解質(zhì)脈沖薄層水流流速測量儀使用說明書
聯(lián)系方式 郵箱： 業(yè)務(wù)聯(lián)系：
一、原理
該儀器是水土保持研究所百人計劃專項研制，獲得發(fā)明技術(shù)的土壤侵蝕科研儀器，儀器研制成功后在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)重點實驗室經(jīng)過2年大量土壤侵蝕科研實驗應(yīng)用，完成多項科研實驗任務(wù)，取得了良好的實驗效果，目前已在多個科研機構(gòu)獲得應(yīng)用。
為了實現(xiàn)電解質(zhì)脈沖的產(chǎn)生、溶質(zhì)遷移曲線測量和速度計算，并適應(yīng)上文要求，設(shè)計操作/控制系統(tǒng)如下，系統(tǒng)由四部分組成，即電解質(zhì)脈沖發(fā)生器、感應(yīng)探針、數(shù)據(jù)采集與存儲及參數(shù)計算，前兩部分主要實現(xiàn)控制功能，后兩個部分簡稱為測量操作系統(tǒng)。
電解質(zhì)脈沖發(fā)生器：要產(chǎn)生一個電解質(zhì)脈沖波，要求加入電解質(zhì)的時間很短，或相對于測量時間很短并且要求加入的電解質(zhì)溶液適量，據(jù)此設(shè)計電解質(zhì)脈沖發(fā)生器如下圖所示。
電解質(zhì)脈沖發(fā)生器
在上圖中，電解液的容器為玻璃制作的馬氏瓶(1)，容量約為250m1。電解液采用飽和的KC1溶液。為容器恒壓，上端玻璃管(2)，孔徑為lmm。下端有10* 0. 6mm的小孔(3)，小孔開閉由電磁閥(4, 5)控制。平時小孔為常閉，電磁閥控制活塞開的時間間隔為100-6000ms，若時間間隔為500ms時，釋放KC1溶液為6ml。
感應(yīng)探針和數(shù)據(jù)采集：感應(yīng)探針為直徑為0. 4mm，長2Ocm的鋼針，感應(yīng)探針的電源控制如下圖所示。
感應(yīng)探針和數(shù)據(jù)采集電路
感應(yīng)探針之間間隔為3.5cm，輸入電壓為10士0. 05V，調(diào)節(jié)電阻RP1(上圖)可調(diào)整輸入電壓。經(jīng)分壓后輸出探針檢測的信號。信號通過通用數(shù)據(jù)采集控制板，經(jīng)模數(shù)板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入計算機存儲。本系統(tǒng)設(shè)計成可同時測量多點的信號，多可同時使用10組感應(yīng)探針，這些感應(yīng)探針分別與數(shù)據(jù)采集管理器端口連接。數(shù)據(jù)采集開關(guān)用程序控制，開始時間與電解液注入時間同步。采集數(shù)據(jù)的頻率根據(jù)需要可分別設(shè)定為1, 5, 10, 50, 100, 500和1000點/s，測量時間長度短為ls。
參數(shù)計算： 參數(shù)操作系統(tǒng)共分為數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出兩部分。數(shù)據(jù)采集主要包括參數(shù)設(shè)置和信號控制、數(shù)據(jù)管理和圖形顯示四部分。參數(shù)設(shè)置主要包括存儲數(shù)據(jù)文件名、測量距離和脈沖時間。每次數(shù)據(jù)用三個同名、但擴展名不同的文件存儲，采集的原始數(shù)據(jù)文件名用*. nls(二進制)、計算的參數(shù)結(jié)果用*. jgl（文本格式)，與原始數(shù)據(jù)對照的計算值用*. jg2(文本格式)存儲。采集與計算可以設(shè)置為同時進行，也可以先采集，然后計算。連續(xù)采集時，存儲原始數(shù)據(jù)的文件名自動加1，如開始設(shè)置文件名為file_ 001. nls，則第二次采集時自動更改為file_ 002. nls。測量距離的初始值為0. 5-5.Om，間隔為0.5m，共分十組，與測量探針對應(yīng)，可根據(jù)需要更改。脈沖時間為600ms，可設(shè)置為60s，在電解質(zhì)脈沖發(fā)生器的性能后，小可設(shè)置為10ms，但這同時要求單位時間的脈沖量以保持測試結(jié)果的顯著性。以上數(shù)據(jù)可以在本系統(tǒng)中用圖形顯示，顯示形式可以是線型或點型，或者用打印機輸出。也可以用其它軟件如Excel重現(xiàn)(采集的原始數(shù)據(jù)需用本系統(tǒng)導出同名的*.dat文本文件)。
可知只有兩個待定參數(shù)，可用小二乘法采集對原始數(shù)據(jù)進行擬合。擬合程序用Visual Basic語言編寫，流程框圖如下圖所示。
讀入采集的原始數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)歸一化
設(shè)定參數(shù)初值
循環(huán)計算使計算值與實測值的誤差小
輸出計算結(jié)果并圖形顯示
參數(shù)計算流程框圖
參數(shù)初值用黃金分割法確定，即先假定C0的初始值為測量的值，速度值Umax為距離與C出現(xiàn)值的時間比值，小值Umin為，然后設(shè)速度為U=Umin+0. 618*Umax，這樣經(jīng)循環(huán)計算確定合適的U值，由U值計算DH。這樣由初始DH,C0值和小二乘法計算出參數(shù)u,DH和C0.
系統(tǒng)功能: 為了實現(xiàn)測量自動化，采用Visual Basic語言編寫了操作/控制系統(tǒng)。利用Basic
語言的特點，操作系統(tǒng)共為四大模塊;即采集控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、計算模塊、顯示模塊和結(jié)果存儲模塊，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。這些模塊主要實現(xiàn)以下功能:
① 用采集板對數(shù)據(jù)進行采集，本測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制采集板 的分辨率為1it，通過率為40KHz，輸入電壓信號為士lOV;安裝在數(shù)據(jù)采集管理器中。
②過電路對電解質(zhì)脈沖發(fā)生器進行控制，使數(shù)據(jù)開始采集時，電解質(zhì)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個電解質(zhì)脈沖。
③可與計算分離，計算結(jié)果自動。存儲。
④采集時間和頻率可調(diào)，能適應(yīng)不同條件下的測量工作。設(shè)計采用中英文兩個版本，實現(xiàn)產(chǎn)品國際化。
采集控制模塊
數(shù)據(jù)存儲模塊
計算模塊
結(jié)果存儲模塊
顯示模塊
控制ID板和電磁閥，產(chǎn)生電脈沖和采集數(shù)據(jù)
存儲采集的原始數(shù)據(jù)，和實驗條件參數(shù)
計算水流速度和泥沙含量
合并存儲實驗和模擬結(jié)果及計算結(jié)果
操作系統(tǒng)的功能模塊
二、儀器組成
流速測量探針 10個
電解質(zhì)脈沖發(fā)生器：1個
數(shù)據(jù)采集管理器： 1臺
數(shù)據(jù)分析管理軟件：1份
操作使用說明書： 1份
三、 參數(shù)性能
參數(shù)：
流速測量相對誤差小于：8%
同時監(jiān)測10個點的流速時空變化
主機工作溫度范圍為0～+60°C，相對濕度為10～90﹪
采樣頻率范圍1—100點/秒（大于100按100點計算），采樣時間范圍1—1000秒，放大倍數(shù)1—2—4三個倍數(shù)。
使用交流220V～250V、60HZ供電，220V可一直于儀器連接，
功率：小于1瓦。
儀器使用壽命大于7年
性能：
可實時在線監(jiān)測測量多點坡面薄層水流流速
設(shè)定初始參數(shù)后，整個測量過程全自動完成
數(shù)據(jù)分析、流速換算、存儲自動完成
四、儀器操作使用說明
將電解質(zhì)脈沖發(fā)生器固定好，沿水流方向?qū)嶒炓褂玫奶结樢来闻砰_，并記錄各探針坐標（以電解質(zhì)脈沖發(fā)生器噴嘴正下方為原點），通過計算控制程序按預先設(shè)定的時間打開電解質(zhì)脈沖發(fā)生器上的電磁閥，釋放出量的KCL溶液，即在被測薄層水流的基礎(chǔ)上疊加KCL溶液，KCL溶液與被測薄層水流混合后，將以被測薄層水流相同的速度運動，當其經(jīng)過各個探針時都會引起探針周圍電導率的突變，測量探針的電導率，采用模型算法，就可算出被測薄層水流流速。
系統(tǒng)軟件的使用說明
一、系統(tǒng)的操作使用
1、系統(tǒng)光盤
2、彈出對話框，系統(tǒng)提示“安裝程序不能安裝系統(tǒng)文件或正在使用的共享文件。在繼續(xù)之前，建議您關(guān)閉任何正在運行的應(yīng)用程序。”單擊“確定”按鈕。
3、彈出對話框，其中“更改目錄”選項可選擇安裝路徑，單擊安裝圖標繼續(xù)。
4、在彈出的對話框中，單擊“繼續(xù)”按鈕
5、彈出對話框，提示安裝成功，單擊“確定”按鈕，完成安裝，用戶還可在桌面上創(chuàng)建快捷圖標，便于使用
二、系統(tǒng)軟件的功能
在Windows環(huán)境下，在桌面上雙擊快捷圖標運行系統(tǒng)，進入以下界面：
操作系統(tǒng)界面
實驗條件設(shè)定和數(shù)據(jù)采集界面采用了下拉式菜單，共分五個主菜單:實驗管理、采集控制、曲線設(shè)置、數(shù)據(jù)操作和幫助，其具體功能如下。
①實驗管理
實驗管理包含5項選擇:
新實驗—測量后，恢復到待測狀態(tài);
實驗另存為—對已測量的實驗結(jié)果保存為新的文件;
讀入實驗—讀入已測實驗，以便其他后續(xù)工作，如計算等;
New O1—此為系統(tǒng)假定的開始文件名，點擊可以改變初始設(shè)定值，下次實驗，系統(tǒng)自動在后一位序列上加1;
退出—退出系統(tǒng);
②采集控制
采集控制主要是設(shè)置測量點之間的距離和頻率等實驗初始條件。
采集數(shù)據(jù)—此和界面左側(cè)的采集按鈕功能一樣，使系統(tǒng)產(chǎn)生電脈沖并進入采集狀態(tài);
采集設(shè)置—設(shè)置實驗的初始條件，一是通道設(shè)置，系統(tǒng)可同時使用10組感應(yīng)探針；二是曲線色彩，選擇10組通道所采集數(shù)據(jù)在屏幕上顯示的顏色，使顯示效果更適合用戶:三是探點坐標，設(shè)置感應(yīng)探針與電解質(zhì)脈沖發(fā)生器之間的距離，單位為M；四是采集頻率，確定單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)采集量，即每秒內(nèi)采集的點數(shù)，單位為點/秒，為10000點/秒，小為1點/秒;五是采集時間，短為1s，長為10000s；（注意：時間和點的成績不能大于等于10000）六是電解質(zhì)脈沖發(fā)生器控制部分，可設(shè)置脈沖寬度和脈沖器離所測水流的高度；
③曲線設(shè)置—分為坐標網(wǎng)絡(luò)、連線/點作圖和顯示，此主要確定屏幕顯示的環(huán)境和形態(tài)。
④數(shù)據(jù)操作—導出數(shù)據(jù)和輸出圖形;導出數(shù)據(jù)是指將系統(tǒng)開始以ASCI工碼存儲的實驗數(shù)據(jù)保存為.dat格式文件;
⑤幫助—系統(tǒng)說明書。
硬件連接使用說明
一、儀器的連接。
電解質(zhì)脈沖薄層水流流速測量儀中的數(shù)據(jù)采集管理器背面如下圖所示：
1、 圖中1——10為探針接口，將實驗用探針與依次與各自接口連接
2、 將電解質(zhì)脈沖發(fā)生器與“打閥”接口連接
3、 “電源”與220伏交流電源連接
4、 用數(shù)據(jù)線將“RS232”接口與計算機串口連接
實驗操作：
1、準備工作
1、完成儀器的連接，
2、將電解質(zhì)脈沖發(fā)生器固定于土壤中的適當位置，并以此位置為原點在薄層水流流經(jīng)觀測點處將探針土中(下游探針序號和坐標距離總大于此探針為參考的上游探針)
3、打開數(shù)據(jù)采集管理器的開關(guān)，
4、計算機運行系統(tǒng)進入系統(tǒng)主界面，單擊“采集控制”選項，在彈出的下拉菜單中選擇“采集設(shè)置”，選擇通道號；然后填入探針坐標(此探針距電解質(zhì)脈沖發(fā)生器直線距離,單位:米)；分別設(shè)定采樣頻率(每秒數(shù)據(jù)采集點數(shù),一般選用10/S)、采樣時間(比薄層水流從電解質(zhì)脈沖發(fā)生器到后一個探針流經(jīng)的時間稍大)、脈沖寬度(釋放鹽水的時間即鹽水量)和脈沖器高度(電解質(zhì)脈沖發(fā)生器噴嘴距地面高度)，以上各參數(shù)設(shè)置時,將光標置于參數(shù)數(shù)字上,左擊增加,右擊減少,單擊“關(guān)閉設(shè)置”，完成采集設(shè)置；。
5、單擊系統(tǒng)主界面中的“試驗管理”選項，在彈出的下拉菜單中選擇“試驗另存為”選項，選擇試驗文件的保存位置。
6、形成被測薄層水流，然后單擊計算機系統(tǒng)主界面上左下方的“采集數(shù)據(jù)”選項，電解質(zhì)脈沖發(fā)生器釋放KCL溶液，當KCL溶液隨被測薄層水流流經(jīng)每一探針時，計算機會自動以波峰的形式記錄下該探針周圍電導率的變化
7、如需進行下試驗則重復執(zhí)行步驟4——6
8、如計算機系統(tǒng)顯示的波幅過小不便于觀察，可將數(shù)據(jù)采集管理器正面的“放大倍數(shù)”按鈕調(diào)至2或4倍
9，模型求解：主要用于用擴散模型自動求解各探針每次測量時的瞬時速度，每次數(shù)據(jù)采集完畢形成電導曲線圖，可單擊＂模型求解＂，即可得出速度擬合疊加曲線圖,此圖下部的信息框中,顯示擴散系數(shù)(C0),探針處瞬時速度(u,米/秒),及其他數(shù)理統(tǒng)計偏差參數(shù).
10.數(shù)據(jù)的處理：單擊系統(tǒng)主界面上的“數(shù)據(jù)操作“選項，在彈出的下拉菜單中單擊“導出數(shù)據(jù)”選項，在彈出的“另存為”對話框中選擇要導出的數(shù)據(jù)文件名，單擊“保存”按鈕，在彈出的對話框中選擇導出文件的存儲位置并重新對文件命名，單擊“保存”按鈕，完成導出數(shù)據(jù)，導出的數(shù)據(jù)以txt的文本文件方式存在,用戶可根據(jù)各自需要，對其進行操作處理
試驗實例：
在長為4m寬15cm的玻璃槽的底部貼上砂紙，模擬土壤表層，坡度可調(diào)。水流量控制在0.0004m3/s士10%，泥沙含量為100kg/m'。坡度調(diào)至120，在水流穩(wěn)定后(約lm處)、滴入電解液的時間為600ms，由六組感應(yīng)探針分別在0.5m, 1.0m, 1.5m,2. 0m, 2.5m和3.0m進行測量，采集頻率為100點l秒。在用電解質(zhì)脈沖法測量的同時，用流量法測量流速，即用積分桶測量流量Q(m3/s)，水位計測量水深H(m)，結(jié)合水槽寬度D(m)，可計算流速。測量電導波形結(jié)果如下圖，點擊軟件主界面左下面的模型求解，可得計算結(jié)果如下表所示。
從圖電導波形圖可知，本儀器測量效果較好，第六組探針由于固定不太好，有輕微的震動，測量結(jié)果有的波動。測量曲線的值也是一個逐漸減小的趨勢。對實測結(jié)果歸一化和小二乘法擬合后，可得到參數(shù)如下表所示，表中R2為決定系數(shù)，σ為標準差。參數(shù)代入擬和公式，可得模擬曲線和實測結(jié)果的比較圖，在測試距離大于或等于lm時模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合，決定系數(shù)均大于0.9，標準差小于0.01。
計算程序擬合結(jié)果
Label 1. Nonlinear regression results
測試距離（m）
0.5
1
1.5
2
2.5
3
C0
0.25
0.73
1.35
1.82
2.36
2.84
u(m/s)
0.744
0.952
1.024
1.056
1.021
1.035
DH
0.19
0.039
0.042
0.028
0.031
0.021
Σ
0.017
0.004
0.002
0.002
0.001
0.007
R2
0.61
0.94
0.96
0.95
0.97
0.98
流量法（u′,m/s）
1.03
1.03
1.04
1.05
1.06
1.06
誤差（%）
38
7.5
1.5
0.5
3.6
2.5
實測電導波形如下：
實測電導波形圖
歸一化實測和模擬結(jié)果如下：
實測電導波形歸一化圖
當測試距離大于lm時，電解質(zhì)脈沖法與流量法測量的水流速度誤差很小，說明電解質(zhì)脈沖測量薄層水流速度是可行的。但在測試距離小于lm時，盡管采集數(shù)據(jù)從理論和圖形來看是合理的，但用此模型計算的結(jié)果與流量法的測量結(jié)果有較大的誤差，從擬合圖形上也能清楚地看到。這可能是本系統(tǒng)研制的電解質(zhì)脈沖發(fā)生器的脈沖時間相對于測量時間而言太大。在測試距離為lm時，兩種方法測量結(jié)果仍有較大的誤差，因此測量距離與電解質(zhì)脈沖發(fā)生器的脈沖頻率有關(guān)，要縮短測量距離需進一步改進電磁閥的電路，并選擇更好的電磁閥，加快反應(yīng)時間。
總結(jié)：為了測量薄層水流流速，本系統(tǒng)在鹽液示蹤法的基礎(chǔ)上對測量手段進行了大量的
改進，實現(xiàn)了以下功能:
(1)采用合理的探針，探針電壓可調(diào)，使之地感應(yīng)到電導率的變化，并地測量。
(2)設(shè)計了比較合理的電解質(zhì)脈沖發(fā)生器，不能智能控制其脈沖波長，同時能使之與測量同步。
(3)圖形顯示清晰，存儲結(jié)果清楚，能地測量效率。
(4)電解質(zhì)脈沖遷移模型的擬合結(jié)果與實測結(jié)果比較吻合，說明測量和擬合都是可行的，說明電解質(zhì)脈沖法測量薄層水流速度是可行的。
(5)系統(tǒng)實現(xiàn)了采集、成圖、計算、輸出等自動化，為其它測量方法(如熱脈沖)的研究提供了較好的平臺。為使測量平均速度的距離更短，需在脈沖頻率方面做的改進。
綜上所述，電解質(zhì)脈沖法測量水流速度和泥沙含量系統(tǒng)實現(xiàn)了快速、自動測量薄層水流流速的功能。
