大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)，包括：供電組件；水箱，用于接收山坡的產(chǎn)流并存儲產(chǎn)流的水；與水箱相連的出水口和出水口控制閥；設置在水箱內(nèi)的壓力水位傳感器，用于檢測水箱內(nèi)水位；第一液位傳感器，第一液位傳感器設置在水箱的下部；第二液位傳感器，第二液位傳感器設置在水箱的上部；渦輪流量傳感器，渦輪流量傳感器設置在出水口；控制器，控制器根據(jù)第一液位傳感器和第二液位傳感器對出水口控制閥進行控制；以及數(shù)據(jù)采集器，根據(jù)壓力水位傳感器和渦輪流量傳感器的輸出值進行流量測量和數(shù)據(jù)采集存儲。本發(fā)明的測量系統(tǒng)具有較大的流量測量量程及較高的測量精度，并且實時性好、自動化程度高。
【專利說明】大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及水文學研宄【技術領域】，特別涉及一種大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]山坡降雨產(chǎn)流機制的研宄，是水文學研宄的基礎組成部分，能夠為建立具有更強物理基礎的流域分布式水文模型提供科學依據(jù)，具有重要的意義。在山坡降雨產(chǎn)流機制的研宄中，在典型山坡開展野外觀測實驗具有不可替代的重要作用。山坡降雨產(chǎn)流機制研宄中的野外觀測實驗需要對降雨后山坡的產(chǎn)流量進行實時、精準的測量，而山坡的產(chǎn)流量又具有流量變化范圍非常大的特點，通常情況下產(chǎn)流量非常小，但當瞬時雨量很大時，產(chǎn)流量可能會達到非常大，研宄中要求產(chǎn)流量測量設備對于非常小的產(chǎn)流量和非常大的產(chǎn)流量都能夠進行較為精確的測量，這要求流量測量設備具有大的流量測量量程，同時對在量程范圍內(nèi)的各流量都保持有較高的測量精確度，特別是保證小微流量的測量精度。此外，由于是用于野外觀測實驗，還需要解決供電和數(shù)據(jù)存儲等問題，讓流量測量設備能夠在野外長期持續(xù)地獨立工作，實時測量和記錄山坡產(chǎn)流量。
[0003]流量測量是一個非常古老的命題，古往今來有非常多的研宄和方法，但大多數(shù)流量測量的方法都是針對某一特定的流量范圍或者特定的條件情況進行測量，并沒有普遍適用的流量測量方法，并且流量測量的精度普遍不高。通常而言，流量測量主要有測流堰和流量計等方法。測流堰分為薄壁堰、寬頂堰、三角堰等，主要應用于河道的流量測量，主要測量較大的流量，小流量的測量精度不高；流量計分為轉子流量計、電磁流量計、超聲波流量計等，主要應用于有壓管道的流量測量，主要量測較小的流量，但流量測量范圍較小，且對于微小的無壓流量也難以量測(當水流無法充滿流量計管道時)?？偟膩碚f，目前在有壓、高水頭、大流量的流量測量方面，已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗，有較為成熟的技術；但是在無壓、低水頭、小流量的流量測量方面，技術發(fā)展始終較為緩慢。
[0004]針對具體的山坡產(chǎn)流量測量這一問題，因為流量變化范圍較大，需要對在量程范圍內(nèi)的各流量都保持有較高的測量精確度，且是一個典型的無壓、低水頭、小流量的流量測量問題，因此解決起來較為困難。目前山坡產(chǎn)流量測量的主要技術方法為集水池法、多孔分流法、翻斗式自記測流法等，主要是兩種測量的思路，集水池法和多孔分流法的測量思路相似，是將水積蓄起來，積少成多進行測量；翻斗式自記測流法是利用類似于翻斗式雨量筒的翻斗測量原理實現(xiàn)連續(xù)流體的等量分割，對流量進行連續(xù)自動測量。
[0005]上述的現(xiàn)有流量測量方法和技術通常難以兼具較大的流量測量量程和較高的小微流量測量精度兩個特點，且因為供電和數(shù)據(jù)存儲等問題，難以在野外長期持續(xù)地獨立工作，不能直接應用于野外山坡產(chǎn)流觀測實驗，因此難以滿足山坡降雨產(chǎn)流機制研宄中的實驗要求。
[0006]針對目前具體應用于山坡產(chǎn)流量測量的集水池法、多孔分流法、翻斗式自記測流法等技術方法，它們存在的主要問題是:第一種思路下，集水池法和多孔分流法的本質原理相同，但這兩種方法均只能對某場降雨的山坡產(chǎn)流總量進行測量，無法實時連續(xù)地測量產(chǎn)流量的變化過程，自動化程度不高，需要在每場降雨后進行維護，且在產(chǎn)流量較大時，容易出現(xiàn)溢流情況，造成較大的測量誤差；第二種思路下，翻斗式自記測流法雖然可實現(xiàn)山坡產(chǎn)流量過程的實時連續(xù)測量，自動化程度較高，可以在野外長期持續(xù)地獨立工作，且可以通過調(diào)整翻斗大小的方式提高流量測量精度，但是其可以量測的流量范圍始終較小，即量程較小。將翻斗設置較大，則可以保證對于較大流量的量測，但量測較小的流量時精度很低；而將翻斗設置較小，雖然量測較小的流量時精度較高，但在較大流量的時候卻難以量測。這就使得這種方法難以滿足山坡產(chǎn)流量測量中要求設備具有大的流量測量量程，以及對在量程范圍內(nèi)的各流量都保持有較高的測量精確度這一要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關技術中的技術問題之一。
[0008]為此，本發(fā)明的目的在于提出一種大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)具有較大的流量測量量程及較高的測量精度，并且實時性好、自動化程度高。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提出了一種大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)，包括:供電組件；水箱，用于接收山坡的產(chǎn)流并存儲所述產(chǎn)流的水；與所述水箱相連的出水口和出水口控制閥；設置在所述水箱內(nèi)的壓力水位傳感器，用于檢測所述水箱內(nèi)的水位；第一液位傳感器，所述第一液位傳感器設置在所述水箱的下部；第二液位傳感器，所述第二液位傳感器設置在所述水箱的上部；渦輪流量傳感器，所述渦輪流量傳感器設置在所述出水口 ；控制器，所述控制器根據(jù)所述第一液位傳感器和所述第二液位傳感器對所述出水口控制閥進行控制；數(shù)據(jù)采集器，用于自動采集并存儲所述壓力水位傳感器和所述渦輪流量傳感器的輸出值，根據(jù)所述輸出值進行流量測量和數(shù)據(jù)采集存儲。
[0010]根據(jù)本發(fā)明實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)，能夠在野外長期持續(xù)地獨立工作，實時連續(xù)地測量和記錄山坡產(chǎn)流量，具有較大的流量測量量程，而在小微流量的測量中又能夠具有較高的精度。該測量系統(tǒng)主要應用于山坡降雨產(chǎn)流機制研宄中的野外觀測實驗，實現(xiàn)了山坡產(chǎn)流量持續(xù)的實時高精度、全自動觀測，為山坡降雨產(chǎn)流機制的研宄提供了有效的實驗觀測支持，打下了堅實的基礎。
[0011]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術特征:
[0012]在一些示例中，所述供電組件包括電池和太陽能電池板。
[0013]在一些示例中，當所述第二液位傳感器被觸發(fā)時所述控制器控制所述出水口控制閥進行放水直至達到第一液位傳感器檢測的水位出水口控制閥關閉，放水停止。
[0014]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0016]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)的結構框圖；
[0017]圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)的整體布置示意圖；
[0018]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)的液位控制器和電磁閥接線示意圖；
[0019]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)的渦輪流量傳感器和數(shù)據(jù)采集器接線示意圖；
[0020]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)的壓力水位傳感器和數(shù)據(jù)采集器接線示意圖。

【具體實施方式】
[0021]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0022]以下結合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)。
[0023]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)的結構框圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)的整體布置示意圖。結合圖1和圖2，該測量系統(tǒng)100包括:供電組件110、水箱120、出水口 130、出水口控制閥140、壓力水位傳感器150、第一液位傳感器60、第二液位傳感器170、渦輪流量傳感器180、控制器190和數(shù)據(jù)采集器200。
[0024]其中，在本發(fā)明的一個實施例中，供電組件110例如包括電池和太陽能電池板。
[0025]水箱120用于接收山坡的產(chǎn)流并存儲產(chǎn)流的水；出水口 130和出水口控制閥140與水箱120相連；壓力水位傳感器150設置在水箱120底部，用于檢測水箱120內(nèi)的水位；第一液位傳感器160設置在水箱120的下部；第二液位傳感器170設置在水箱120的上部；渦輪流量傳感器180設置在出水口 130，與出水口控制閥140相連；控制器190根據(jù)第一液位傳感器160和第二液位傳感器170對出水口控制閥140進行控制；數(shù)據(jù)采集器200用于自動采集并存儲壓力水位傳感器150和渦輪流量傳感器180的輸出值，根據(jù)該輸出值進行流量測量和數(shù)據(jù)采集存儲。
[0026]在本發(fā)明的一個實施例中，當?shù)诙何粋鞲衅?70被觸發(fā)時控制器190控制出水口控制閥140進行放水直至達到第一液位傳感器160檢測的水位出水口控制閥140關閉，放水停止。
[0027]作為具體地示例，結合圖2至圖5，換言之，本發(fā)明上述實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)100主要結構包括:等截面水箱(水箱底部有出水口，出水口位置詳見圖2所示)、壓力水位傳感器(放置于水箱底部)、液位控制器(液位控制器的三個傳感器分別放置于水箱上部、水箱下部和水箱底部，具體位置如圖2所示)、電磁閥(即出水口控制閥，其控制水箱出水口開閉，與液位控制器的連接方式詳見圖3所示)、渦輪流量傳感器(與水箱出水口處的電磁閥連接)、數(shù)據(jù)采集器(與渦輪流量傳感器和壓力水位傳感器的連接方式詳見圖4和圖5所示)、太陽能電池板、蓄電池、電源控制器等。
[0028]該測量系統(tǒng)100的主要工作原理可概述為:將山坡的產(chǎn)流直接引入等截面水箱，將產(chǎn)流的水存蓄在水箱中，水箱中水位上升，放置于水箱底部的壓力水位傳感器可以實時連續(xù)地測量水箱中的水深。然后利用液位控制器(包括如圖2所示的水箱上部傳感器、水箱下部傳感器和水箱底部傳感器)根據(jù)水箱中的水深情況控制水箱底部出水口處電磁閥(即出水口控制閥)，通過控制水箱出水口的開閉控制水箱的水位在固定的范圍內(nèi)變化，即當山坡產(chǎn)流的水持續(xù)進入水箱，使得水箱水位持續(xù)上升達到一定高度時(達到液位控制器水箱上部傳感器，也即第二液位傳感器)，液位控制器會自動打開水箱出水口處的電磁閥，開始放水，水箱中水位下降；當持續(xù)放水使得水箱水位下降到一定高度時(達到液位控制器水箱下部傳感器，也即第一液位傳感器)，液位控制器會自動關閉水箱出水口處的電磁閥，停止放水。在水箱放水過程中，水箱出水口處的渦輪流量傳感器可以實時連續(xù)地測量放水時水箱出水口處的出流量，因為液位控制器水箱下部傳感器在水箱出水口的上方，因而保證了水箱出水口始終處于水面以下，即通過渦輪流量傳感器的是有壓流，進而保證了其流量測量的精確性。進一步地，結合圖4和圖5所示，壓力水位傳感器和渦輪流量傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接，利用數(shù)據(jù)采集器采集和存儲傳感器實時連續(xù)測量得到的壓力水位數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)。其中，液位控制器、電磁閥、壓力水位傳感器、渦輪流量傳感器和數(shù)據(jù)采集器利用太陽能電池板和蓄電池聯(lián)合供電，并通過太陽能電池板的電源控制器進行調(diào)節(jié)。進一步地，由于水箱的截面積一定，所以根據(jù)實時連續(xù)測量和記錄得到的水箱水深的變化和水箱出水口的出流量，即可通過公式較為精確地計算出進入水箱的流量大小，也即是山坡產(chǎn)流的流量大小。
[0029]綜上，根據(jù)本發(fā)明實施例的測量系統(tǒng)100，利用水箱對待測量的流量進行積蓄和調(diào)節(jié)。當流量較小時，利用水箱積蓄積少成多進行測量，通過測量水箱水深的變化測量流量；當流量較大時，利用液位控制器控制水箱的水位，有效防止了溢流情況的發(fā)生，通過測量水箱水深的變化和水箱出水口的出流量測量流量，以此實現(xiàn)擴大流量測量量程，保證小微流量測量精度的目的。進一步地，利用放置于水箱中的壓力水位傳感器，實時精確測量水箱中的水深變化過程；利用水箱出水口處的渦輪流量傳感器實時精確測量放水時水箱出水口的出流量，兩者相結合，保證在整個流量測量范圍內(nèi)，流量的測量都有較高的精度，且可以實現(xiàn)對產(chǎn)流量變化過程的測量，以此解決傳統(tǒng)的集水池法和多孔分流法只能對某場降雨的山坡產(chǎn)流總量進行測量，無法實時連續(xù)地測量產(chǎn)流量的變化過程這一問題。利用設置于水箱中的液位控制器和設置于水箱出水口處的電磁閥，根據(jù)水箱水位控制出水口放水，對水箱中水位進行控制，以此解決傳統(tǒng)的集水池法和多孔分流法容易出現(xiàn)溢流的問題。同時解決供電問題，利用數(shù)據(jù)采集器對數(shù)據(jù)進行采集和記錄，實現(xiàn)了整套設備的電子化，有效地提高了山坡產(chǎn)流量測量過程中的自動化，使整套設備能夠在野外長期持續(xù)地獨立工作，進行實時連續(xù)測量和記錄，有效地解決了傳統(tǒng)的集水池法和多孔分流法自動化程度不高，需要在每場降雨后進行維護的問題。
[0030]因此，根據(jù)本發(fā)明實施例的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)，能夠在野外長期持續(xù)地獨立工作，實時連續(xù)地測量和記錄山坡產(chǎn)流量，具有較大的流量測量量程，而在小微流量的測量中又能夠具有較高的精度。該測量系統(tǒng)主要應用于山坡降雨產(chǎn)流機制研宄中的野外觀測實驗，實現(xiàn)了山坡產(chǎn)流量持續(xù)的實時高精度、全自動觀測，為山坡降雨產(chǎn)流機制的研宄提供了有效的實驗觀測支持，打下了堅實的基礎。
[0031]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0032]此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。
[0033]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關系，除非另有明確的限定。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。
[0034]在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0035]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。
[0036]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權利要求】
1.一種大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 供電組件； 水箱，用于接收山坡的產(chǎn)流并存儲所述產(chǎn)流的水； 與所述水箱相連的出水口和出水口控制閥； 設置在所述水箱內(nèi)的壓力水位傳感器，用于檢測所述水箱內(nèi)的水位； 第一液位傳感器，所述第一液位傳感器設置在所述水箱的下部； 第二液位傳感器，所述第二液位傳感器設置在所述水箱的上部； 渦輪流量傳感器，所述渦輪流量傳感器設置在所述出水口 ； 控制器，所述控制器根據(jù)所述第一液位傳感器和所述第二液位傳感器對所述出水口控制閥進行控制； 數(shù)據(jù)采集器，用于自動采集并存儲所述壓力水位傳感器和所述渦輪流量傳感器的輸出值，根據(jù)所述輸出值進行流量測量和數(shù)據(jù)采集存儲。
2.如權利要求1所述的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)，其特征在于，所述供電組件包括電池和太陽能電池板。
3.如權利要求1所述的大量程高精度自動產(chǎn)流量測量系統(tǒng)，其特征在于，當所述第二液位傳感器被觸發(fā)時所述控制器控制所述出水口控制閥進行放水直至達到第一液位傳感器檢測的水位出水口控制閥關閉，放水停止。
【文檔編號】G01F11/28GK104501893SQ201410785562
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權日:2014年12月17日
【發(fā)明者】胡宏昌, 鐵強, 田富強, 劉亞平 申請人:清華大學