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基于虚拟仪器的光电式径流相关流速测量系统的研究

沈逸  
【摘要】:在水土流失研究中,坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数。开展径流流速的研究对于深入研究坡面径流的动力机制,进一步揭示土壤侵蚀机理至关重要。 目前尚没有一种广泛使用的测量径流流速的专用仪器,国内外众多研究机构依然采用染料示踪法测量径流流速。该方法需要人工操作,并且存在人为目视产生的误差。因此研究一种可以实时、在线测量径流流速的自动化测量系统具有重要的科学意义和实用价值。 土壤侵蚀所形成的坡面径流是水沙液固两相流。本研究从两相流理论出发,基于相关流速测量理论,采用LabVIEW虚拟仪器开发平台,研制了一套径流流速在线测量系统。主要结论有: 1.对相关测量流速方法进行了理论分析和研究,建立了相关法测量流速的数学模型。 2.基于相关流速测量理论,采用图形化编程语言LabVIEW虚拟仪器开发平台构建了一套径流流速在线测量系统,包括红外光电传感器、信号调理电路、PCI-6040E数据采集卡以及使用LabVIEW开发的相关测量软件,构成了虚拟仪器。 3.直接幅值相关计算方法精度高,但是计算复杂度较高,计算时间相对较长。采用FFT快速相关算法能够在不影响计算精度的情况下,将系统相关算法的计算复杂度从O(N~2)降低为O(3/2Nlog_2N+N),理论上计算速度提高了37倍,大大提高了系统的响应速度。 4.试验结果表明该测量系统适用的泥沙含量范围为0~250kg/m~3,在此范围内不需要调整修正系数,因此测量系统具有良好的适应性。测量系统全量程重复性参数——相关流速平均值标准偏差最大值σ((?)max)为0.097m/s,可重复性较好。以染料示踪法测得流速作为标准值进行标定试验,系统最大相对误差为4.14%,测量准确度较高。 5.系统采用光学方法测量流速,不易受外界电磁干扰,可靠性好;非接触式的测量方法使传感器不介入流体,避免了测量系统对径流流速的影响。多次试验结果表明,该径流相关流速测量系统能够快速、实时、在线地测量坡面径流的流速,操作方便、性能稳定、工作可靠,不易受到外界的干扰。


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