一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法，通過自動水位儀不斷獲取數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對比目標(biāo)水位后，再控制交流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)帶動蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動并拖動水槽上下游支撐端鉛直升降，實(shí)現(xiàn)水槽底坡的自動調(diào)節(jié)，直至均勻流的生成，通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取水槽底坡變化量、水槽初始底坡及水面坡度之間關(guān)系，并將水槽底坡變化量轉(zhuǎn)換成交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)水位儀自動獲取數(shù)據(jù)指示交流電機(jī)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)水槽底坡進(jìn)而生成均勻流。本發(fā)明可以避免常規(guī)方法通過人工觀測水位測針或標(biāo)度尺的水位讀數(shù)后計(jì)算水深，再反復(fù)手動調(diào)節(jié)水槽底坡生成均勻流，大幅減小了中間環(huán)節(jié)，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了調(diào)節(jié)精度，實(shí)現(xiàn)了智能控制。
【專利說明】一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及利用明渠實(shí)驗(yàn)水槽實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口斷面水位的自動監(jiān)測信息自動控制 交流電機(jī)調(diào)節(jié)水槽底坡以實(shí)現(xiàn)恒定均勻流的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均 勻流的自動調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 明渠水槽實(shí)驗(yàn)可預(yù)測河流演變規(guī)律，優(yōu)化工程方案，是進(jìn)行河流河勢規(guī)劃、沿岸防 洪規(guī)劃、流域國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃不可或缺的有力工具，廣泛應(yīng)用于水利工程、港口工 程及航道工程等基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐研究中。明渠水槽與水槽實(shí)驗(yàn)所取得成果的好壞有著 密切的關(guān)系。明渠水槽按其功能和用途可分為兩類，一類是平坡水槽，水槽底坡固定不變， 主要用于大尺度的河工模型實(shí)驗(yàn)；另一類為變坡水槽，水槽底坡可按要求在一定范圍內(nèi)調(diào) 整，主要用于糙率實(shí)驗(yàn)、推移質(zhì)泥沙實(shí)驗(yàn)和水力穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)等方面的基礎(chǔ)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)。而 絕大部分基礎(chǔ)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)均是在恒定均勻流條件下進(jìn)行的，要求水槽具有變坡功能，以 便恒定均勻流場條件的生成。
[0003] 目前明渠實(shí)驗(yàn)水槽變坡生成均勻流的變坡功能為采用如圖1所示的調(diào)節(jié)裝置，包 括：固定鉸支座12、交流電機(jī)13、渦桿14、渦輪15、絲桿16、絲桿導(dǎo)軌17,其控制方式是：交 流電機(jī)13正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)帶動蝸桿14轉(zhuǎn)動，渦桿14將動力傳遞給蝸輪15,渦輪15帶動絲桿16 沿著固定在地面基座上的絲桿導(dǎo)軌17上下移動，固定鉸支座12支撐的水槽上游端不動，固 定在水槽下游端的絲桿16能夠拖動明渠水槽下游支撐端在鉛直方向升降，并在標(biāo)定好升 降極限位置的行程限位安全控制器的控制下，調(diào)節(jié)明渠水槽底坡在一定范圍內(nèi)變化，再通 過沿明渠水槽方向5個位置處布置的水位測針或標(biāo)度尺測量水深，直到5個位置處的水深 相等時，認(rèn)為水槽中恒定均勻流生成。而此時明渠水槽底坡i可通過相對于事先標(biāo)定過的 零坡位置時的水槽下游支撐點(diǎn)在鉛直方向上移動的距離L v和上游端固定鉸支座到下游高 程可變支撐點(diǎn)之間的長度Lh來確定，即V ^這種方法通過布設(shè)在明渠水槽不同位置處 的水位測針或標(biāo)度尺測量水深，并將水深相等作為生成恒定均勻流的判定準(zhǔn)則指導(dǎo)實(shí)驗(yàn) 人員操作交流電機(jī)13正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)帶動蝸桿14轉(zhuǎn)動，渦桿14將動力傳遞給蝸輪15,渦輪15 帶動絲桿16沿著固定在地面基座上的絲桿導(dǎo)軌17上下移動，明渠水槽上游端固定，固定在 水槽下游端的絲桿16能夠拖動明渠水槽下游支撐端在鉛直方向升降，從而實(shí)現(xiàn)明渠水槽 底坡的反復(fù)調(diào)節(jié)，直至恒定均勻流的生成。整個操作過程不僅需要人工反復(fù)讀取水位和計(jì) 算水深，還需要根據(jù)所計(jì)算的水深人為操控交流電機(jī)往復(fù)不停的調(diào)節(jié)明渠水槽底坡成百上 千次后才能生成恒定均勻流。因此，利用水位測針或標(biāo)度尺測量的水深相等作為生成恒定 均勻流的判定準(zhǔn)則指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)人員手動往復(fù)調(diào)節(jié)明渠實(shí)驗(yàn)水槽下游支撐端高程實(shí)現(xiàn)底坡變 化進(jìn)而生成恒定均勻流的方法存在調(diào)節(jié)時間長、操作環(huán)節(jié)多、調(diào)節(jié)精度低、容易因高程調(diào)節(jié) 時水槽一端突然升降而引起水槽內(nèi)全流場水流的系統(tǒng)震蕩、需要融合經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷才能 完成整個操作過程等諸多問題。
[0004] 因此，需要提供一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法來解決 上述問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決該問題，本發(fā)明公開了一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置及 調(diào)節(jié)方法，它是通過水槽中間位置處的固定鉸支座支撐和上、下游支撐端高程同步調(diào)節(jié)實(shí) 現(xiàn)明渠水槽變坡，不再利用固定水槽上游端而調(diào)節(jié)下游端高程進(jìn)行水槽底坡調(diào)節(jié)，水槽底 坡的調(diào)節(jié)也只需要依據(jù)自動水位儀的反饋數(shù)據(jù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度就能完成，有效避免了 因高程調(diào)節(jié)時水槽一端突然升降而引起的全流場水流的系統(tǒng)震蕩，大幅減小了中間環(huán)節(jié)， 縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了調(diào)節(jié)精度。
[0006] 較佳地，本發(fā)明提供了一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽變坡生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié) 方法，它是通過交流電機(jī)與渦桿剛性連接，渦桿與渦輪連接，渦輪與傳動軸、傳動軸與二級 渦桿剛性連接，二級渦桿與二級渦輪連接、二級渦輪與絲桿連接，絲桿固定在水槽上、下游 支撐端，絲桿導(dǎo)軌固定在地面基座上，固定鉸支座支撐于水槽中間位置處，基于上述連接， 交流電機(jī)轉(zhuǎn)動可直接傳遞給絲桿，絲桿帶動明渠水槽上、下游支撐端在鉛直方向同步升、降 而使水槽底坡產(chǎn)生變化，通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取交流電機(jī)轉(zhuǎn)動引起的水槽底坡變化量、水槽初 始底坡及水面坡度三者之間的關(guān)系，并將交流電機(jī)轉(zhuǎn)動引起的水槽底坡變化量轉(zhuǎn)換成交流 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)了水位儀自動獲取水位數(shù)據(jù)并反饋給計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)通過水位 數(shù)據(jù)計(jì)算水面坡度和初始底坡并依據(jù)二者差值所轉(zhuǎn)換成的交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度控制交流 電機(jī)轉(zhuǎn)動、交流電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動水槽底坡變化的明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成恒定均勻流的智能化調(diào) 節(jié)。本發(fā)明可以避免常規(guī)方法通過人工反復(fù)讀取水位測針或標(biāo)度尺的水位讀數(shù)后計(jì)算水 深，再將水深相等作為生成恒定均勻流的判定準(zhǔn)則指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)人員手動操作交流電機(jī)反復(fù)調(diào) 節(jié)明渠實(shí)驗(yàn)水槽底坡，也有效避免了明渠水槽上游端固定時調(diào)節(jié)下游端高程變幅過大引起 的全流場水流的系統(tǒng)震蕩，大幅減小了中間環(huán)節(jié)，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了調(diào)節(jié)精度，實(shí)現(xiàn) 了明渠實(shí)驗(yàn)水槽變坡生成恒定均勻流的智能調(diào)節(jié)。
[0007] 較佳地，本發(fā)明一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法，通過 自動水位儀不斷獲取數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對比目標(biāo)水位后，再控制交流電機(jī)正轉(zhuǎn) 或反轉(zhuǎn)帶動蝸桿、蝸輪轉(zhuǎn)動并拖動水槽上下游支撐端鉛直升降，實(shí)現(xiàn)水槽底坡的自動調(diào)節(jié)， 直至均勻流的生成，通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取水槽底坡變化量、水槽初始底坡及水面坡度之間關(guān) 系，并將水槽底坡變化量轉(zhuǎn)換成交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)水位儀自動獲取數(shù)據(jù)指示交 流電機(jī)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)水槽底坡進(jìn)而生成均勻流。本發(fā)明可以避免常規(guī)方法通過人工觀測水位測 針或標(biāo)度尺的水位讀數(shù)后計(jì)算水深，再反復(fù)手動調(diào)節(jié)水槽底坡生成均勻流，大幅減小了中 間環(huán)節(jié)，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了調(diào)節(jié)精度，實(shí)現(xiàn)了智能控制。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案：
[0009] -種明渠實(shí)驗(yàn)水槽變坡生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置，包括水位儀、計(jì)算機(jī)、交流電 機(jī)、固定鉸支座、蝸桿、渦輪、傳動軸、二級渦桿、二級渦輪、絲桿、絲桿導(dǎo)軌，水位儀與計(jì)算機(jī) 相連，計(jì)算機(jī)與交流電機(jī)相連，交流電機(jī)與渦桿剛性連接，渦桿與渦輪連接，渦輪與傳動軸、 傳動軸與二級渦桿剛性連接，二級渦桿與二級渦輪連接、二級渦輪與絲桿連接，絲桿固定在 水槽上、下游支撐端，絲桿導(dǎo)軌固定在地面基座上，固定鉸支座支撐于水槽中間位置處，基 于上述連接，交流電機(jī)與絲桿實(shí)現(xiàn)了傳動連接，從而計(jì)算機(jī)控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動水槽上、 下游支撐端鉛直升降，實(shí)現(xiàn)了明渠水槽底坡的自動調(diào)節(jié)變化。
[0010] 一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽變坡生成均勻流的自動調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟：
[0011] 1、水槽實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口處布置的2個自動水位儀按設(shè)定的測量頻率自動獲取水位 數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)每組水位數(shù)據(jù)計(jì)算水面坡度，如果水面坡度與明渠水槽初始底 坡的差值為零，恒定均勻流已生成，否則計(jì)算機(jī)將根據(jù)每組差值指示交流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 帶動渦桿轉(zhuǎn)動，渦桿將動力傳遞給渦輪，渦輪與傳動軸、傳動軸與二級渦桿剛性連接，渦輪 通過剛性連接帶動二級渦桿轉(zhuǎn)動，二級渦桿將動力傳遞給二級渦輪，二級渦輪帶動絲桿沿 著固定在地面基座上的絲桿導(dǎo)軌上下移動，明渠水槽中部用固定鉸支座支撐，固定在水槽 上、下游支撐端上的絲桿能夠拖動明渠水槽上、下游支撐端在鉛直方向同步升降，從而實(shí)現(xiàn) 了明渠水槽底坡的反復(fù)調(diào)節(jié)。
[0012] 2、通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取交流電機(jī)轉(zhuǎn)動引起的水槽底坡變化量、水槽初始底坡及水面 坡度三者之間的關(guān)系，并將交流電機(jī)轉(zhuǎn)動引起的水槽底坡變化量轉(zhuǎn)換成交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)角 度，從而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)水槽底坡生成明渠恒定均勻流。
[0013] 其中，水槽底坡變化量與水面坡度和水槽初始坡度的關(guān)系滿足下式：
[0014] iw=if+A if

【權(quán)利要求】
1. 一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置，它包括自動水位儀（1)、計(jì)算機(jī) (2)、交流電機(jī)（3)、固定鉸支座（4)、蝸桿（5)、渦輪（6)、傳動軸（7)、二級渦桿（8)、二級渦 輪（9)、絲桿（10)、絲桿導(dǎo)軌（11)，其特征在于，所述的自動水位儀（1)與計(jì)算機(jī)（2)相連， 計(jì)算機(jī)⑵與交流電機(jī)⑶相連，交流電機(jī)⑶與渦桿（5)剛性連接，渦桿（5)與渦輪（6) 連接，渦輪（6)與傳動軸（7)、傳動軸（7)與二級渦桿（8)剛性連接，二級渦桿（8)與二級渦 輪（9)連接、二級渦輪（9)與絲桿（10)連接，絲桿（10)固定在水槽上，絲桿導(dǎo)軌（11)固定 在地面基座上，固定鉸支座（4)支撐于水槽中間位置處，基于上述連接，交流電機(jī)（3)與絲 桿（10)實(shí)現(xiàn)了傳動連接，從而計(jì)算機(jī)（2)控制交流電機(jī)（3)轉(zhuǎn)動帶動水槽上、下游支撐端 鉛直升降，實(shí)現(xiàn)了明渠水槽底坡的自動調(diào)節(jié)變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均勻流的自動調(diào)節(jié)裝置，其特征在 于，所述的自動調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟： 1、 自動調(diào)節(jié)明渠實(shí)驗(yàn)水槽底坡生成均勻流時，如圖2和3所示，水槽實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口處布 置的二個自動水位儀（1)按設(shè)定的測量頻率自動獲取水位數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)（2)，計(jì)算機(jī)（2)根 據(jù)每組水位數(shù)據(jù)計(jì)算水面坡度，如果水面坡度與明渠水槽初始底坡的差值為零，恒定均勻 流已生成，否則計(jì)算機(jī)（2)將根據(jù)每組差值指示交流電機(jī)（3)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)帶動渦桿（5)轉(zhuǎn) 動，渦桿（5)將動力傳遞給渦輪（6)，渦輪（6)與傳動軸（7)、傳動軸（7)與二級渦桿（8)剛 性連接，渦輪（6)通過剛性連接帶動二級渦桿（8)轉(zhuǎn)動，二級渦桿（8)將動力傳遞給二級渦 輪（9)，二級渦輪（9)帶動絲桿（10)沿著固定在地面基座上的絲桿導(dǎo)軌（11)上下移動，明 渠水槽中部用固定鉸支座（4)支撐，固定在水槽上、下游支撐端上的絲桿（10)能夠拖動明 渠水槽上、下游支撐端在鉛直方向同步升降，從而實(shí)現(xiàn)了明渠水槽底坡的反復(fù)調(diào)節(jié)。利用標(biāo) 定實(shí)驗(yàn)獲取交流電機(jī)（3)轉(zhuǎn)動引起的水槽底坡變化量Ai f、水槽初始底坡if及水面坡度iw 等參量的關(guān)系，該關(guān)系如下： Δ if=iw-if 2、 根據(jù)上式計(jì)算出從初始底坡調(diào)整達(dá)到與水面坡度相等時的底坡變化量。通過標(biāo)定實(shí) 驗(yàn)獲取交流電機(jī)（3)轉(zhuǎn)動引起的水槽底坡變化量、水槽初始底坡及水面坡度三者之間的關(guān) 系，并將交流電機(jī)（3)轉(zhuǎn)動引起的水槽底坡變化量轉(zhuǎn)換成交流電機(jī)（3)旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn) 自動水位儀（1)自動獲取數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)交流電機(jī)（3)轉(zhuǎn)動角度生成恒定均勻流。 3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種明渠實(shí)驗(yàn)水槽生成均勻流的自動調(diào)節(jié)方法，其特征在 于，利用下式將水槽底坡變化量轉(zhuǎn)換成交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度
其中，ALV為上、下游支撐端處絲桿升、降高程差，Lh為固定鉸支座與上游或下游支撐 端之間距離，氏為水槽實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口水位值，H2為水槽實(shí)驗(yàn)段出口水位值，L為上、下游水位儀 之間距離，Δ a d為交流電機(jī)轉(zhuǎn)動角度，Zi為渦桿頭數(shù)，z2為渦輪齒數(shù)，z3為絲桿頭數(shù)，p為 絲桿螺距。
【文檔編號】G05D9/12GK104090588SQ201410100151
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】房世龍, 吳麗華, 吉順莉, 倪飛, 施小飛, 趙蘇政, 鄭紅娟, 朱亮, 周春煦 申請人:南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院