均匀流的智能调节。
[0007] 较佳地，本发明一种明渠实验水槽生成均匀流的自动调节装置及调节方法，通过 自动水位仪不断获取数据反馈给计算机，由计算机对比目标水位后，再控制交流电机正转 或反转带动蜗杆、蜗轮转动并拖动水槽上下游支撑端铅直升降，实现水槽底坡的自动调节， 直至均匀流的生成，通过标定实验获取水槽底坡变化量、水槽初始底坡及水面坡度之间关 系，并将水槽底坡变化量转换成交流电机旋转角度，从而实现水位仪自动获取数据指示交 流电机转动调节水槽底坡进而生成均匀流。本发明可以避免常规方法通过人工观测水位测 针或标度尺的水位读数后计算水深，再反复手动调节水槽底坡生成均匀流，大幅减小了中 间环节，缩短了调节时间，提高了调节精度，实现了智能控制。
[0008] 为实现上述目的，本发明将采取以下的技术方案：
[0009] -种明渠实验水槽变坡生成均匀流的自动调节装置，包括水位仪、计算机、交流电 机、固定铰支座、蜗杆、涡轮、传动轴、二级涡杆、二级涡轮、丝杆、丝杆导轨，水位仪与计算机 相连，计算机与交流电机相连，交流电机与涡杆刚性连接，涡杆与涡轮连接，涡轮与传动轴、 传动轴与二级涡杆刚性连接，二级涡杆与二级涡轮连接、二级涡轮与丝杆连接，丝杆固定在 水槽上、下游支撑端，丝杆导轨固定在地面基座上，固定铰支座支撑于水槽中间位置处，基 于上述连接，交流电机与丝杆实现了传动连接，从而计算机控制交流电机转动带动水槽上、 下游支撑端铅直升降，实现了明渠水槽底坡的自动调节变化。
[0010] 一种明渠实验水槽变坡生成均匀流的自动调节方法，包括以下步骤：
[0011] 1、水槽实验段进出口处布置的2个自动水位仪按设定的测量频率自动获取水位 数据到计算机，计算机根据每组水位数据计算水面坡度，如果水面坡度与明渠水槽初始底 坡的差值为零，恒定均匀流已生成，否则计算机将根据每组差值指示交流电机正转或反转 带动涡杆转动，涡杆将动力传递给涡轮，涡轮与传动轴、传动轴与二级涡杆刚性连接，涡轮 通过刚性连接带动二级涡杆转动，二级涡杆将动力传递给二级涡轮，二级涡轮带动丝杆沿 着固定在地面基座上的丝杆导轨上下移动，明渠水槽中部用固定铰支座支撑，固定在水槽 上、下游支撑端上的丝杆能够拖动明渠水槽上、下游支撑端在铅直方向同步升降，从而实现 了明渠水槽底坡的反复调节。
[0012] 2、通过标定实验获取交流电机转动引起的水槽底坡变化量、水槽初始底坡及水面 坡度三者之间的关系，并将交流电机转动引起的水槽底坡变化量转换成交流电机旋转角 度，从而实现自动调节水槽底坡生成明渠恒定均匀流。
[0013] 其中，水槽底坡变化量与水面坡度和水槽初始坡度的关系满足下式：
[0014] iw=if+A if
【权利要求】
1. 一种明渠实验水槽生成均匀流的自动调节装置，它包括自动水位仪（1)、计算机 (2)、交流电机（3)、固定铰支座（4)、蜗杆（5)、涡轮（6)、传动轴（7)、二级涡杆（8)、二级涡 轮（9)、丝杆（10)、丝杆导轨（11)，其特征在于，所述的自动水位仪（1)与计算机（2)相连， 计算机⑵与交流电机⑶相连，交流电机⑶与涡杆（5)刚性连接，涡杆（5)与涡轮（6) 连接，涡轮（6)与传动轴（7)、传动轴（7)与二级涡杆（8)刚性连接，二级涡杆（8)与二级涡 轮（9)连接、二级涡轮（9)与丝杆（10)连接，丝杆（10)固定在水槽上，丝杆导轨（11)固定 在地面基座上，固定铰支座（4)支撑于水槽中间位置处，基于上述连接，交流电机（3)与丝 杆（10)实现了传动连接，从而计算机（2)控制交流电机（3)转动带动水槽上、下游支撑端 铅直升降，实现了明渠水槽底坡的自动调节变化。
2. 根据权利要求1所述的一种明渠实验水槽生成均匀流的自动调节装置，其特征在 于，所述的自动调节方法，包括以下步骤： 1、 自动调节明渠实验水槽底坡生成均匀流时，如图2和3所示，水槽实验段进出口处布 置的二个自动水位仪（1)按设定的测量频率自动获取水位数据到计算机（2)，计算机（2)根 据每组水位数据计算水面坡度，如果水面坡度与明渠水槽初始底坡的差值为零，恒定均匀 流已生成，否则计算机（2)将根据每组差值指示交流电机（3)正转或反转带动涡杆（5)转 动，涡杆（5)将动力传递给涡轮（6)，涡轮（6)与传动轴（7)、传动轴（7)与二级涡杆（8)刚 性连接，涡轮（6)通过刚性连接带动二级涡杆（8)转动，二级涡杆（8)将动力传递给二级涡 轮（9)，二级涡轮（9)带动丝杆（10)沿着固定在地面基座上的丝杆导轨（11)上下移动，明 渠水槽中部用固定铰支座（4)支撑，固定在水槽上、下游支撑端上的丝杆（10)能够拖动明 渠水槽上、下游支撑端在铅直方向同步升降，从而实现了明渠水槽底坡的反复调节。利用标 定实验获取交流电机（3)转动引起的水槽底坡变化量Ai f、水槽初始底坡if及水面坡度iw 等参量的关系，该关系如下： Δ if=iw-if 2、 根据上式计算出从初始底坡调整达到与水面坡度相等时的底坡变化量。通过标定实 验获取交流电机（3)转动引起的水槽底坡变化量、水槽初始底坡及水面坡度三者之间的关 系，并将交流电机（3)转动引起的水槽底坡变化量转换成交流电机（3)旋转角度，从而实现 自动水位仪（1)自动获取数据调节交流电机（3)转动角度生成恒定均匀流。 3、 根据权利要求2所述的一种明渠实验水槽生成均匀流的自动调节方法，其特征在 于，利用下式将水槽底坡变化量转换成交流电机旋转角度
其中，ALV为上、下游支撑端处丝杆升、降高程差，Lh为固定铰支座与上游或下游支撑 端之间距离，氏为水槽实验段进口水位值，H2为水槽实验段出口水位值，L为上、下游水位仪 之间距离，Δ a d为交流电机转动角度，Zi为涡杆头数，z2为涡轮齿数，z3为丝杆头数，p为 丝杆螺距。
【文档编号】G05D9/12GK104090588SQ201410100151
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】房世龙, 吴丽华, 吉顺莉, 倪飞, 施小飞, 赵苏政, 郑红娟, 朱亮, 周春煦 申请人:南通航运职业技术学院