[发明专利]一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置及其测量方法

说明书

本发明涉及一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置及其测量方法，属于水文数据测量技术领域。本发明包括压力传感器、电磁流速仪、姿态传感器、CPU电路、控制开关、LoRa电路、天线、上位机；电磁流速仪采集实时单点水流速度，压力传感器采集实时气压、水压及水温数据，姿态传感器采集水下铅鱼的实时姿态数据；CPU电路存储实时姿态数据、压力数据和流速数据并通过LoRa电路与天线发送到上位机；上位机解算融合得到三维姿态角数据和水深数据，并结合流速数据计算得到水流流量数据。本发明采用电磁流速仪测量流速，并根据实时姿态选取稳定状态下的流速数据，实现了精确流速测量及水流流量计算，适应于各种复杂水域环境。

技术领域

本发明涉及一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置及其测量方法，属于水文数据测量技术领域。

背景技术

目前，在水文数据测量技术领域内，水域流量是反映江河、湖泊、水库等水体水量变化的基本数据，是河流最重要的水文特征。传统水文流速测量方法是依靠水流对转子式流速仪旋桨的冲击，并通过旋桨的回转率与流速之间的函数关系，进而计算得到流速数据。但转子式流速仪机械结构精密，含有旋转活动部件，对测量环境有较高的要求，在天然的河道中容易出现泥沙堵塞、水草缠绕、杂物撞击造成机械部件的损坏和顶针、玛瑙座、宝石轴承等零件生锈等问题；且其测量范围小，连续工作时间较短（只有8个小时），无法满足水文监测的需求，且必须经常加仪器油来进行保护，操作繁琐复杂。电磁流速仪没有旋转活动部件，就不会出现被杂物缠绕的问题，其较低的功耗也保证了其在水下长时间稳定地工作，且其测量范围和测量精度都要高于转子式流速仪。但电磁流速仪在测量的过程中会在水流的作用下随着铅鱼摇摆、旋转不定，由于河水的能见度较低，无法通过人眼判断当前流速仪的姿态是否稳定，就无法准确获得动态情况下相对准确的流速数据，从而导致电磁流速仪测量出的流速数据误差大，计算出的流量数据不准确。同时，在计算流量值时需要用到铅鱼所在的水深数据，传统水文测量水深方法是采用的模拟式相对压力传感器测量水深数据或者在钢缆上设置数字编码器并结合入水开关信号测得入水钢缆长度来得到水深数据，但二者都有其局限性，模拟式相对压力传感器精度低，体积大，操作不方便，且无法固定在铅鱼上，而钢缆由于自身形变拉伸和水流带动铅鱼发生偏移使得测得的入水钢缆长度与实际水深数据有较大的误差。数字式压力传感器测量水深相较于传统测量水深方法，有着精度高，体积小，功耗低的优点，更适合水文测量工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供了一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置及其测量方法，用于解决水文缆道测流速时传统转子式流速仪数据精度低、采集数据工作效率低下、设备维护不方便和电磁流速仪随铅鱼摇摆旋转从而导致流速数据误差大的问题，及解决水文缆道测水深时传统方法得到的水深数据误差大、应用环境苛刻等问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于实时姿态的电磁流速流量测量装置，包括压力传感器1、电磁流速仪2、姿态传感器3、CPU电路4、控制开关5、LoRa电路6、天线7、上位机8；压力传感器1输出端、电磁流速仪2输出端和姿态传感器3输出端分别与CPU电路4输入端相连，CPU电路4输出端与控制开关5控制端相连，CPU电路4通信端与LoRa电路6信号输入端相连，控制开关5电源输出端与LoRa电路6电源输入端相连，LoRa电路6信号输出端与天线7相接，天线7与上位机8相通信。

具体地，所述的压力传感器1用于采集铅鱼入水前当地气压及入水后实时水压、水温数据；电磁流速仪2用于采集实时水流流速数据；姿态传感器3用于采集水下铅鱼的实时姿态数据；CPU电路4存储压力传感器1、电磁流速仪2、姿态传感器3的检测数据，然后将检测数据封装成数据包通过LoRa电路6、天线7发送给上位机8，同时CPU电路4还通过控制开关5来开启或关闭LoRa电路6；上位机8接收数据包后，解算出三维姿态角数据和水深数据，并筛选出稳定状态下的流速数据和水深数据，代入流速面积法计算公式中计算得到准确的水流流量数据。

优选地，所述压力传感器1采用低功耗直流供电的数字式压力传感器。