專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量河流水平平均流速的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用超聲波測(cè)量河水流率的技術(shù)，特別涉及使用超聲束在多個(gè)深度測(cè)量水平平均流速，以計(jì)算較大的河或排水道敞開(kāi)溝的水流率的方法。傳統(tǒng)的敞開(kāi)溝的流速測(cè)量方法使用超聲波來(lái)計(jì)算敞開(kāi)溝的流率，如下如

圖1所示，多個(gè)成對(duì)的超聲振子A1和B1，A2和B2，A3和B3…沿敞開(kāi)溝的至少一側(cè)的邊緣安裝在預(yù)定的水深位置，與流速的方向V形成一定的角度φ。從Ai到Bi和從Bi到Ai的超聲波傳輸時(shí)間tAB和tBA測(cè)量如下tAB=LC+Vcosφ-------(a)]]>tBA=LC-Vcosφ------(b)]]>其中，C為水中超聲波傳輸速度(以下稱(chēng)為“聲速”)，V是水平平均流速，L是振子Ai到Bi間的距離。
傳輸時(shí)間差Δt(=tBA-tAB)根據(jù)表達(dá)式(a)和(b)計(jì)算如下Δt=tBA-tAB=2LVcosφC2-------(c)]]>其中流速V如下V=ΔtC22Lcosφ=ΔtC22d------(1)]]>聲速的平方C2如下C2=L2tABtBA]]>如果將上述表達(dá)式代入表達(dá)式(1)中，則流速測(cè)量表達(dá)式為V=L22dtBAtABtABtBA------(2)]]>上述超聲流速測(cè)量方法稱(chēng)為“超聲傳輸時(shí)間差方法”，其從美國(guó)Ultraflux Co．生產(chǎn)的Model UF2100 CO具體得來(lái)。UF2100 CO流量計(jì)使用如下流速測(cè)量式V=L22d(1tAB-1tBA)]]>結(jié)果，其等于式(2)。L22d(1tAB-1tBA)=L22dtBA-tABtABtBA]]>可用于管子和敞開(kāi)溝流量進(jìn)行測(cè)量的的公知的超聲流量計(jì)使用超聲傳輸時(shí)間差的方法來(lái)測(cè)量流速。除了傳輸時(shí)間差方法，還可用頻率和相位差方法來(lái)測(cè)量流速，但它們基于超聲傳輸時(shí)間。布置超聲振子的方法也與圖1的相同。
如果河流較寬，則測(cè)量水平平均流速的現(xiàn)有技術(shù)將會(huì)引起如下問(wèn)題首先，當(dāng)根據(jù)在多個(gè)深度測(cè)量的水平平均流速計(jì)算河流的流率時(shí)，選擇與水流方向垂直的敞開(kāi)面積或自由截面S，因此流率Q計(jì)算如下Q=Vs·S (3)其中，Vs是與自由截面積S垂直的自由截面平均流速。因此，測(cè)量多個(gè)水深處平均截面流速Vs，可計(jì)算出流率。
另一方法是，將局部面積Si乘以流速Vi得出局部流速，然后將所有局部流率相加。其與Model UF2000 CO使用的流率計(jì)算方法相同，如下Q=∑n(ViSi)]]>不論通過(guò)哪個(gè)方法，在超聲波以不同的形式傳播的間隔距離d中都有不同的截面，這些截面彼此不同，如圖2所示。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)超聲波傳播或在流速的影響下沿線L傳播，根據(jù)相應(yīng)點(diǎn)處河溝的形狀，L線上多個(gè)點(diǎn)處流速不同。由超聲波測(cè)量的流速是平均流速，當(dāng)對(duì)此平均流速不能確定它是否與某個(gè)截面相關(guān)。為此，需要為其選擇輔助截面。這會(huì)導(dǎo)致較大的流率測(cè)量誤差。例如，當(dāng)河的寬度為500m，角度φ為45°，距離d為500m，但在這樣的距離d中有同樣的自由截面的自然的河流幾乎不存在。如果附加選擇自由截面，則不能高可靠性地估計(jì)流率測(cè)量誤差。
其次，可較好地產(chǎn)生回轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn))分量和斜交角的流速產(chǎn)生。
如圖3所示，要測(cè)量的流速是垂直于截面S的流速V⊥。如果流速V的方向與流速V⊥的方向相對(duì)應(yīng)，并與超聲波傳播的線L成一角度φ，則由傳輸時(shí)間差流速測(cè)量式(2)計(jì)算的結(jié)果是流速V⊥。但是，如果流速方向與線L成φ+α角，則根據(jù)式(2)計(jì)算流速會(huì)引起較大的誤差。由圖3所示，導(dǎo)出相關(guān)的公式，并使用超聲束測(cè)量流速如下V=L22Lcos(φ+α)tBA-tABtABtBA------(d)]]>但是，當(dāng)在不確定的條件下由公式(2)計(jì)算斜流角α?xí)r，結(jié)果如下V′=L22LcosφtBA-tABtABtBA------(e)]]>用于計(jì)算流率的流速應(yīng)如下求得V⊥=Vcosα=L2cosα2Lcos(φ+α)tBA-tABtABtBA-----(f)]]>因此，V’作為V⊥，V⊥的測(cè)量誤差δv表示如下 如果角度φ為45°，tanφ等于1，且δv等于-tanα。如果斜流角α在1-10°的范圍內(nèi)變化，則V⊥的測(cè)量誤差δv達(dá)到1．745-17．63％。通常河流的斜流角α為2-3°。即使超聲傳輸時(shí)間，線L和距離d能被精確測(cè)量，則流速V⊥的測(cè)量誤差δv為3．5-5．2％，這構(gòu)成了流速測(cè)量中的一個(gè)問(wèn)題。
再次，使用超聲波時(shí)會(huì)發(fā)生問(wèn)題。超聲脈沖會(huì)由于大量的諧波分量而嚴(yán)重衰減。如果線L較長(zhǎng)，不僅很難保證足夠的接收強(qiáng)度，也會(huì)引起傳輸時(shí)間的較大誤差。
如圖4A，4B和4C所示，在傳輸時(shí)，兩種超聲脈沖是不同的。通常，使用沖擊脈沖(圖4B)。隨著回轉(zhuǎn)分量的流速或懸浮顆粒的濃度變化，超聲脈沖大量被吸收或分散。這引起接收信號(hào)的幅值嚴(yán)重波動(dòng)。為此，當(dāng)抓取超聲脈沖的接收時(shí)間點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)于超聲頻率的一個(gè)或兩個(gè)周期會(huì)產(chǎn)生超聲傳輸時(shí)間的測(cè)量誤差。為了減小超聲傳輸時(shí)間的測(cè)量誤差，不能輔助增加河流中的超聲脈沖的頻率。頻率越高，吸收衰減發(fā)生的越大。另外，由于懸浮顆粒的影響，產(chǎn)生的分散也越大。因此，最好是降低頻率，但是頻率降低，超聲脈沖的強(qiáng)度降低，引起空穴現(xiàn)象。這意味著不能在河流中以超過(guò)某個(gè)強(qiáng)度來(lái)傳播超聲脈沖。結(jié)果，因此適用于傳輸時(shí)間差方法的河流寬度受到很大限制。
由于這三個(gè)大問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)很難測(cè)量具有較大寬度的河流的流率。不僅如此，如果將現(xiàn)有技術(shù)用于具有相當(dāng)寬度的河流的流率的測(cè)量時(shí)，測(cè)量誤差也較大。因此，使用超聲波測(cè)量流率的方法只適于具有較小寬度的人工敞開(kāi)溝的河流。
因此，為解決以上問(wèn)題和缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量超聲水平平均流速的方法，以便計(jì)算較寬河流的流率。
本發(fā)明的另一目的是提供一種校正和試驗(yàn)用于測(cè)量超聲水平平均流速的流速測(cè)量裝置的方法。
相應(yīng)地，本發(fā)明涉及測(cè)量超聲束在被與水流方向成直角傳輸?shù)臓顟B(tài)下對(duì)應(yīng)于流速而漂移時(shí)的漂移距離的方法。
如圖5所示，超聲束在流體中從非浮動(dòng)點(diǎn)O到非浮動(dòng)點(diǎn)a傳輸。如果流體靜止不動(dòng)(V=0)，超聲束達(dá)到點(diǎn)a。但是，如果流體運(yùn)動(dòng)，則超聲波達(dá)到點(diǎn)b。點(diǎn)a和b之間的距離(漂移距離)l由下式表達(dá)l=Vt=VDC------(5)]]>其中，D為河流的寬度，C為超聲束在流體中的傳輸速度，t為超聲束通過(guò)傳輸?shù)膶挾然蜷g隔距離D的傳輸時(shí)間。
線oa和ob所形成的角度θ如下tanθ=lD=VC;]]>θ=tan-1(VC)-----(6)]]>如果超聲發(fā)射與接收的振子以與平均流速相同的速度運(yùn)動(dòng)，角度θ為0，距離l也為0。角度θ和距離l分別被稱(chēng)為“超聲漂移角”和“超聲漂移距離”，如下所述。由公式(5)和(6)導(dǎo)出流速V如下V=lt=lCD-------(7)]]>V = Ctanθ (8)因此，流速V可通過(guò)測(cè)量超聲漂移角度θ或距離l和聲速C獲得。超聲漂移現(xiàn)象是屬于普通物理學(xué)原理，其詳細(xì)的解釋在此省略。
另一方面，如果要推導(dǎo)超聲傳輸時(shí)間差流速測(cè)量公式，聲速C會(huì)由于隨流速而變化從而造成錯(cuò)誤，因?yàn)槌晜鬏敃r(shí)間表達(dá)為L(zhǎng)／(C+Vcosφ)。聲速C只隨流體特性而變化，而不受流速的影響。傳輸時(shí)間差流速測(cè)量公式由超聲漂移(偏移)導(dǎo)出。換句話(huà)說(shuō)，不應(yīng)理解為超聲漂移角θ是超聲傳輸方向的變化。傳輸方向不受影響，而根據(jù)流速傳輸。
如果公式(7)和(8)中的漂移距離l或角度θ，聲速C和傳輸時(shí)間t可被精確測(cè)量，則流速V可測(cè)得。這解決了現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)測(cè)量平均流速來(lái)計(jì)算河流流率的三個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槌暿厮x擇的水流的橫截線傳輸。它消除了與所選擇的截面S有關(guān)的煩瑣。即使接收信號(hào)幅值嚴(yán)重波動(dòng)，也不存在使用連續(xù)正弦波代替超聲脈沖放大接收信號(hào)的問(wèn)題。它解決了斜流的有關(guān)的問(wèn)題，因?yàn)榫嚯xl或角度θ根據(jù)與超聲傳輸方向成直角的分量而變化，盡管截面S與斜流速的方向所成的角度α變大。如果流速與超聲傳輸方向一致，則距離l和角度θ都成為0。
如果流速方向與超聲傳輸方向形成角度90°±α，距離l如下表述l=VcosαCD]]>θ=tan-1(VcosαC)]]>其中，V⊥(=Vcosα)是垂直于超聲傳輸方向的流速分量。
因此，如果超聲傳輸方向幾乎與被選擇來(lái)測(cè)量流率的截面S一致，則流速V⊥用于計(jì)算流率。只是，不優(yōu)選測(cè)量漂移角θ，然后由公式(8)得到V(=Ctanθ)，因?yàn)閠anθ等于l／D。例如，優(yōu)選通過(guò)公式(7)得到流速，而不用測(cè)量距離l和計(jì)算tanθ值。應(yīng)注意到，根據(jù)本發(fā)明，超聲漂移距離l可精確測(cè)量。
通過(guò)參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更為明顯，附圖中圖1是說(shuō)明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量敞開(kāi)溝的流率的原理的視圖；圖2是說(shuō)明例如河流的敞開(kāi)溝的截面積變化的視圖；圖3是說(shuō)明由于斜流造成的流速的測(cè)量誤差的視圖；圖4A，4B和4C是說(shuō)明超聲脈沖在流體中衰減的視圖5是說(shuō)明超聲束根據(jù)流速發(fā)生傳輸漂移的視圖；圖6A和6B是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例測(cè)量超聲漂移距離的方法的視圖；圖7是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的接收信號(hào)的變化曲線的圖；圖8的視圖示出了根據(jù)本發(fā)明在兩個(gè)接收振子之間進(jìn)行間隔距離選擇的情況；圖9A和9B示出了是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明，在兩個(gè)接收振子之間進(jìn)行間隔距離選擇的情況；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的測(cè)量超聲漂移距離的方法；圖11和12示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所構(gòu)造的裝置；圖13是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明，用來(lái)校正和試驗(yàn)超聲漂移距離的測(cè)量誤差的方法的視圖。
圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量超聲漂移距離的方法。超聲接收振子31和32構(gòu)成為整體的振子對(duì)，彼此間隔一定距離L。超聲發(fā)射振子1與一超聲振蕩器2連接。超聲發(fā)射振子1在水中沿自由流率測(cè)量截面S傳輸連續(xù)超聲束。參見(jiàn)圖6A，如果來(lái)自超聲發(fā)射振子1的超聲束的方向特性對(duì)稱(chēng)形成，方向角足夠小，成對(duì)的超聲接收振子31和32的中點(diǎn)(L／2的點(diǎn))與自由截面S的線一致，則當(dāng)流速V為0，超聲接收振子對(duì)31和32輸出相等的電壓信號(hào)U31和U32；例如U31等于U32。這些輸出電壓被輸入到差動(dòng)放大器4，以放大它們之間的電壓差。此時(shí)，差動(dòng)放大器4輸出信號(hào)電壓ΔU為0。ΔU=K(U32-U31)=0，其中K放大因數(shù)。
如果流速V不為0，超聲束漂移距離l；l=(V／C)·D。超聲接收振子31的輸出電壓U31小于超聲接收振子32的輸出電壓U32；ΔU=K(U32-U31)＞0。此時(shí)超聲接收振子對(duì)31和32沿與截面S垂直的方向例如X方向移動(dòng)時(shí)，ΔU減為0。當(dāng)超聲接收振子對(duì)31和32繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，ΔU變?yōu)樨?fù)值；ΔU＜0。應(yīng)注意，ΔU變?yōu)?的點(diǎn)為圖6B所示的要測(cè)量的超聲漂移距離l。
圖7表示差動(dòng)放大器4的輸出ΔU的變化曲線；ΔU=K(U32-U31)。當(dāng)差動(dòng)放大器4的放大因數(shù)K變大時(shí)，電壓差ΔU的曲線斜率增加。因此，可簡(jiǎn)單地精確抓取ΔU為0的時(shí)間點(diǎn)。例如，差動(dòng)放大器4的輸出信號(hào)被送到一比較器(未示出)，然后比較器的輸出信號(hào)操作一單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(未示出)以產(chǎn)生一給定的脈沖信號(hào)。當(dāng)超聲接收振子對(duì)31和32通過(guò)ΔU為0的位置時(shí)，該給定的脈沖信號(hào)可用于抓取時(shí)間點(diǎn)。
超聲接收振子對(duì)31和32之間的間隔距離l選擇如下參見(jiàn)圖8，可以得到在使用超聲發(fā)射振子1的方向特性聲壓變?yōu)樽畲驪／Pmax(=1，0)的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)于超聲接收振子31和32接收的聲壓P1／Pmax的點(diǎn)之間的形成角度β，隨后利用下式計(jì)算距離間隔LL=2DP1Pmaxtanβ------(9)]]>例如，當(dāng)聲壓P1被選擇具有0．95 Pmax的值時(shí)，假設(shè)角度β為0．005°，L／D為0．000166，等于0．2·0．95·tan0．05°。因此，當(dāng)河流的寬度為100m，500m，和1000m時(shí)，距離間隔L的值分別為0．166m，0．83m和1．66m。為了減小超聲接收振子對(duì)31和32的間距L，希望從發(fā)射振子1發(fā)射的超聲束的方向角較小。容易保證方向角為2-3°。當(dāng)聲壓P1／Pmax被選擇為具有較大值時(shí)，方向角β和間距L變小。為此，放大因數(shù)K和差動(dòng)放大器4的強(qiáng)度應(yīng)增加。
超聲接收振子對(duì)31和32的最小和最大移動(dòng)距離Xmin和Xmax如下Xmin=1,2lmin=1,2VminCmax·D]]>Xmax=1,2lmax=1,2VmaxCmin·D]]>因此，移動(dòng)距離間的寬度ΔX表示為ΔX=Xmax-Xmin=1,2·D(VmaxCmin-VminCmax)]]>其中，Vmax和Vmin是將要進(jìn)行平均流速測(cè)量的河流中的最大流速和最小流速，Cmax和Cmin是河流中最大和最小超聲傳輸速度，D是河流的寬度，1，2是移動(dòng)超聲接收振子對(duì)31和32的因子，以在x等于1后精確抓取ΔU為0的時(shí)間點(diǎn)。
下面舉例計(jì)算寬度ΔX，超聲接收振子對(duì)31和32的移動(dòng)距離，如果Vmin是0．5m／s，Vmax為3m／s，如果河流的水溫為約26℃，Cmax為1500m／s，如果河流的水溫為約0℃，Cmin為1423m／s，ΔX／D如下ΔXD≈0.00178]]>如果河流的寬度D為100m和500m，則ΔX分別為0．178m和0．89m。
為了解釋本發(fā)明在測(cè)量超聲漂移距離l的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)圖9A和9B說(shuō)明另一測(cè)量距離l的方法。
參見(jiàn)圖9A，一些接收振子以預(yù)定的馬賽克結(jié)構(gòu)間隔地在lmin和lmax之間布置，它電連接至一些差動(dòng)放大器的一端。差動(dòng)放大器的另一端連接至超聲接收振子31。如果超聲束的最大聲壓施加在接收振子3i上，則超聲接收振子31和3i之間的輸出電壓差由于流速而最大化。如果lmin和lmax之間的間隔除以100，電壓Vmax和Vmin之間的電壓差由一裝置例如電壓差計(jì)來(lái)測(cè)量，該電壓差計(jì)具有1／100的分辨率，則它需要100個(gè)超聲接收振子以馬賽克結(jié)構(gòu)構(gòu)成一模塊。如果電壓差ΔV為2．5m／s，Vmax-Vmin=3-0．5=2．5，則流速以0．025m／s(=2．5／100)的精度測(cè)量。此時(shí)，最小流速測(cè)量誤差為δVmin=0.025×1000.5=5%]]>該誤差是一個(gè)較大的值。
該方法應(yīng)采用馬賽克結(jié)構(gòu)模塊，包括上百個(gè)接收振子在lmin和lmax之間間隔地分布以便精確測(cè)量間距l(xiāng)。因此，接收振子3i尺寸應(yīng)較小。接收電壓也可低于一噪聲水平。實(shí)現(xiàn)該方法的裝置變得復(fù)雜。
參見(jiàn)圖9B，這里說(shuō)明另一測(cè)量距離l的方法。該方法在接收振子31固定在一給定位置而接收振子32移動(dòng)的情況下，抓取超聲接收振子對(duì)31和32之間的輸出電壓差ΔU最大的位置。
眾所周知，這些方法被用于通過(guò)抓取超聲接收振子對(duì)之間的最大電壓差ΔU的位置來(lái)測(cè)量距離l。
參見(jiàn)圖10A，一臺(tái)階曲線表示來(lái)自構(gòu)成馬賽克結(jié)構(gòu)的多個(gè)超聲接收振子的輸出信號(hào)電壓。該曲線在抓取最大電壓差ΔU的時(shí)間點(diǎn)時(shí)會(huì)由于該頂點(diǎn)的不明顯而引起較大的誤差。電壓差ΔU的變化曲線對(duì)于發(fā)射振子的方向特性是一樣的。
如果最小流速是0．5m／s，河流的寬度D是100m和聲速，距離l為33．3mm。如果要使距離l的測(cè)量誤差在1％以?xún)?nèi)，則允差距離±Δl為0．33mm。
參見(jiàn)圖10B，一個(gè)與根據(jù)超聲傳輸方向特性最大壓力Pmax為最大的位置相距為允差距離Δl為0．33mm的點(diǎn)(a)相對(duì)于超聲發(fā)射位置形成角度β；例如β等于tan(0．33mm／D)。如果河流的寬度為100m，則角度β為0．00019°。因此，盡管超聲發(fā)射振子1的方向角相對(duì)較尖，為2-3°，但不可能抓取代表最大聲壓的位置。
如果接收振子32(見(jiàn)圖9B)被快速移動(dòng)，電壓差函數(shù)ΔU(t)的曲線變化率大大增加，使得它可被整化。此時(shí)，聲壓Pmax的最大值可被抓取，但是移動(dòng)接收振子32的裝置將會(huì)復(fù)雜化。
如上所述，當(dāng)由接收振子31和32輸出的電壓差變化非整化而且使用了馬賽克式的接收振子時(shí)，如果衰減因數(shù)在超聲束傳輸時(shí)發(fā)生波動(dòng)，則不可能抓取聲壓最大時(shí)的時(shí)間點(diǎn)。此時(shí)，雖然接收振子的輸出電壓率被測(cè)量，測(cè)量的電壓率為最大的時(shí)間點(diǎn)應(yīng)被抓取，但抓取變化率最大的時(shí)間點(diǎn)的誤差較大，因?yàn)檩敵鲭妷鹤兓实姆秶苄　?br> 相反，根據(jù)本發(fā)明，盡管超聲束的強(qiáng)度在接收位置波動(dòng)，在抓取電壓差ΔU為0的時(shí)間點(diǎn)時(shí)不存在問(wèn)題。另外，接收振子31和32的移動(dòng)速度相互無(wú)關(guān)。調(diào)整接收振子31和32的間距L可保證較大的電壓差施加在差動(dòng)放大器上。另外，抓取電壓差ΔU為0的時(shí)間點(diǎn)的裝置簡(jiǎn)單。因此，本發(fā)明可精確測(cè)量超聲漂移距離l。
為了測(cè)量超聲漂移距離l并隨后計(jì)算水平平均流速V，河流的寬度D和在河流中聲速C或超聲傳輸時(shí)間t測(cè)量如下V=lt=lCD]]>此處，測(cè)量超聲傳輸時(shí)間t和聲速C的方法是公知的，其細(xì)節(jié)描述省略，因?yàn)槠洳粚儆诒景l(fā)明的技術(shù)方案。需要一代表超聲振子1在超聲發(fā)射時(shí)間的操作的信號(hào)以便測(cè)量超聲傳輸時(shí)間t。換句話(huà)說(shuō)，超聲發(fā)射振子1一側(cè)應(yīng)傳輸超聲發(fā)射信號(hào)給河流的另一側(cè)的超聲接收振子?？捎糜芯€或無(wú)線的聯(lián)絡(luò)裝置作為傳輸裝置。
另外，一種公知的測(cè)量聲速C而不是超聲傳輸時(shí)間t的方法是。例如，兩個(gè)接收振子朝超聲傳輸方向布置，彼此間隔d。然后，接收振子接收發(fā)射振子的超聲束，超聲傳輸時(shí)間t被測(cè)量，且聲速C被計(jì)算；C等于d／t。聲速C為間距d中的一個(gè)。然后，要測(cè)量的聲速是間距D中的聲速CD。在C不等于CD的情況下，CD的測(cè)量誤差為δc[=(C-CD)／CD]。
在相同的條件下，聲速C隨水溫而變化。C≡1557-0.0244(74-T)2]]>≡1557[1-1.57·10-5(74-T)2]]]>
其中，T為傳輸超聲束的間距中水溫的平均值。因此，CD的測(cè)量誤差如下δC=1.57·10-5[(74-TD)2-(74-Td)2]1-1.57·10-5(74-TD)2×100%]]>例如，如果間距D中平均溫度TD為24℃，且靠近河流的邊緣的間隔d的水溫Td為25℃，測(cè)量誤差δc為0．0162％。河流寬度D的平均溫度TD和靠近河流邊緣的溫度Td之間的溫度差ΔT隨季節(jié)變化，但不超過(guò)2℃。
如果在多個(gè)水深位置測(cè)量水平平均流速，以便測(cè)量流率，則也應(yīng)同時(shí)測(cè)量水深。使用超聲束測(cè)量水深的方法是公知的。在可測(cè)量水深的條件下，聲速C可精確測(cè)量。只是，測(cè)量的聲速為在多個(gè)深度的聲速Ch，其不對(duì)應(yīng)于在多個(gè)水平間隔上的聲速CDi。如果水深在夏天較深，則水面的水平平均聲速CD比水下的一個(gè)Ch較大。相反，則水平平均超聲傳輸速度CD比水下的一個(gè)Ch較小。應(yīng)注意，水面的流速測(cè)量誤差為正，水下的流速測(cè)量誤差為負(fù)。因此，影響流率的計(jì)算結(jié)果的誤差變小。
實(shí)現(xiàn)測(cè)量超聲漂移間距l(xiāng)并計(jì)算水平平均流速的方法的裝置如下參見(jiàn)圖11，圖中說(shuō)明了用于測(cè)量水平平均流速的超聲漂移間距測(cè)量裝置。差動(dòng)放大器4接收來(lái)自振子對(duì)(31)i和(32)i的輸出電壓信號(hào)。當(dāng)差動(dòng)放大器4的輸出電壓為0時(shí)，一比較器5產(chǎn)生一脈沖信號(hào)來(lái)操作單穩(wěn)多諧振蕩器或一次多諧振蕩器6。接收振子對(duì)(31)i和(32)i安裝在一齒條14上，彼此間隔間距L。根據(jù)一齒輪12的旋轉(zhuǎn)方向，齒條14被移動(dòng)向左或向右。齒輪12的軸13可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在一傳動(dòng)裝置9上，以減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)10連接至一檢測(cè)其轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)數(shù)器11，和第一定時(shí)器16，和控制其通斷操作的第一電力開(kāi)關(guān)17。多路轉(zhuǎn)換器7接收來(lái)自比較器6的脈沖信號(hào)和計(jì)數(shù)器11的計(jì)數(shù)信號(hào)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于齒輪14移動(dòng)距離l的數(shù)據(jù)信號(hào)。第一算術(shù)邏輯處理單元8存儲(chǔ)先前輸入在一存儲(chǔ)器中的水平距離Di(=const)，接收來(lái)自多路轉(zhuǎn)換器7的數(shù)據(jù)信號(hào)和來(lái)自公知的聲速測(cè)量裝置(未示出)的聲速的數(shù)據(jù)信號(hào)，以計(jì)算流速V；V等于l·C / D。第二算術(shù)邏輯處理單元15接收來(lái)自算術(shù)邏輯處理單元8的數(shù)據(jù)信號(hào)以計(jì)算河流流率。一殼體包括該齒輪和安裝在其內(nèi)的齒條。齒輪和齒條由例如聚氨酯的材料制成以便在不使用潤(rùn)滑劑的情況下運(yùn)行。
參見(jiàn)圖12A和12B，超聲發(fā)射振子1i電連接至一振蕩器2i以產(chǎn)生超聲正弦波振蕩信號(hào)，其中超聲發(fā)射振子1i以彼此不同的超聲頻率振動(dòng)，以便在同一時(shí)間產(chǎn)生超聲束；例如，f1≠f2≠…≠fn。振蕩器2i連接至一第二定時(shí)器18以及控制其通斷操作的第二電力開(kāi)關(guān)19。換句話(huà)說(shuō)，在每一給定的流率測(cè)量時(shí)間，例如一小時(shí)，第二定時(shí)器19施加一信號(hào)給第二開(kāi)關(guān)18。安裝在接收側(cè)的第一定時(shí)器16與第二定時(shí)器18在傳輸側(cè)同步。
另一方面，如圖11所示，一用于移動(dòng)接收振子對(duì)(31)i和(32)i的包括齒輪12和齒條14的裝置在離開(kāi)流率測(cè)量截面S沿流速方向的反方向的距離L的一半位置處設(shè)置。在流速不計(jì)的情況下，接收振子對(duì)(31)i和(32)i之間的中點(diǎn)L／2對(duì)應(yīng)于流率測(cè)量截面。
流速測(cè)量裝置如下操作在流率測(cè)量時(shí)，第一和第二定時(shí)器16和18工作以接通開(kāi)關(guān)17和19。此時(shí)，開(kāi)關(guān)16和18操作發(fā)射振子對(duì)1i以發(fā)射連續(xù)正弦波超聲束給接收振子對(duì)(31)i和(32)i。接收振子對(duì)(31)i和(32)i接收發(fā)射的連續(xù)超聲束。同時(shí)，電機(jī)10工作以轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪12，向流速方向移動(dòng)齒條14。同時(shí)，固定在齒條14上的接收振子對(duì)(31)i和(32)i在與齒條14移動(dòng)方向相同的方向上移動(dòng)。在移動(dòng)期間，接收振子對(duì)(31)i和(32)i的輸出電壓彼此相等。當(dāng)輸出電壓ΔU為0時(shí)，單穩(wěn)多諧振蕩器6產(chǎn)生信號(hào)脈沖并施加給多路轉(zhuǎn)換器7。另一方面，在電機(jī)10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)器11計(jì)算電機(jī)10的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)以產(chǎn)生一對(duì)應(yīng)于齒條14移動(dòng)距離的信號(hào)脈沖。當(dāng)多路轉(zhuǎn)換器7接收到來(lái)自單穩(wěn)多諧振蕩器6的信號(hào)脈沖時(shí)，將該信號(hào)施加給第一算術(shù)邏輯處理單元8，其中信號(hào)脈沖對(duì)應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的漂移距離測(cè)量方法的漂移間距1。
第一算術(shù)邏輯處理單元8存儲(chǔ)在先前設(shè)定的多個(gè)水深處的水平距離Di，并接收水深數(shù)據(jù)信號(hào)和來(lái)自聲速測(cè)量裝置的聲速C(未示出)。第一算術(shù)邏輯處理單元8計(jì)算水平平均流速Vi，以輸出計(jì)算結(jié)果給第二算術(shù)邏輯處理單元15；Vi等于(li·C)／Di。在完成在多個(gè)水深處的超聲漂移間隔li的測(cè)量后，電機(jī)8停止，反向旋轉(zhuǎn)使得接收振子對(duì)(31)i和(32)i返回原位，其中電機(jī)8的控制部分未在圖11中顯示，其解釋在此省略，因?yàn)樗潜绢I(lǐng)域公知的。
河流的流速分布被認(rèn)為是水下最小，而水面最大。因此，間隔距離l等于水下最深處的lmin，從而代表電壓差ΔU為0的時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)最先產(chǎn)生。由于根據(jù)水深的下降間距l(xiāng)逐漸增加時(shí)，最靠近水面的接收振子對(duì)(31)i和(32)i的輸出信號(hào)電壓彼此相等的位置對(duì)應(yīng)于最大漂移距離lmax，從而代表電壓差ΔU為0的時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)在最后的時(shí)間產(chǎn)生。
流率的測(cè)量時(shí)間依賴(lài)于齒條14的移動(dòng)速度。該裝置可精確測(cè)量漂移間距l(xiāng)。換句話(huà)說(shuō)，電機(jī)10的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，傳動(dòng)裝置9的傳動(dòng)比，齒輪12每轉(zhuǎn)一周齒條14的移動(dòng)距離，電機(jī)10的轉(zhuǎn)數(shù)，以及測(cè)量電壓差的分辨率等被恰當(dāng)選擇，以控制測(cè)量漂移間距l(xiāng)的允差。
根據(jù)本發(fā)明，測(cè)量超聲漂移間距的方法和水平平均流速的方法可容易地實(shí)現(xiàn)，可精確測(cè)量河流的流率。
另外，校正和試驗(yàn)測(cè)量超聲漂移間距從而測(cè)量水平平均流速的裝置是很重要的。一種校正和試驗(yàn)該裝置的方法示于圖13。
水箱21包括發(fā)射振子1和接收振子對(duì)31和32，分別可移動(dòng)地安裝在微測(cè)螺桿22上，而微測(cè)螺桿22安裝在水箱21的兩端部。當(dāng)接收振子對(duì)31和32向左和向右移動(dòng)時(shí)，單穩(wěn)多諧振蕩器6產(chǎn)生信號(hào)脈沖的時(shí)間點(diǎn)的位置被測(cè)量。如果發(fā)射振子1的超聲方向特性對(duì)稱(chēng)，與接收振子對(duì)31和32之間的間距D成直角的從發(fā)射振子1發(fā)出的線穿過(guò)間距D的中點(diǎn)1／2。如果發(fā)射振子l的超聲方向特性不對(duì)稱(chēng)，該線穿過(guò)接收振子對(duì)31和32之間的另一點(diǎn)，該交點(diǎn)是穿過(guò)選擇用于測(cè)量流率的自由截面S的點(diǎn)。
然后，通過(guò)微測(cè)計(jì)23發(fā)射振子1移動(dòng)超聲漂移距離l(例如0．25mm)的允差距離Δl。當(dāng)接收振子對(duì)31和32穿過(guò)對(duì)應(yīng)于允差距離Δl的點(diǎn)時(shí)，此時(shí)確定單穩(wěn)多諧振蕩器6是否在通過(guò)允差距離Δl的點(diǎn)處產(chǎn)生信號(hào)脈沖。如果單穩(wěn)多諧振蕩器6沒(méi)有產(chǎn)生信號(hào)脈沖，這是因?yàn)椴顒?dòng)放大器4的放大倍數(shù)K較小，或發(fā)射振子l的超聲方向角較大。因此，當(dāng)差動(dòng)放大器4的放大倍數(shù)K增加時(shí)，如果單穩(wěn)多諧振蕩器6沒(méi)有產(chǎn)生信號(hào)脈沖，接收振子對(duì)31和32之間的間隔D被調(diào)整以使單穩(wěn)多諧振蕩器6在通過(guò)允差距離Δl處產(chǎn)生信號(hào)脈沖。然后發(fā)射振子1穿過(guò)分割最大和最小間距l(xiāng)max和lmin之間的間距為幾個(gè)間距的間隔。同時(shí)，接收振子對(duì)31和32移動(dòng)。在這些操作時(shí)，確定單穩(wěn)多諧振蕩器6產(chǎn)生信號(hào)脈沖的時(shí)刻的位置是否對(duì)應(yīng)于發(fā)射振子1的移動(dòng)位置。然后，漂移間距l(xiāng)的允差被測(cè)試。深度為5m的水箱21可以被獲得。
因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于超聲漂移間距l(xiāng)容易測(cè)試和校正。換句話(huà)說(shuō)，超聲漂移間距l(xiāng)等于發(fā)射振子1以流速V移動(dòng)時(shí)間t并在具有寬度為D的河流中傳輸超聲束的距離；t等于D／C。為此，在發(fā)射振子1在水箱中移動(dòng)到間距l(xiāng)時(shí)，可在接收振子對(duì)31和32移動(dòng)期間進(jìn)行漂移間距l(xiāng)的允差校正的測(cè)試。
權(quán)利要求
1．一種使用超聲束測(cè)量多個(gè)深度的水平平均流速以計(jì)算較大的河流的流率的方法，包括選擇流率測(cè)量自由截面S與水流方向垂直；在給定深度沿河流的一邊緣安裝超聲發(fā)射振子以朝另一邊緣發(fā)射超聲束；在與自由截面S垂直的線上安裝超聲接收振子對(duì)，沿河流的另一邊緣在多個(gè)深度彼此間隔間距L；以穿過(guò)截面S的中點(diǎn)為參考，在與水流速度方向相同的方向移動(dòng)超聲接收振子對(duì)；抓取超聲接收振子對(duì)的輸出電壓彼此相等的點(diǎn)；測(cè)量抓取點(diǎn)和中點(diǎn)之間的超聲漂移間距l(xiāng)；以及測(cè)量水平平均流速V為V=lt;------(11)]]>或V=lCD;------(12)]]>其中，t為通過(guò)中點(diǎn)和發(fā)射振子之間的距離D的超聲傳輸時(shí)間，C為測(cè)量流速時(shí)液態(tài)中的聲速。
2．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的測(cè)量水平平均流速的方法，其特征在于，超聲接收振子對(duì)之間的間距L如下計(jì)算L≥2DP1Pmaxtanβ;------(13)]]>其中，Pmax為發(fā)射振子的方向特性的最大聲壓，P1為用于接收的接收振子的聲壓，β為連接中點(diǎn)和P1的線與Pmax之間的角度。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量水平平均流速的方法，其特征在于，抓取超聲接收振子對(duì)的輸出電壓彼此相等的點(diǎn)的步驟包括以下步驟施加超聲接收振子對(duì)的輸出電壓給差動(dòng)放大器以放大它們，檢測(cè)差動(dòng)放大器的電壓差ΔU為0的時(shí)刻，抓取超聲接收振子對(duì)的輸出電壓彼此相等時(shí)的位置。
4．根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的測(cè)量水平平均流速的方法，其特征在于，測(cè)量超聲漂移間距l(xiāng)的步驟包括以下步驟在水箱中安裝發(fā)射振子和接收振子對(duì)，接收振子對(duì)彼此間隔L，由初始位置平行于線L移動(dòng)發(fā)射振子通過(guò)分成幾個(gè)的間隔，比較移動(dòng)距離和接收振子對(duì)測(cè)量的間隔，以檢測(cè)電壓差ΔU為0的時(shí)刻或距離L。
全文摘要
一種使用超聲束測(cè)量多個(gè)深度的水平平均流速以計(jì)算河流的流率的方法,包括:沿一選擇的流率測(cè)量自由截面從河流的一邊緣發(fā)射連續(xù)超聲束;測(cè)量彼此分開(kāi)一定間隔的超聲接收振子對(duì)的移動(dòng)距離,直到超聲接收振子對(duì)的輸出電壓彼此相等,然后測(cè)量水平平均流速,其中,超聲接收振子對(duì)電連接至差動(dòng)放大器以測(cè)量其輸出電壓差為0時(shí)的位置,還包括測(cè)試和校正執(zhí)行該方法的裝置的步驟。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1281149SQ9911038
公開(kāi)日2001年1月24日 申請(qǐng)日期1999年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月10日
發(fā)明者張學(xué)洙 申請(qǐng)人:昌民技術(shù)株式會(huì)社