基于小威龍的涌潮流速高速采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 超 ，潘冬子

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

涌潮是潮波在入海河流河口段傳播過(guò)程中產(chǎn)生的波陡趨于極限而破碎的潮水暴漲現(xiàn)象，是河口地區(qū)特有的自然現(xiàn)象。世界上至少有450處河口存在涌潮[1]，其中以我國(guó)錢塘江河口的涌潮最為典型，具有流速大、破壞力強(qiáng)、水沙運(yùn)動(dòng)復(fù)雜等諸多特點(diǎn)。目前研究涌潮的主要方法有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)測(cè)資料分析和水槽試驗(yàn)。其中Yeh H H等利用矩形水槽測(cè)試潮前流速、涌潮高度及涌潮傳播速度等參量，分析了涌潮水流結(jié)構(gòu)[2-5]。

在使用多普勒流速儀（以下簡(jiǎn)稱“小威龍”）生產(chǎn)廠商附送的采集軟件進(jìn)行多通道采集時(shí)，每個(gè)通道的采樣頻率達(dá)不到設(shè)備最高的200 Hz，特別是8個(gè)流速儀同時(shí)采集時(shí)，每個(gè)流速儀最高只能設(shè)定為25 Hz。這種數(shù)據(jù)采集速率不足以測(cè)量快速變化的涌潮潮頭流速。為此，本文設(shè)計(jì)了一套高速采集系統(tǒng)，最多支持16個(gè)小威龍同時(shí)以200 Hz采集流速數(shù)據(jù)。

1 涌潮的水槽模擬

在涌潮玻璃水槽中開展各種潮前水深、潮前落潮流速和涌潮高度多方案試驗(yàn)，測(cè)量涌潮的傳播速度、流速垂向分布，捕捉涌潮形態(tài)[5]。

1.1 設(shè)施設(shè)備

試驗(yàn)在浙江省水利河口研究院六堡試驗(yàn)基地的長(zhǎng)50.0 m，寬1.2 m，高0.6 m的涌潮玻璃水槽中進(jìn)行。使用多個(gè)電容式波高傳感器測(cè)量涌潮高度，通過(guò)多個(gè)挪威Nortek AS公司的小威龍點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀采集流速數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)在水槽中進(jìn)行，因此只需要測(cè)量X方向的流速。測(cè)點(diǎn)位置布置見圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)位置布置圖 單位：mm

1.2 試驗(yàn)控制參數(shù)及模型比尺

涌潮水槽試驗(yàn)以重力流為主，采用模型比尺為25的正態(tài)模型。對(duì)潮前水深在1.25 ～ 3.75 m且潮前落潮流速在0.00 ～ 2.00 m/s條件下的波狀涌潮和漩滾涌潮分別進(jìn)行測(cè)量。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)上下游變頻器運(yùn)行頻率產(chǎn)生漲落潮流，直到潮前水深、落潮流速穩(wěn)定。在此工況下，再改變下游變頻器運(yùn)行頻率，產(chǎn)生波狀涌潮或漩滾涌潮。最后，當(dāng)涌潮潮頭即將到達(dá)上游閘板時(shí)，上游閘板自動(dòng)放平，潮頭通過(guò)閘板流入回水池，避免反射波的干擾[6]。

1.4 頻率改變量與涌潮狀態(tài)關(guān)系

通過(guò)試驗(yàn)得到涌潮高度（h）與下游變頻器頻率增幅(Δf下游)成對(duì)數(shù)關(guān)系[5]，當(dāng)潮前水深h≤2.00 m時(shí)，Δf下游≤2.0 Hz為波狀涌潮，Δf下游≥6.0 Hz為強(qiáng)漩滾涌潮；當(dāng)潮前水深2.50 m≤h≤3.00 m時(shí)，Δf下游≤3.0 Hz為波狀涌潮，Δf下游≥8.0 Hz為強(qiáng)漩滾涌潮；當(dāng)潮前水深h≥3.75 m時(shí)，Δf下游≤5.0 Hz為波狀涌潮，Δf下游≥10.0 Hz為強(qiáng)漩滾涌潮。

2 高速采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

高速采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖見圖2。其中USB4716是研華公司生產(chǎn)的高速USB接口數(shù)據(jù)采集卡[7]，主要技術(shù)性能如下：

16路模擬量輸入通道；

16位分辨率；

采樣速率最高200 kS/s；

便攜設(shè)計(jì)，高速USB2.0接口；

具有8路DI，8路DO，2路AO及1路32位計(jì)數(shù)器。

圖2 高速采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2.2 配置步驟

為了能夠同時(shí)對(duì)多臺(tái)小威龍進(jìn)行200 Hz高速采集，需設(shè)置一些參數(shù)，具體步驟如下：

（1）使用配置軟件對(duì)每臺(tái)小威龍按表1配置各項(xiàng)參數(shù)，并將小威龍?jiān)O(shè)置為上電即采集數(shù)據(jù)的狀態(tài)；

表1 小威龍配置參數(shù)表

（2）將小威龍接線端子上X、COM接口與USB4716的CHx、COMx分別相連；

（3）將波高儀接線端子與USB4716的CHx、COMx分別相連；

（4）PC機(jī)上安裝好驅(qū)動(dòng)，連接好USB4716；

（5）調(diào)試好涌潮水流條件后，從上位機(jī)軟件里讀取數(shù)據(jù)并保存。

2.3 波高儀輸出信號(hào)

波高儀量程為50 cm，輸出信號(hào)為0.0 ～ 10.0 VDC，0.0 V輸出表示波高為0 cm，10.0 V輸出表示波高為50 cm。

2.4 小威龍輸出信號(hào)

小威龍輸出信號(hào)為0.0 ～ 5.0 VDC[9]，當(dāng)配置的量程為1.00 m/s時(shí)，0.0 V輸出表示流速為- 1.00 m/s，2.5 V輸出表示流速為0.00 m/s，5.0 V輸出表示流速為1.00 m/s。

2.5 上位機(jī)采集軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采集軟件基于MFC，使用USB4716的中斷采樣模式采集數(shù)據(jù)。具體步驟如下：

（1）新建MFC單文檔工程，將driver.h頭文件和adsapi32.lib庫(kù)文件添加到工程；

（2）工程屬性/Linker/Input/Additional dependencies里添加adsapi32.lib；

（3）工程屬性/Linker/General/Additional library dependencies里添加adsapi32.lib所在目錄；

（4）程序里設(shè)定單次采集數(shù)據(jù)為128個(gè)，波高通道Gain 為 4(（0 - ±10）V)，流速通道 Gain 為 0(（0 - ±5）V)，觸發(fā)模式為0（內(nèi)部軟件觸發(fā)），數(shù)據(jù)類型為1（電壓值），循環(huán)模式為1（循環(huán)采集），使能標(biāo)志為1（事件使能），采樣速率設(shè)定為1600 Hz（8通道，每通道200 Hz），F(xiàn)IFO為64；

（5）根據(jù)水流條件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并保存。

采集軟件工作的流程見圖3。

圖3 采集軟件流程圖

3 結(jié)果及結(jié)論

3.1 結(jié)果

2種波高和涌潮流速見圖4。

圖4 2種波高和涌潮流速圖

3.2 結(jié) 論

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）高速采集系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)；

（2）驗(yàn)證頻率改變量與涌潮形態(tài)的關(guān)系。