[发明专利]一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置

说明书

技术领域

本发明属于河工模型试验领域，特别涉及含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置。 

背景技术

在重要的水利水电工程规划、建设过程中，均需要进行河工模型试验，试验过程中的浑水流速和含沙浓度是需要测量的重要参数。浑水流速与含沙浓度相互之间有密切关系，在沿水深的垂线上，各点的浑水流速与含沙浓度都不相同。目前的测量方法均是单独测量含沙浓度或者浑水流速，还没有在试验过程中直接实时同步测量含沙浓度与浑水流速垂线分布的成熟设备。现有实时测量含沙浓度的方法都是单点测量方法，例如超声多普勒法与红外测沙法是单点测量方法，均无法得到同一时刻含沙浓度的垂线分布；压差传感器方法只能得到测点以上整个水体中的平均含沙浓度。对于浑水流速测量，现有的多数方法(如旋桨流速仪、激光流速仪、粒子图像测速仪等)都难以在含沙浓度较高的浑水中应用，超声多普勒流速仪虽然可以用于浑水流速的测量，但从探头到测量区域有4～5cm的盲区，这一高度与多数试验条件下的全水深相当，难以在河工模型试验的水流中应用。因此，急需发明一种河工模型试验的含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置，以满足河工模型试验中高精度的测量要求。 

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置，用于河工模型试验的含沙浓度和浑水流速测量。它利用光学原理和力学原理分别设计含沙浓度测量系统和浑水流速测量系统，能够分别得到较高精度的含沙浓度和浑水流速垂线分布，并将含沙浓度测量系统和浑水流速测量系统耦合集成，实现含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量。可以得出含沙浓度和泥沙级配与浑水流速的关系,还可以测量含沙浓度与浑水流速随时间的变化过程，得到浑水流体的低频漩涡结构。 

为实现上述目的，本发明的一种含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量装置，该装置包括带有测针的自动测架、浑水流速测量系统、含沙浓度测量系统、测针、计算机和同步器；浑水流速测量系统安装在自动测架的一侧，含沙浓度测量系统安装在自动测架另一侧；水流速度测量系统、含沙浓度测量系统的下端均插入河工模型的浑水水流的水面以下；浑水流速测量系统与含沙浓度测量系统分别通过数据线与计算机和同步器连接。 

所述含沙浓度测量系统结构包括多根导光纤维、激光器、透镜组与第一照相机组成； 多根导光纤维并排竖直排列成一行，每根导光纤维由处于中心的入射光纤与围绕入射光纤的反射光纤组成；导光纤维下端为入水端，多根导光纤维的入水端按竖直方向由低到高排列；多根导光纤维的上端为检测端，检测端包括由多根导光纤维的入射光纤组成的入射光纤集和多根导光纤维的反射光纤组成反射光纤集；入射光纤集和反射光纤集分别对准激光器和第一照相机；检测端、激光器和第一照相机均固定在自动测架上。 

所述浑水流速测量系统包括多条L形的测流管和数量相等的显示水位的玻璃管及两倍数量的软管，1个玻璃直管、一个连通管、一个虹吸管、一个注水管，以及一个第二照相机；其中，玻璃直管和多个显示水位玻璃管分别与连通管的下端通过软管相连，每个显示水位玻璃管的下端通过软管与一个测流管的上端口相连；连通管上端同时连接虹吸管和注水管，虹吸管上设有虹吸阀门，注水管上设置注水阀门；多个测流管的下端口按竖直方向由低到高排列。多个显示水位的竖直玻璃管并排成一排，多个显示水位玻璃管的正对方向安装第二照相机，用于拍摄各显示水位玻璃管内的水位变化。 

本发明具有如下优点: 

本发明由于将含沙浓度测量系统和浑水流速测量系统耦合集成，通过同步器控制两系统同步测量，实现含沙浓度和浑水流速垂线分布的同步实时测量。采用多组导光纤维配备照相机实时测量含沙浓度的垂线分布，浓度测量结果为流速测量的校正提供依据。本发明采用多个测流管集成，可以测量浑水流场中的垂线流速分布，测流管数量根据需要选择，灵活组装；测点间距根据试验目的设定，灵活调节。经过标定，可以得到浑水流场的含沙浓度和泥沙级配与浑水流速的关系,还可以测量含沙浓度与浑水流速随时间的变化情况，得到浑水流动低频漩涡结构。 

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图； 

图2a为本发明的含沙浓度测量系统结构示意图，图2b为图2a的横截面A-A图，图2c为导光光纤11结构图，图2d为圆形光纤集16，图2e为矩形光纤集17； 

图3为本发明的浑水流速测量系统结构示意图； 

图4为多测流管测量垂线流速分布示意图，图4a为侧视图，图4b为正视图，图4c为横截面B-B图； 

图5为含沙浓度标定装置结构示意图；