解質(zhì)脈沖薄層水流流速測(cè)量?jī)x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(jì)劃專項(xiàng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過2年大量土壤侵蝕科研實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，完成多項(xiàng)科研實(shí)驗(yàn)任務(wù)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，目前已在多個(gè)科研機(jī)構(gòu)獲得應(yīng)用。
為了實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)脈沖的產(chǎn)生、溶質(zhì)遷移曲線測(cè)量和速度計(jì)算，并適應(yīng)上文要求，設(shè)計(jì)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(chǔ)及參數(shù)計(jì)算，前兩部分主要實(shí)現(xiàn)控制功能，后兩個(gè)部分簡(jiǎn)稱為測(cè)量操作系統(tǒng)。
電解質(zhì)脈沖發(fā)生器：要產(chǎn)生一個(gè)電解質(zhì)脈沖波，要求加入電解質(zhì)的時(shí)間很短，或相對(duì)于測(cè)量時(shí)間很短并且要求加入的電解質(zhì)溶液適量，據(jù)此設(shè)計(jì)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(shí)小孔為常閉，電磁閥控制活塞開的時(shí)間間隔為100-6000ms，若時(shí)間間隔為500ms時(shí)，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(zhǎng)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(cè)的信號(hào)。信號(hào)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(hào)，輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)的信號(hào)，多可同時(shí)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(shí)間與電解液注入時(shí)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(diǎn)/s，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度短為ls。
參數(shù)計(jì)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(hào)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(chǔ)數(shù)據(jù)文件名、測(cè)量距離和脈沖時(shí)間。每次數(shù)據(jù)用三個(gè)同名、但擴(kuò)展名不同的文件存儲(chǔ)，采集的原始數(shù)據(jù)文件名用*. nls(二進(jìn)制)、計(jì)算的參數(shù)結(jié)果用*. jgl（文本格式)，與原始數(shù)據(jù)對(duì)照的計(jì)算值用*. jg2(文本格式)存儲(chǔ)。采集與計(jì)算可以設(shè)置為同時(shí)進(jìn)行，也可以先采集，然后計(jì)算。連續(xù)采集時(shí)，存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)的文件名自動(dòng)加1，如開始設(shè)置文件名為file_ 001. nls，則第二次采集時(shí)自動(dòng)更改為file_ 002. nls。測(cè)量距離的初始值為0. 5-5.Om，間隔為0.5m，共分十組，與測(cè)量探針對(duì)應(yīng)，可根據(jù)需要更改。脈沖時(shí)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(shí)要求單位時(shí)間的脈沖量以保持測(cè)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(diǎn)型，或者用打印機(jī)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(dǎo)出同名的*.dat文本文件)。
可知只有兩個(gè)待定參數(shù)，可用小二乘法采集對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算使計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差小
輸出計(jì)算結(jié)果并圖形顯示
參數(shù)計(jì)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(cè)量的值，速度值Umax為距離與C出現(xiàn)值的時(shí)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(jì)算確定合適的U值，由U值計(jì)算DH。這樣由初始DH,C0值和小二乘法計(jì)算出參數(shù)u,DH和C0.
系統(tǒng)功能: 為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)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(diǎn)，操作系統(tǒng)共為四大模塊;即采集控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、計(jì)算模塊、顯示模塊和結(jié)果存儲(chǔ)模塊，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。這些模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能:
① 用采集板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，本測(cè)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(hào)為士lOV;安裝在數(shù)據(jù)采集管理器中。
②過電路對(duì)電解質(zhì)脈沖發(fā)生器進(jìn)行控制，使數(shù)據(jù)開始采集時(shí)，電解質(zhì)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)電解質(zhì)脈沖。
③可與計(jì)算分離，計(jì)算結(jié)果自動(dòng)。存儲(chǔ)。
④采集時(shí)間和頻率可調(diào)，能適應(yīng)不同條件下的測(cè)量工作。設(shè)計(jì)采用中英文兩個(gè)版本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品國(guó)際化。
采集控制模塊
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
計(jì)算模塊
結(jié)果存儲(chǔ)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(chǔ)采集的原始數(shù)據(jù)，和實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)
計(jì)算水流速度和泥沙含量
合并存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果及計(jì)算結(jié)果
操作系統(tǒng)的功能模塊
二、儀器組成
流速測(cè)量探針 10個(gè)
電解質(zhì)脈沖發(fā)生器：1個(gè)
數(shù)據(jù)采集管理器： 1臺(tái)
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(cè)量相對(duì)誤差小于：8%
同時(shí)監(jiān)測(cè)10個(gè)點(diǎn)的流速時(shí)空變化
主機(jī)工作溫度范圍為0～+60°C，相對(duì)濕度為10～90﹪
采樣頻率范圍1—100點(diǎn)/秒（大于100按100點(diǎn)計(jì)算），采樣時(shí)間范圍1—1000秒，放大倍數(shù)1—2—4三個(gè)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)測(cè)量多點(diǎn)坡面薄層水流流速
設(shè)定初始參數(shù)后，整個(gè)測(cè)量過程全自動(dòng)完成
數(shù)據(jù)分析、流速換算、存儲(chǔ)自動(dòng)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)?shí)驗(yàn)要使用的探針依次排開，并記錄各探針坐標(biāo)（以電解質(zhì)脈沖發(fā)生器噴嘴正下方為原點(diǎn)），通過計(jì)算控制程序按預(yù)先設(shè)定的時(shí)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(cè)薄層水流的基礎(chǔ)上疊加KCL溶液，KCL溶液與被測(cè)薄層水流混合后，將以被測(cè)薄層水流相同的速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其經(jīng)過各個(gè)探針時(shí)都會(huì)引起探針周圍電導(dǎo)率的突變，測(cè)量探針的電導(dǎo)率，采用模型算法，就可算出被測(cè)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(duì)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(yùn)行的應(yīng)用程序。”單擊“確定”按鈕。
3、彈出對(duì)話框，其中“更改目錄”選項(xiàng)可選擇安裝路徑，單擊安裝圖標(biāo)繼續(xù)。
4、在彈出的對(duì)話框中，單擊“繼續(xù)”按鈕
5、彈出對(duì)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(biāo)，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(biāo)運(yùn)行系統(tǒng)，進(jìn)入以下界面：
操作系統(tǒng)界面
實(shí)驗(yàn)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(gè)主菜單:實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)管理
實(shí)驗(yàn)管理包含5項(xiàng)選擇:
新實(shí)驗(yàn)—測(cè)量后，恢復(fù)到待測(cè)狀態(tài);
實(shí)驗(yàn)另存為—對(duì)已測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存為新的文件;
讀入實(shí)驗(yàn)—讀入已測(cè)實(shí)驗(yàn)，以便其他后續(xù)工作，如計(jì)算等;
New O1—此為系統(tǒng)假定的開始文件名，點(diǎn)擊可以改變初始設(shè)定值，下次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)自動(dòng)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(cè)量點(diǎn)之間的距離和頻率等實(shí)驗(yàn)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(jìn)入采集狀態(tài);
采集設(shè)置—設(shè)置實(shí)驗(yàn)的初始條件，一是通道設(shè)置，系統(tǒng)可同時(shí)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(diǎn)坐標(biāo)，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(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)采集量，即每秒內(nèi)采集的點(diǎn)數(shù)，單位為點(diǎn)/秒，為10000點(diǎn)/秒，小為1點(diǎn)/秒;五是采集時(shí)間，短為1s，長(zhǎng)為10000s；（注意：時(shí)間和點(diǎn)的成績(jī)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(cè)水流的高度；
③曲線設(shè)置—分為坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)、連線/點(diǎn)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(dǎo)出數(shù)據(jù)和輸出圖形;導(dǎo)出數(shù)據(jù)是指將系統(tǒng)開始以ASCI工碼存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)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(cè)量?jī)x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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)串口連接
實(shí)驗(yàn)操作：
1、準(zhǔn)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(dāng)位置，并以此位置為原點(diǎn)在薄層水流流經(jīng)觀測(cè)點(diǎn)處將探針土中(下游探針序號(hào)和坐標(biāo)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(jì)算機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)主界面，單擊“采集控制”選項(xiàng)，在彈出的下拉菜單中選擇“采集設(shè)置”，選擇通道號(hào)；然后填入探針坐標(biāo)(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(diǎn)數(shù),一般選用10/S)、采樣時(shí)間(比薄層水流從電解質(zhì)脈沖發(fā)生器到后一個(gè)探針流經(jīng)的時(shí)間稍大)、脈沖寬度(釋放鹽水的時(shí)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(shí),將光標(biāo)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(yàn)管理”選項(xiàng)，在彈出的下拉菜單中選擇“試驗(yàn)另存為”選項(xiàng)，選擇試驗(yàn)文件的保存位置。
6、形成被測(cè)薄層水流，然后單擊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主界面上左下方的“采集數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，電解質(zhì)脈沖發(fā)生器釋放KCL溶液，當(dāng)KCL溶液隨被測(cè)薄層水流流經(jīng)每一探針時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)以波峰的形式記錄下該探針周圍電導(dǎo)率的變化
7、如需進(jìn)行下試驗(yàn)則重復(fù)執(zhí)行步驟4——6
8、如計(jì)算機(jī)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(kuò)散模型自動(dòng)求解各探針每次測(cè)量時(shí)的瞬時(shí)速度，每次數(shù)據(jù)采集完畢形成電導(dǎo)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(kuò)散系數(shù)(C0),探針處瞬時(shí)速度(u,米/秒),及其他數(shù)理統(tǒng)計(jì)偏差參數(shù).
10.數(shù)據(jù)的處理：?jiǎn)螕粝到y(tǒng)主界面上的“數(shù)據(jù)操作“選項(xiàng)，在彈出的下拉菜單中單擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，在彈出的“另存為”對(duì)話框中選擇要導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件名，單擊“保存”按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇導(dǎo)出文件的存儲(chǔ)位置并重新對(duì)文件命名，單擊“保存”按鈕，完成導(dǎo)出數(shù)據(jù)，導(dǎo)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(duì)其進(jìn)行操作處理
試驗(yàn)實(shí)例：
在長(zhǎng)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(shí)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(jìn)行測(cè)量，采集頻率為100點(diǎn)l秒。在用電解質(zhì)脈沖法測(cè)量的同時(shí)，用流量法測(cè)量流速，即用積分桶測(cè)量流量Q(m3/s)，水位計(jì)測(cè)量水深H(m)，結(jié)合水槽寬度D(m)，可計(jì)算流速。測(cè)量電導(dǎo)波形結(jié)果如下圖，點(diǎn)擊軟件主界面左下面的模型求解，可得計(jì)算結(jié)果如下表所示。
從圖電導(dǎo)波形圖可知，本儀器測(cè)量效果較好，第六組探針由于固定不太好，有輕微的震動(dòng)，測(cè)量結(jié)果有的波動(dòng)。測(cè)量曲線的值也是一個(gè)逐漸減小的趨勢(shì)。對(duì)實(shí)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)差。參數(shù)代入擬和公式，可得模擬曲線和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較圖，在測(cè)試距離大于或等于lm時(shí)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，決定系數(shù)均大于0.9，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.01。
計(jì)算程序擬合結(jié)果
Label 1. Nonlinear regression results
測(cè)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(shí)測(cè)電導(dǎo)波形如下：
實(shí)測(cè)電導(dǎo)波形圖
歸一化實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果如下：
實(shí)測(cè)電導(dǎo)波形歸一化圖
當(dāng)測(cè)試距離大于lm時(shí)，電解質(zhì)脈沖法與流量法測(cè)量的水流速度誤差很小，說明電解質(zhì)脈沖測(cè)量薄層水流速度是可行的。但在測(cè)試距離小于lm時(shí)，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(jì)算的結(jié)果與流量法的測(cè)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(shí)間相對(duì)于測(cè)量時(shí)間而言太大。在測(cè)試距離為lm時(shí)，兩種方法測(cè)量結(jié)果仍有較大的誤差，因此測(cè)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(cè)量距離需進(jìn)一步改進(jìn)電磁閥的電路，并選擇更好的電磁閥，加快反應(yīng)時(shí)間。
總結(jié)：為了測(cè)量薄層水流流速，本系統(tǒng)在鹽液示蹤法的基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)量手段進(jìn)行了大量的
改進(jìn)，實(shí)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(dǎo)率的變化，并地測(cè)量。
(2)設(shè)計(jì)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(zhǎng)，同時(shí)能使之與測(cè)量同步。
(3)圖形顯示清晰，存儲(chǔ)結(jié)果清楚，能地測(cè)量效率。
(4)電解質(zhì)脈沖遷移模型的擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合，說明測(cè)量和擬合都是可行的，說明電解質(zhì)脈沖法測(cè)量薄層水流速度是可行的。
(5)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采集、成圖、計(jì)算、輸出等自動(dòng)化，為其它測(cè)量方法(如熱脈沖)的研究提供了較好的平臺(tái)。為使測(cè)量平均速度的距離更短，需在脈沖頻率方面做的改進(jìn)。
綜上所述，電解質(zhì)脈沖法測(cè)量水流速度和泥沙含量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速、自動(dòng)測(cè)量薄層水流流速的功能。
