CN103226910B

CN103226910B - 一种自动施放声学多普勒流速仪加噪剂的装置及使用方法

Info

Publication number: CN103226910B
Application number: CN201310112384.1A
Authority: CN
Inventors: 王娅娜; 陈永平; 徐振山
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: CN103226910A

Abstract

一种自动施放声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的装置，该装置包括控制单元、送料单元、放样单元、实验水槽和声学多普勒流速仪（ADV），该装置的使用方法为首先制备硅藻土粉末作为加噪剂原料，然后该粉末被放进漏斗，通过与漏斗相连的试剂盒输送到搅拌桶，在桶内与水混合成为硅藻土悬浮液，然后开启放样管阀门，使搅拌桶内的硅藻土悬浊液通过放样管进入实验水槽，最后开启声学多普勒流速仪（ADV）进行流速测量实验。本发明选用廉价的硅藻土替代昂贵的ADV-seeding和有损于ADV探头的石灰粉作为加噪剂，成本低廉，施放装置结构简单，实现了声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的自动均匀施放，能够满足物理模型实验的实际需要。

Description

一种自动施放声学多普勒流速仪加噪剂的装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种自动施放实验室用声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的方法及其装置，其主要用于持续均匀施放特定的微粒悬浊液，增加被测水体的浑浊度，以保证声学多普勒流速仪（ADV）在不间断的测量条件下始终具有较高的信噪比，从而获得准确有效地流速数据，减少因人工施放的不连续和不均匀所造成的信噪比不稳定，以及选用不当的加噪剂对流速仪探头造成的人为损害。

背景技术

在流体力学领域，声学多普勒流速仪（ADV）用于测量流体速度，可实现单点三维流速瞬时测量，具有对被测流体干扰小，操作简便等显著优点，因此，在实验室的物理模型实验中得到了广泛应用。声学多普勒流速仪（ADV）原理是：运用多普勒原理，由探头发射超声波，遇到控制体后反射，并接受反射的信号，信号的频率差代表了对应水流质点速度。

但是，声学多普勒流速仪（ADV）的测量原理决定了声学多普勒流速仪（ADV）的信号强度取决于水中是否存在足够的介质，如泥沙、微粒等，来反射声波信号。如果水中粒子过少，返回的信号就会比周围的噪音还要小，要是没有足够大的信号强度，声学多普勒流速仪（ADV）是不可能进行精确测量的，所得的数据肯定和实际差别很大。为防止噪音干扰，声学多普勒流速仪（ADV）实验时必须保证一定的信噪比水平，比如，对于瞬时流速测量（以25Hz采样），信噪比一般要求超过15分贝；对于平均流速测量（以0.5Hz采样），声学多普勒流速仪（ADV）可以在信噪比为5分贝时正常工作。因此，为保证符合要求的信噪比（SNR），必须向相对清澈的被测水体中投入一定数量的悬浮微粒，人为增加被测水体的浑浊度。虽然可用于声学多普勒流速仪（ADV）的加噪剂有配套的塑料颗粒悬浊液（ADV-Seeding）可供选择，但因其售价过于昂贵，仅适合在少量水体中做ADV标定实验，而相对于物理模型实验中需求的大量水体来讲成本过大，无法实现。目前广泛采用的是人工向被测水体中撒石灰粉增加浊度的方法，但石灰粉会对ADV探头造成腐蚀，而且人工投放不连续，不能保证被测流动水体持续具有满足要求的浑浊度，因此也不是最佳方案，必须设计新的效果良好且易于实现的ADV加噪方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种自动施放声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的装置及使用方法。

本发明目的是通过以下的技术方案来实现的：

一种自动施放声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的装置，其特征在于：该装置由控制单元，送料单元、放样单元、实验水槽及声学多普勒流速仪（ADV）所构成，其中所述的控制单元由计算机1和可编程控制器2组成；送料单元由漏斗3，送样槽4，电磁铁5，试剂盒6，上挡板7，拉力弹簧8和出料口9组成，漏斗3的下部通过送样槽4的进料口与试剂盒6相对接，送样槽4的内侧一端安装有电磁铁5，另一侧安装有拉力弹簧8，下部设置有出料口9，试剂盒6的上端一侧安装有上挡板7；放样单元由搅拌桶10，进水管11，溢流管12，潜水泵13，浊度计14，放样管15和阀门16组成，搅拌桶10放置在出料口9的下方，其上端装有进水管11和溢流管12，其中溢流管12的安装高度低于进水管11，进水管11与放置在实验水槽内的潜水泵13相连，搅拌桶10内壁一侧安装有浊度计14，搅拌桶10的底部安装有2-4根放样管15，在每根放样管15的上部安装有阀门16，放样管15上钻有圆孔；实验水槽为长方形，中间设有两块隔板将实验水槽一分为二，其中长隔板的长度是实验水槽全长的三分之二，隔板下端与实验水槽底部相连接，在实验水槽与短隔板的封闭端放置潜水泵，另将水管一端与潜水泵连接，另一端搁在短隔板上；放样管15放置于实验水槽实验区，与实验水槽底部垂直；将声学多普勒流速仪（ADV）17固定在专用定位架上，放置于实验水槽的实验区内；电磁铁5和浊度计14通过信号线与可编程控制器2相连；声学多普勒流速仪（ADV）17通过信号线与计算机1连接。

一种自动施放声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的装置的使用方法，其特征在于，使用步骤如下：

A．制备加噪剂原料，分选粒径在10-20um之间的硅藻土粉末，干燥备用；

B．将干燥硅藻土粉末置于漏斗3中，开启潜水泵13将搅拌桶10中装满水并开启搅拌器，开启浊度计14测量搅拌桶10内水体的浊度值，开启可编程控制器2并设定需要的最低浊度值，将浊度计14反馈的搅拌桶10内水体的浊度值与该设定值相比较，若前者小于后者，则可编程控制器2向电磁铁5发出通电指令，吸引装满硅藻土粉末的试剂盒6移动至出料口9，使硅藻土粉末落入搅拌桶10内与清水混合，当搅拌桶10内硅藻土悬浮液的浊度值等于或超过设定值时，该值反馈回可编程控制器2，可编程控制器2向电磁铁5发出断电指令，试剂盒6在拉力弹簧8的作用下回到原位，硅藻土粉末自动重新装满试剂盒6，如此反复循环，保证搅拌桶10内硅藻土悬浮液的浊度值始终等于或超过设定值；

C．手动开启阀门16，使搅拌桶10内的硅藻土悬浊液通过放样管15进入实验水槽，开启实验水槽内的潜水泵使水体流动，开启声学多普勒流速仪（ADV）17进行流速测量实验，同时通过预先安装在计算机1上的声学多普勒流速仪（ADV）17配套采集软件观察信噪比值，使实验水槽内水体的信噪比达到声学多普勒流速仪（ADV）17操作手册的规定值。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

本发明采用反馈控制方式，可根据实验需要自动调整加噪剂的施放量；采用电磁铁与拉力弹簧交替作用使试剂盒往复运动，实现自动定量施放加噪剂；采用多孔放样管使加噪剂悬浊液均匀进入被测水体，由此可知：本发明选用廉价的硅藻土替代昂贵的ADV-seeding和有损于ADV探头的石灰粉，采用简单可行的机械结构，结合反馈控制系统，实现了声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的自动均匀施放，成本低廉，操作简单，能够满足物理模型实验的实际需要。

附图说明

图1是自动施放声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的装置的结构示意图；

附图标记：

A-控制单元；B-送料单元；C-放样单元；D-实验水槽；

1-计算机；2-可编程控制器；3-漏斗；4-送样槽；5-电磁铁；6-试剂盒；7-上挡板；8-拉力弹簧；9-出料口；10-搅拌桶；11-进水管；12-溢流管；13-潜水泵；14-浊度计；15-放样管；16-阀门；17-声学多普勒流速仪（ADV）。

图2是实验水槽俯视图；

图3是浊度反馈控制流程图；

具体实施方式

实施例1：自动施放声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的装置

其中：

1. 可编程控制器2为西门子S7-200 PLC，型号为CPU 224XP CN，具有两个RS485通讯口，24点开关量I/O，共三个模拟量输入输出口，其中两个为输入口，1个为输出口，模拟量转换精度是12位。

送样槽4为长方形有机玻璃盒，尺寸为长20cm，宽6cm，高6cm，开有4.5cm*4.5cm的正方形孔口做为出料口。

电磁铁5为XRN-P25/20圆形吸盘电磁铁，尺寸为直径2.5cm，高2cm，自重50g，采用12V直流电源供电，能产生的吸力为50N。

试剂盒6为铁质方形盒，上下均为通孔，尺寸为长5cm，宽5cm，高6cm，一次能盛放20g硅藻土粉末。

搅拌桶10为有机玻璃圆桶，尺寸为直径50cm，高40cm，底部装有搅拌器，侧壁设有进水口和溢流口。其中进水口位于距底部35cm高度处，有进水管11与其相连，通过潜水泵13从实验水槽内抽水进入搅拌桶10内。溢流口位于距底部30cm高度处，搅拌桶10内水位高于30cm的水将通过溢流管12流回实验水槽。

浊度计为美国D&A公司OBS3+浊度仪，传感器探头直径2.5cm，测量范围为0~5g/l。

放样管15为有机玻璃材质圆形直管，管径1cm，沿管壁每隔1cm钻一个圆孔，孔直径为2mm。

实验水槽D结构如图2所示，尺寸为长30m，宽1m，高1m，整体为水泥底座，周围采用钢架结构，两侧为钢化玻璃，中间隔板为木质结构。

实施例2：自动施放声学多普勒流速仪（ADV）加噪剂的装置的使用方法及步骤

A．制备加噪剂原料，分选粒径在10-20um之间的硅藻土粉末1000g，干燥备用；

B．将干燥硅藻土粉末置于漏斗3中，开启潜水泵13将搅拌桶10中装满水并开启搅拌器，开启浊度计14测量搅拌桶10内水体的浊度值，开启可编程控制器2并设定需要的最低浊度值80mg/l，若浊度计14反馈的搅拌桶10内水体的浊度值小于80mg/l，则可编程控制器2向电磁铁5发出通电指令，吸引装满硅藻土粉末的试剂盒6移动至出料口9，使硅藻土粉末落入搅拌桶10内与清水混合，当搅拌桶10内硅藻土悬浮液的浊度值等于或超过80mg/l时，该值反馈回可编程控制器2，可编程控制器2向电磁铁5发出断电指令，试剂盒6在拉力弹簧8的作用下回到原位，硅藻土粉末自动重新装满试剂盒6，如此反复循环，保证搅拌桶10内硅藻土悬浮液的浊度值始终等于或超过80mg/l；

C．手动开启阀门16，使搅拌桶10内的硅藻土悬浊液通过放样管15进入实验水槽，开启实验水槽内的潜水泵使水体流动，开启声学多普勒流速仪（ADV）17进行平均流速测量实验，同时通过预先安装在计算机1上的声学多普勒流速仪（ADV）17配套采集软件观察信噪比值，使实验水槽内水体的信噪比等于或超过5dB（声学多普勒流速仪（ADV）17操作手册中测量平均流速的推荐值）。

其中：

浊度反馈控制流程如图3所示，具体步骤如下：

第一步浊度计14测量搅拌桶10内硅藻土悬浊液的浊度，输出4～20mA信号；

第二步可编程控制器2通过AIW0端口读取该电信号，并转换成相应的浊度值；

第三步可编程控制器2判断该实测浊度值是否小于给定浊度值；

第四步若小于则通过O0.0端口输出开信号，反之则输出关信号；

第五步电磁铁5收到开信号则吸引试剂盒6至出料口9送料至搅拌桶10，否则停止送料至搅拌桶10。

Claims

1.一种自动施放声学多普勒流速仪加噪剂的装置，其特征在于：该装置由控制单元，送料单元、放样单元、实验水槽及声学多普勒流速仪所构成，其中所述的控制单元由计算机（1）和可编程控制器（2）组成；送料单元由漏斗（3），送样槽（4），电磁铁（5），试剂盒（6），上挡板（7），拉力弹簧（8）和出料口（9）组成，漏斗（3）的下部通过送样槽（4）的进料口与试剂盒（6）相对接，送样槽（4）的内侧一端安装有电磁铁（5），另一侧安装有拉力弹簧（8），下部设置有出料口（9），试剂盒（6）的上端一侧安装有上挡板（7）；放样单元由搅拌桶（10），进水管（11），溢流管（12），潜水泵（13），浊度计（14），放样管（15）和阀门（16）组成，搅拌桶（10）放置在出料口（9）的下方，其上端装有进水管（11）和溢流管（12），其中溢流管（12）的安装高度低于进水管（11），进水管（11）与放置在实验水槽内的潜水泵（13）相连，搅拌桶（10）内壁一侧安装有浊度计（14），搅拌桶（10）的底部安装有2-4根放样管（15），在每根放样管（15）的上部安装有阀门（16），放样管（15）上钻有圆孔；实验水槽为长方形，中间设有两块隔板将实验水槽一分为二，其中长隔板的长度是实验水槽全长的三分之二，隔板下端与实验水槽底部相连接，在实验水槽与短隔板的封闭端放置潜水泵，另将水管一端与潜水泵连接，另一端搁在短隔板上；放样管（15）放置于实验水槽实验区，与实验水槽底部垂直；将声学多普勒流速仪（17）固定在专用定位架上，放置于实验水槽的实验区内；电磁铁（5）和浊度计（14）通过信号线与可编程控制器（2）相连；声学多普勒流速仪（17）通过信号线与计算机（1）连接。

2.一种自动施放声学多普勒流速仪加噪剂的装置的使用方法，其特征在于，使用步骤如下：

A．制备加噪剂原料，分选粒径在10-20um之间的硅藻土粉末，干燥备用；

B．将干燥硅藻土粉末置于漏斗（3）中，开启潜水泵（13）将搅拌桶（10）中装满水并开启搅拌器，开启浊度计（14）测量搅拌桶（10）内水体的浊度值，开启可编程控制器（2）并设定需要的最低浊度值，将浊度计（14）反馈的搅拌桶（10）内水体的浊度值与该设定值相比较，若前者小于后者，则可编程控制器（2）向电磁铁（5）发出通电指令，吸引装满硅藻土粉末的试剂盒（6）移动至出料口（9），使硅藻土粉末落入搅拌桶（10）内与清水混合，当搅拌桶（10）内硅藻土悬浮液的浊度值等于或超过设定值时，该值反馈回可编程控制器（2），可编程控制器（2）向电磁铁（5）发出断电指令，试剂盒（6）在拉力弹簧（8）的作用下回到原位，硅藻土粉末自动重新装满试剂盒（6），如此反复循环，保证搅拌桶（10）内硅藻土悬浮液的浊度值始终等于或超过设定值；

C．手动开启阀门（16），使搅拌桶（10）内的硅藻土悬浊液通过放样管（15）进入实验水槽，开启实验水槽内的潜水泵使水体流动，开启声学多普勒流速仪（17）进行流速测量实验，同时通过预先安装在计算机（1）上的声学多普勒流速仪（17）配套采集软件监视信噪比值，使实验水槽内水体的信噪比达到声学多普勒流速仪（17）操作手册的规定值。