低浓度浑水中泥沙浓度与水流脉动速度同步测量系统

摘要

本发明公开了一种低浓度浑水中泥沙浓度与水流脉动速度同步测量系统，包括泥沙采样装置和声学多普勒流速仪。在一次测量中，采用泥沙采样装置实现泥沙溶液的准确取样并确定泥沙平均浓度值；同时采用声学多普勒流速仪测量水流脉动速度，并输出平均信号强度和脉动信号强度；然后根据平均信号强度与泥沙平均浓度值，建立信号强度与泥沙浓度的函数关系式；利用建立的函数关系式和脉动信号强度，计算出对应的泥沙浓度值，从而实现泥沙浓度和水流脉动速度的同步测量。本发明可以有效地获取泥沙浓度与水流脉动速度的同步信息；在测量过程中，测点位置的水流不受干扰，能够实现泥沙浓度的长时间测量及脉动浓度测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低浓度浑水中泥沙浓度与水流脉动速度同步测量系统，属于水流测量技术领域。

背景技术

在对水流脉动流速的测量方面，已经有不少较成熟的仪器，如激光多普勒流速仪、粒子图像测速仪、声学多普勒流速仪等都能获得理想的脉动流速资料。但是在浑水水流中，由于悬移质泥沙的影响，光信号在水流中衰减严重，激光多普勒流速仪、粒子图像测速仪这些靠激光来进行流速测量的仪器都难以应用。声学多普勒流速仪是靠超声波信号进行流速测量的，在低浓度浑水中，超声波信号衰减较小，能够实现流速的长时间连续测量，测量精度也相当高。

在泥沙浓度的测量中，目前能够保证足够精度的测量方法仍然是采样法，但是利用采样法获得的浓度仅仅是泥沙浓度的平均值，而不是脉动值，而且在采样过程中，水流的紊动结构已经遭到破坏，此外，利用采样法也无法实现长时间的连续测量。由于以上问题，同步测量浑水水流中某一位置的泥沙浓度及水流脉动信息仍缺少有效的测量系统。这在很大程度上困扰着对浑水水流问题的研究。例如关于悬移质对水流能量损失的影响，现有的研究成果一直存在分歧，重要的原因在于缺乏能够同时测量泥沙浓度与水流脉动速度的装置，无法有效地分析悬移质颗粒与水流脉动速度之间的相互影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低浓度浑水中泥沙浓度与水流脉动速度同步测量系统，能够在不干扰水流的情况下，获取水流中某一位置泥沙浓度与水流脉动速度的同步信息，也能够实现泥沙浓度的长时间测量及脉动浓度测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种低浓度浑水中泥沙浓度与水流脉动速度同步测量系统，包括泥沙采样装置和声学多普勒流速仪；在一次测量中，采用所述泥沙采样装置实现泥沙溶液的准确取样并确定泥沙平均浓度值；同时采用所述声学多普勒流速仪测量水流脉动速度，并输出平均信号强度和脉动信号强度；然后根据平均信号强度与泥沙平均浓度值，建立函数关系式；利用建立的函数关系式和脉动信号强度，计算出对应的泥沙浓度值，从而实现泥沙浓度和水流脉动速度的同步测量。

作为本发明的进一步优化方案，所述泥沙采样装置包括进水口、由水平部和竖直部相连组成的L形圆管、固定装置、橡胶管和装在橡胶管出口处的控制阀门；所述L形圆管的水平部端口与进水口相连，竖直部端口与橡胶管相连；所述L形圆管的竖直部固定在固定装置上并能够上下移动；所述L形圆管的竖直部带有刻度，所述固定装置带有指针，所述固定装置的指针指向所述L形圆管的竖直部的刻度，将指针指向的刻度值和泥沙溶液液面距离指针位置的高度值作差，即得到实际采样位置的深度值，实现采样位置的精确定位。

作为本发明的进一步优化方案，所述L形圆管是内径为6mm的不锈钢材质的引流管。

作为本发明的进一步优化方案，所述L形圆管的水平部长度为20cm。

作为本发明的进一步优化方案，所述进水口设计为扁平形状，宽高比为3:1。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，可以有效地获取泥沙浓度与水流脉动速度的同步信息，在测量过程中，测点位置的水流不受干扰，能够实现泥沙浓度的长时间测量及脉动浓度测量，为浑水水流问题的研究提供新的悬移质浓度测量系统。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是不同水深处泥沙浓度与信号强度的对应关系。

图3是水深为15 cm时泥沙浓度和信号强度的函数关系式。

图4是不同水深处泥沙浓度与信号强度的对应关系。

图5是水深为12cm时泥沙浓度与信号强度的函数关系式。

图6是泥沙浓度对声学多普勒流速仪的影响示意图。

其中，1-进水口；2- L形不锈钢圆管；3-固定装置；4-橡胶管；5-控制阀门；6-声学多普勒流速仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种低浓度浑水中泥沙浓度与水流脉动速度同步测量系统，包括泥沙采样装置和声学多普勒流速仪6；所述泥沙采样装置实现泥沙溶液的准确取样并确定泥沙平均浓度值；所述声学多普勒流速仪测量水流脉动速度，同时输出平均信号强度和脉动信号强度。

所述泥沙采样装置包括进水口1、L形不锈钢圆管2、固定装置3、橡胶管4和装在橡胶管出口处的控制阀门5；所述L形不锈钢圆管2的水平端口与进水口相连，竖直端口与橡胶管相连；所述L形不锈钢圆管2的竖直部分固定在固定装置3上并能够上下移动.

所述L形不锈钢圆管2的竖直部分带有刻度，所述固定装置3带有指针，所述固定装置3的指针指向所述L形不锈钢圆管2的竖直部分的刻度。读出指向的刻度值与指针和泥沙溶液液面的固定高度值作差，即得实际采样位置的深度值，实现采样位置的精确定位。

在低浓度浑水中，所述声学多普勒流速仪3产生的声波的散射强度不同，而声波的散射强度与泥沙浓度之间满足如下的指数关系：

E = K₁ + K₂ lg(S)

式中，E为声波的散射强度；K₁与重力加速度、泥沙颗粒的密度及粒径有关；K₂为常数；S为泥沙浓度。

由上式可知，声学多普勒流速仪3输出的声强信号中包含了泥沙浓度信息，因此，声学多普勒流速仪3的信号强度与泥沙浓度之间存在密切的相关关系。

在利用声学多普勒流速仪3进行流速脉动流速测量并输出信号强度时，可以同时通过泥沙采样装置确定泥沙的准确浓度信息。利用采样装置确定的泥沙浓度并非泥沙浓度的脉动值，而是泥沙浓度的时间平均值，与之对应的信号强度也采用时间平均值，平均信号强度与平均泥沙浓度确定后，就可以将二者建立相关关系，可以得到信号强度与泥沙浓度的确切函数关系式：

E = f(S)

本函数关系式的形式和具体参数并不唯一，当实验条件发生较大变化时，如水深、流量、泥沙颗粒特性变化较大，为了保证计算精度，本函数关系要重新率定。当实验条件稳定时，本函数关系式的形式和具体参数值不变，通过函数运算，可以得到下面泥沙浓度的计算公式：

S =f ^-1 (E)

利用此式和脉动信号强度可以计算脉动泥沙浓度的值，在此水流条件下，应用声学多普勒流速仪3进行水流脉动流速测量并输出脉动信号强度，同时利用此函数关系式可以计算出流速测点位置的浓度脉动值。这样，就实现了泥沙浓度及水流脉动速度的同步测量。

实施例1

研究低浓度浑水问题常在实验室水槽中进行，水槽长为12 m、宽为0.42 m、高为0.7 m，在水槽中形成水深为15cm具有稳定浓度的恒定均匀浑水水流。在水深方向上泥沙的浓度不同，利用泥沙采样装置可以确定出不同水深处泥沙的准确浓度。声学多普勒流速仪3工作时，在水深方向上的信号强度也不同，将泥沙浓度与信号强度进行相关分析，二者的对应关系如图2所示。由此确定出信号强度与泥沙浓度的函数关系式，如图3所示。

泥沙浓度与信号强度的相关度达到0.997，利用信号强度与泥沙浓度的函数关系式可以计算出本实验条件下浑水中任意一点的泥沙脉动浓度，这样就同时获得了浑水水流中泥沙浓度及水流脉动速度。

实施例2

改变实验室水槽中的水流条件和泥沙平均浓度，在水槽中形成水深为12cm具有稳定浓度的恒定均匀浑水水流。同样，在水深方向上泥沙的浓度不同，准确的泥沙浓度值可以通过泥沙采样装置确定。声学多普勒流速仪3工作时，在水深方向上的信号强度也不同，实验结果表明二者的对应关系如图4所示。由此可以率定出信号强度与泥沙浓度的函数关系式，如图5所示。

信号强度与泥沙浓度的相关度达到0.987，利用信号强度与泥沙浓度的关系式可以计算出本实验条件下浑水中任意一点泥沙浓度，这样就同时获得了浑水水流中泥沙浓度及水流脉动速度。

实施例3

声学多普勒流速仪3在浑水中工作时，泥沙浓度对声波信号的散射会削弱信号强度，泥沙浓度太大，甚至会导致声学多普勒流速仪3无法在浑水中正常工作。如图6所示，验证了粒径分别为0.089mm、0.119mm、0.234mm、0.425mm、0.75mm的泥沙，在浓度由小变大时声学多普勒流速仪3的工作情况。进行试验时，将多普勒流速仪的探头固定在水下，保持发射探头与床面距离不变，逐渐增加泥沙浓度，观察声学多普勒流速仪3测量得到的探头与床面的距离值。

当泥沙体积比浓度小于约0.014时，测量结果稳定，当泥沙浓度大于0.014时，测量结果明显偏小，这表明已经超过了声学多普勒流速仪3的正常工作范围。因此，利用本发明测量的泥沙浓度不能大于这一数值。 

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。