一种水流流向流速测量装置和测量方法

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，尤其涉及一种水流流向流速测量装置和测量方法。

背景技术

目前，水流流速测量主要包括械旋浆式海流计、电磁式海流计、声学多普勒流速仪等设备。

根据不同的需要，上述流速测量仪器都有较为广泛的应用，但在很多情况下上述仪器的测量精度与范围无法满足海洋科学发展的需要。

例如，机械旋浆式海流计其机械旋转部分的磨损和腐蚀会影响仪器的精度和寿命，在浑浊的水域或者含有大量废物的水域中，机械旋浆容易被阻塞，影响测量结果的准确性；电磁式海流计需要稳定的电源，并且在电磁干扰较大的环境下会影响测量的准确性。声学多普勒流速仪测量的是海洋中的平均流速，而并非某一点的流速，因此会存在误差，且该设备成本相对较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的至少一方面缺陷，提供一种水流流向流速测量装置和测量方法，使其能够更加广泛地应用于多种情况的水域，保证测量精度，且降低成本。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种水流流向流速测量装置，包括导流环、罗经仪、弹性抵流部、测距磁环和磁致位移传感器，所述导流环设置为环形，用于旋转安装在水中，并使得水流经过其中；所述罗经仪安装在所述导流环上，用于测量所述导流环的旋转方向和旋转角度；所述弹性抵流部的外端与所述导流环连接，用于受到经过所述导流环及其自身水流的冲击而伸展；所述测距磁环与所述弹性抵流部的内端连接，用于随着所述弹性抵流部的伸展进行移动；所述磁致位移传感器用于测量所述测距磁环的移动方向和移动距离；其设置有传感器导杆，所述传感器导杆位置固定并套设在所述测距磁环内，用于使得所述测距磁环沿其长度方向导向移动。

本发明的水流流向流速测量装置，所述导流环和所述弹性抵流部用于使得水流经过其中，并通过水流冲击产生旋转；由于所述弹性抵流部在水体流动时对水流具有阻挡作用，从而带动所述导流环随着水流方向变化而旋转，使得所述导流环的中心轴线保持与水流方向一致。所述罗经仪用于测量所述导流环的旋转方位角，从而通过导流环的方位角与水流方向角之间差值90°的关系，得到水流方向角。在水体静止不流动时，所述弹性抵流部其弹性材料不发生形变时，所述弹性抵流部收缩至所述导流环所在的平面。有水流发生并流经所述导流环和所述弹性抵流部时，受到经过所述导流环及所述弹性抵流部自身水流的冲击作用，所述弹性抵流部的弹性材料发生形变伸展，从而带动所述测距磁环移动；水流流速不同，所述弹性抵流部的伸展幅度也不同，从而带动所述测距磁环移动的距离也不同。所述磁致位移传感器用于测量所述测距磁环的位移，并将此位移与不同位移条件下对应的水流流速数据进行对应对比，获得该位移所对应的水流流速。

优选地，所述导流环旋转安装在转轴上，所述导流环的中心轴线与所述转轴垂直。

优选地，所述罗经仪固定安装在所述导流环上。

优选地，所述转轴包括上转轴和下转轴，所述导流环的顶部和底部分别旋转安装在所述上转轴和所述下转轴上。

优选地，所述转轴上安装有固定件。

优选地，所述固定件设置为固定钩。

优选地，所述固定件包括上固定件和下固定件，分别安装在所述上转轴和所述下转轴上。

优选地，所述下固定件上设置有配重件。

优选地，所述传感器导杆与所述导流环固定连接。

第二方面，本发明提供一种水流流向流速测量方法，采用如本发明第一方面中任一项所述的水流流向流速测量装置，包括以下步骤：

步骤S1、获得多个水流流速对应的测距磁环位移：在实验室中，通过所述磁致位移传感器测量得到多个不同水流流速下所述测距磁环的位移，得到多个不同水流流速v所分别对应的所述测距磁环的位移s；

步骤S2：安装水流流向流速测量装置：将所述水流流向流速测量装置固定放置到水中预设深度位置处，且使得所述导流环旋转安装在水中；

步骤S3：测量水流方向：水流经过所述导流环，引导所述导流环旋转，通过所述罗经仪测量所述导流环的方位角d，通过式（1）计算得到水流方位角d'，

步骤S4：测量测距磁环位移：水流经过所述导流环并冲击所述弹性抵流部，使得所述弹性抵流部沿水流方向伸展，带动所述测距磁环移动，通过所述磁致位移传感器测量所述测距磁环的位移s；

步骤S5：获得水流流速：根据步骤S1得到的不同水流流速v所分别对应的所述测距磁环的位移s，获得步骤S4中测得的所述测距磁环的位移s所对应的水流流速v。

本发明提供的水流流向流速测量装置和测量方法，具有以下有益效果：

本发明提供的水流流向流速测量装置，以及采用该测量装置的水流流向流速测量方法，能够更加广泛地应用于多种情况的水域的水流速流向的测量，保证测量精度，且降低成本，并适合进行某一点的水流流向流速的测量。

附图说明

图1为本发明实施提供的水流流向流速测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施提供的一个实施例的水流流向流速测量方法的流程图。

图3为本发明实施提供的另一个实施例的水流流向流速测量方法的流程图。

图中附图标记：

1为导流环，110为转轴，111为固定件，2为罗经仪，3为弹性抵流部，4为测距磁环，510为传感器导杆，511为连接杆。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

请参照图1，一种水流流向流速测量装置，包括导流环1、罗经仪2、弹性抵流部3、测距磁环4和磁致位移传感器，导流环1设置为环形，用于旋转安装在水中，并使得水流经过其中；罗经仪2安装在导流环1上，用于测量导流环1的旋转方向和旋转角度；弹性抵流部3的外端与导流环1连接，用于受到经过导流环1及其自身水流的冲击而伸展；测距磁环4与弹性抵流部3的内端连接，用于随着弹性抵流部3的伸展进行移动；磁致位移传感器用于测量测距磁环4的移动方向和移动距离；其设置有传感器导杆510，传感器导杆510位置固定并套设在测距磁环4内，用于使得测距磁环4沿其长度方向导向移动。

其中，内端指靠近测距磁环4的中心轴线的一端，外端指远离测距磁环4的中心轴线的一端。

本实施例的水流流向流速测量装置适用于例如海水的流向流速测量，其中，导流环1的直径可以大于测距磁环4的直径，导流环1和测距磁环4的中心轴线可以重合；弹性抵流部3由弹性材料制得，其可以设置为非线型的具有预设宽度、预设面积的弹性材料层，其连接在导流环1和测距磁环4之间，用于在水流冲击作用下发生形变伸展；弹性抵流部3不受到水流冲击作用时，其弹性材料无形变，此时，其可以收缩至导流环1所在的平面。当水流过导流环1后冲击弹性抵流部3，使得弹性抵流部3的弹性材料变形，导致弹性抵流部3伸展延长；在实验室对各种流速v下弹性抵流部3其弹性材料的伸长变形量进行对应测定后，能够通过测量弹性抵流部3其弹性材料的伸长变形量得到水流流速。此外，水流过导流环1后冲击弹性抵流部3及导流环1旋转，通过罗经仪2测量导流环1的旋转方位角，由于导流环1的中心轴线方向与导流环1所在平面垂直，即，导流环1的方位角方向与水流方向垂直，所以，水流方向角度=导流环1的旋转方位角-90°，从而得到水流方向。

可以具体地，导流环1所在平面与测距磁环4所在平面相互平行，且与传感器导杆510垂直，即，导流环1所在平面及测距磁环4所在平面的中心轴线与传感器导杆510平行。传感器导杆510的一端位于测距磁环4的初始位置，另一端沿弹性抵流部3受到水流冲击时的变形延伸方向进行延伸。导流环1的直径大于测距磁环4的直径。

可以具体地，导流环1所在平面与测距磁环4所在平面相互平行且不重合，即，导流环1所在平面与测距磁环4所在平面之间设置有距离；弹性抵流部3在未受到水流冲击的初始状态时为倾斜结构。

例如，弹性抵流部3设置为非线型的具有预设宽度、预设面积的、带状的弹性材料层，其连接在导流环1与测距磁环4之间。弹性抵流部3在未受到水流冲击的初始状态时为倾斜的弹性材料层；当水流冲击弹性抵流部3时，该初始状态倾斜的弹性抵流部3变形延伸，使其与传感器导杆510之间的倾斜夹角减小。

或者，弹性抵流部3设置为锥形管状的弹性材料层，其外端的环形边缘与导流环1的环形结构对应连接，其内端的环形边缘与测距磁环4的环形结构对应连接。弹性抵流部3在未受到水流冲击的初始状态时，其呈原本的锥形管状，其锥角朝向传感器导杆510另一端的延伸方向。当水流冲击弹性抵流部3时，该初始状态为锥形管的弹性抵流部3变形延伸，使其锥角减小。

还可以具体地，导流环1设置为圆环。测距磁环4设置为圆环。弹性抵流部3设置为圆锥形管状。

或者还可以具体地，导流环1所在平面与测距磁环4所在平面重合，即，导流环1与测距磁环4位于同一平面；弹性抵流部3在未受到水流冲击的初始状态时，与导流环1及测距磁环4位于同一平面。

例如，弹性抵流部3设置为非线型的具有预设宽度、预设面积的、带状的弹性材料层，其连接在导流环1与测距磁环4之间。弹性抵流部3在未受到水流冲击的初始状态时，与导流环1及测距磁环4位于同一平面；当水流冲击弹性抵流部3时，弹性抵流部3变形延伸，使其与传感器导杆510之间产生倾斜夹角。

或者，弹性抵流部3设置为环形的弹性材料层，其外端的环形边缘与导流环1的环形结构对应连接，其内端的环形边缘与测距磁环4的环形结构对应连接。弹性抵流部3在未受到水流冲击的初始状态时，其呈原本的环形，其锥角朝向传感器导杆510另一端的延伸方向。当水流冲击弹性抵流部3时，弹性抵流部3变形延伸，呈锥管状。

还可以具体地，弹性抵流部3设置为圆环形。

可以具体地，导流环1和测距磁环4所在平面为竖向平面，弹性抵流部3在未受到水流冲击的初始状态时所在平面也为竖向平面，传感器导杆510为水平杆。

可以具体地，弹性抵流部3其弹性材料可以采用氯丁橡胶材料。

其中，罗经仪2和磁致位移传感器可以采用现有技术产品，分别用于实现测量导流环1的旋转方位角和测距磁环4的位移。

在一些实施例中，罗经仪2固定安装在导流环1上。例如，罗经仪2安装在导流环1的顶部。

在一些实施例中，导流环1旋转安装在转轴110上，导流环1的中心轴线与转轴110垂直。

可以具体地，导流环1上开设有轴孔，转轴110旋转安装在轴孔内。

可以具体地，转轴110包括上转轴和下转轴，导流环1的顶部和底部分别旋转安装在上转轴和下转轴上。

可以具体地，上转轴和下转轴对称布置且位于同一条竖直直线上。

可以具体地，导流环1的顶部和底部分别开设有上轴孔和下轴孔，上转轴和下转轴分别旋转安装在上轴孔和下轴孔内。上轴孔和下轴孔均设置为竖向孔。

在一些实施例中，转轴110上安装有固定件111。

可以具体地，固定件111设置为固定钩。固定钩可以设置为挂钩。固定钩可以用来连接绳索，用于将该水流流向流速测量装置放入水中，也可以用于通过绳索固定该水流流向流速测量装置。

可以具体地，固定件111包括上固定件和下固定件，分别安装在上转轴和下转轴上。上固定件和下固定件均设置为固定钩。上固定件其固定钩连接在上转轴的上端。下固定件其固定钩连接在下转轴的下端。

可以具体地，下固定件上设置有配重件。例如，下固定件其固定钩上悬挂有重物，利于在水流流速较大时，保持导流环1所在平面为竖直面，避免导流环1被水流冲击倾斜。

在一些实施例中，传感器导杆510与导流环1固定连接。

可以具体地，传感器导杆510通过连接杆511与导流环1固定连接。连接杆511的一端与传感器导杆510的端部连接，另一端与导流环1连接。连接杆511设置有两个，两个连接杆511对称布置且位于同一条直线上。

可以具体地，传感器导杆510设置为一个或多个，多个传感器导杆510相互平行，且均与导流环1的中心轴线平行。

实施例2

请结合参照图2，一种水流流向流速测量方法，采用实施例1中任一项所述的水流流向流速测量装置，包括以下步骤：

步骤S1、获得多个水流流速对应的测距磁环位移：在实验室中，通过磁致位移传感器测量得到多个不同水流流速下测距磁环4的位移，得到多个不同水流流速v所分别对应的测距磁环4的位移s；

步骤S2：安装水流流向流速测量装置：将水流流向流速测量装置固定放置到水中预设深度位置处，且使得导流环1旋转安装在水中；

步骤S3：测量水流方向：水流经过导流环1，引导导流环1旋转，通过罗经仪2测量导流环1的方位角d，通过式（1）计算得到水流方位角d'，

步骤S4：测量测距磁环位移：水流经过导流环1并冲击弹性抵流部3，使得弹性抵流部3沿水流方向伸展，带动测距磁环4移动，通过磁致位移传感器测量测距磁环4的位移s；

步骤S5：获得水流流速：根据步骤S1得到的不同水流流速v所分别对应的测距磁环4的位移s，获得步骤S4中测得的测距磁环4的位移s所对应的水流流速v。

请参照图3，在一些实施例中，当进行步骤S4时，若通过磁致位移传感器测量测距磁环4的位移s为0时，可以进行步骤S6、取出测量装置并旋转调整：将所述水流流向流速测量装置从水中取出，将其水平旋转预设角度后，重复进行步骤S1至S5。

需要说明的是，当进行步骤S4时，若通过磁致位移传感器测量测距磁环4的位移s为0，则有可能是水流方向持续保持与磁致位移传感器测量测距磁环4的位移s方向之间的夹角恰好为90°或180°，导致导流环1无法随水流方向旋转，此时测距磁环4卡住无法产生位移。

可以具体地，根据实际情况，多次重复进行步骤S6至通过磁致位移传感器测量测距磁环4的位移s不为0；或者，多次重复进行步骤S6至通过磁致位移传感器测量测距磁环4的位移s确认重复为0。

上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。