波浪测量分析处理系统及其应用（曾祥,李静,张苏）

时间：2021-01-14 08:09:57　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要: 研究水力学中的波浪问题，对于分析水工建筑物泄洪消能对电站尾水的波动、下游水面的波动、通航水流条件等具有重要意义。开发一套由软、硬件组成的波高数据自动采集分析系统，并将其成功应用于乌江银盘水电站水力学整体模型。该系统方便、迅速、操作简便，可满足科研生产需要。由于采用面向对象方法开发，进一步开发功能十分方便。对波高传感器的测量原理、波高测量统计分析原理、系统软件设计及工程应用作了详细介绍。

关键词: 船模通航波高数据采集VC

中图分类号: TV139.2+5 文献标识码: A

1 概述

研究水力学中的波浪问题，分析水工建筑物泄洪消能对电站尾水的波动、下游水面的波动影响以及通航水流条件等具有重要意义。船舶在引航道内航行或停泊，对水流变化比较敏感，而引航道内水流又很复杂，常出现一些不利的流态，所以为保障船舶进出引航道安全，必须弄清引航道内的水流特性。

波高测量对于泄洪消能后电站尾水和下游水面波动，特别是对于航道通航问题，船队航行安全具有非常重要的意义。船舶（队）能否安全、方便、快速地进出船闸与其引航道，与口门区通航水流条件紧密相关，它涉及船闸所处的地形、地貌、水流、航道等具体条件，以及其它建筑物如冲沙闸、泄洪闸、电站厂房的布置等因素。因此，要求引航道、口门区纵横向流速不应过大，不应有复杂的流态，如泡漩、大强度涡流，不应有较高的波浪。因此，研究水利枢纽通航水流条件，考虑枢纽运行对通航流态的影响，保证船舶通航安全非常必要。

参考波浪指标可研究制定各种改善措施，改变非恒定流对航运的不利影响，满足船（队）的航行条件和停泊条件等各项标准，为内河通航建筑物方案的选型、论证提供科学依据。目前有关引航道通航水流的研究，国内主要依赖于实体模型及船模试验。水工模型波高测量中的基本问题，包括波高数据获取、波形参数分析和波形表示几部分。通常意义上的波高测量，首先是数据采量测量，其后进行波高参数的分析［1］。

现就波高测量系统阐述波高采集的硬件结构及软件系统测试的方法原理，并列举该系统在乌江银盘水电站泄洪消能水力学整体模型中的应用。

2 系统硬件框图

波高数据采集测量系统主要由计算机、直流电源、波高采集传感器、数据采集卡、系统软件和打印机等组成，图1是波高数据采集测量系统的硬件表示。

波高传感器采用长江科学院自行研制的WH波高传感器。

采用的数据采集卡为USB2000A，该卡是USB总线兼容的数据采集板，可经USB电缆接入计算机，其A/D转换电路部分指标为:A/D分辨率12Bit（4096）;非线性误差±1LSB（最大）;转换时间10μs;系统测量精度（满量程）0.1%;采样速率100K。使用的量程范围为:-5～+5v。

3 测量原理

3.1 波高传感器测量原理

在试验过程中，要实时采集波浪高度和波浪形状，这个采集是利用波高传感器来实现的。波高传感器是一种电容式传感器，由壳体和两个平行的电极构成，壳体内有信号放大电路。两个电极之间相当于一个电容，在空气中，两极之间的电容很小，电阻为∞。当把两个电极插入水中时，两极之间的电容和电阻随着水深的变化而变化。水中两极之间的电阻为r，水中两极之间的电容为Cr 。其中r和Cr 都是随着插入水中的深度H变化的。因此，Cr 两端的电压u也是随H而变化的［2］。

由于每次测定前都要重新安装传感器，且将传感器任意放入模型航道测点处，相对水面位置是任意的，加之信号线路杂散寄生电容和仪器零漂等因素影响，因而每次测量前都有必要进行静水标零，静水标零数据，不仅是每次测量浪高计算的基准值，也可分析系统有无故障存在。

3.2 波高测量统计分析原理

波高与周期的测量包括最大波高、1/10最大波高、1/3波高、平均周期等特征值。本系统测量采用上跨零点法测量以上参数。下面对这几个参数简介如下:

不规则波的波列中具有一定统计特征的波高。由于外观波形的不规则性和随机性，目前多数采用“上跨零点法”对外观波形（表视波）及其要素给予定义。对一个不规则波的波高，首先确定其无趋势项的水位零点，波动水位过程线自波谷上升与零线交点称为上跨零点，自波峰下降与零线交点称为下跨零点，两个相邻上跨零点之间的波形称为一个表视波，两个相邻上跨零的跨离称为周期，波峰顶和波谷底的垂直距离称为波高。

最大波高是波浪连续记录中波高的最大值。将波浪之波高大小按照顺序排列，所有波高个数中最大之1/10个波高之平均值，称为1/10最大波高，以H1/10代表;所有波高个数中最大之1/3个波高之平均值，称为1/3最大波高，或称为有意义波高、有效波高。

平均波高是波浪连续记录中所有波高的平均值，其对应周期的平均值为平均周期。

通航波高测量是将传感器置于下游引航道中，船模兴起的波浪使引航道的水面上下波动，引起传感器的电容量线性变化，经波高仪转变为电压信号输出，再将此信号经隔离放大器放大到-5～+5v范围内，再进入到A/D板转换，将数据采集到计算机中，绘成波形曲线，并形成数据库文件，计算波浪的波高和周期参数等，具体过程如下:

（1）对于采集得到的电压值，输入数组，每个数值乘以波高仪的率定系数，成为模型波高数据。根据模型比尺，原型波高###=Lr ×模型波高。将所有数据计算平均值作为波高零点，每个原始波高减去波高零点，将波形中线移到波高零点。

（2）用上跨零点法统计波的个数。

（3）在每一个完整波形数组内，将数值排序，统计波峰顶和波谷底的垂直距离，两者绝对值相加作为一个完整波高值。

（4）将本次测量中所有波高值由大到小排序，对于换算成原型波高值后小于15cm的波，认为是噪声，忽略不计。

（5）将前1/10个最大波高的平均值统计作为1/10最大波高。将前1/3个最大波高的平均值统计作为1/3最大波高。最大波高数计为B0。

（6）计算波的周期。

波的周期=（采样频率×波的个数）/采集的数据点数（1）

式中采样频率为系统设置的A.D板单位时间采集的数据点数;波的个数为在采集时间内统计到的有效波的个数;采集的数据点数为在采集时间内统计到的数据点数。

4 系统软件设计

4.1 软件总体框图

软件系统是采用面向对象的方法开发的，用Microsoft公司的Visual C++6.0编程。系统运行环境为中文Win2000、Win98、Win XP。系统采用汉字按钮菜单选项，界面均为WINDOWS风格，操作简便，易于学习，软件总体框图见图2。

4.2 软件结构

（1）输入输出模块。输入输出模块由波高传感器采集到的电压值，实时显示采集波形，可调整波形显示比例，同时以文本格式保存电压值。波形回放可以从系统中调入保存的电压值，显示波形，重新计算显示结果。实时连续采集可以连续采集1min的波形数据，采样频率为10点/s。采样频率和连续采集时间可调整。

（2）率定系数。率定系数模块可以对传感器系数进行率定，取多次平均值，得到波高传感器电压值与传感器入水深度变化的对应比例关系。

（3）数据分析。数据分析模块包括将采集的电压值换算成位移值、将波形平移到以零点为中心、用上跨零点法统计波的个数、计算1/10最大波高、1/3最大波高、波的平均周期、最大波高。

（4）结果显示模块。结果显示模块包括以数据的形式显示处理分析后的各计算参数，波形的显示。

5 工程应用

将本测试系统应用于乌江银盘水电站泄洪消能水力学整体模型试验。该模型左区4孔采用面流体型，中区4孔及右区2孔采用底流体型。在通航工况下通过5500、7000m3/s二级流量下的电站3台机组过流1700m3/s，10孔控泄、8孔控泄、6孔控泄、4孔控泄4种调度方式下，下游引航道口门区波高的对比试验，每个波高测试断面间隔50cm（原型50m）。5500m3/s流量下，H上=215m，H下=190.15m;7000m3/s流量下，H上=215m，H下=192.92m。经对比试验，发现下游引航道口门区波高在各工况下，随着流量增加，波高随之增加;随开启孔数减少，波高随之增加;随各断面距离引航道口门区越远，波高数据越大。其中，以Q总 =5500m3/s，10孔控泄条件下，波高数据最为理想，但仍然不满足通航水流条件要求。

根据工程特点，可考虑采取使尾水主流偏向或延长下游引航道隔流堤等优化措施，避免电站尾水主流直接影响下游引航道口门区，从而使口门区波高满足通航水流条件。各工况下，波高测试数据见表1。

6 结语

采用本文的波高数据采集系统分析水工模型通航航道波高参数，不仅可以得到所需参数，而且可以连续监测整个过程的测量波形。

本系统已在乌江银盘水电站泄洪消能水力学整体模型中得到应用，结果表明，该系统方便、迅速、操作简便，能为科研生产服务，参考该项指标可研究制定各种改善措施，改变非恒定流对航运的不利影响，满足船（队）的航行条件和停泊条件的各项标准，可为内河通航建筑物方案的选型、论证提供科学依据。

由于该系统采用面向对象的方法开发，对其维护和进一步的扩充功能十分方便。

参考文献:

［1］胡旭跃，李彪.水利枢纽通航水流条件研究综述.水运工程，2005，12.

［2］白连平，苏彦民.波高传感器的数学模型.仪表技术与传感器，1999，（12）.

作者简介: 曾祥，男，长江水利委员会长江科学院水资源综合利用研究所，高级工程师。