非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置及方法

主权项

一种非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，应用于一供含砂流体在其中流动的水槽；该装置包含：一支架组，包括二对称地分别设于该水槽二侧的直立支撑架，每一支撑架设有多数纵向间隔排列的定位部，且该等定位部与另一支撑架的定位部相对应而高程对齐；一组超音波测定单元，包括一超音波发射端、一接收端，及一组传输线，该发射端与接收端分别可移离地装设于该二支撑架的高程相对齐的定位部，且该发射端用以对水槽中之流体发射一发射讯号，该接收端则用以接收一由该发射讯号通过流体后成为的衰减讯号；及一处理单元，透过该组传输线与该发射端、接收端连接，可依据该发射讯号及衰减讯号的强度得知衰减量，并推算对应之泥砂浓度。依据申请专利范围第1项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该处理单元是将衰减量代入一预先经率定求出之超音波衰减量-浓度关系式而求出对应之泥砂浓度。依据申请专利范围第1项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该超音波发射端及接收端分别包括一固定器，及一设于该固定器上且邻近该水槽的超音波探头。依据申请专利范围第3项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该等定位部是贯穿各该支撑架形成的穿孔，且该超音波发射端及接收端则是藉由固定器嵌设于对应穿孔而定位。依据申请专利范围第3项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该等定位部是贯穿各该支撑架形成的螺孔，且该超音波发射端及接收端的固定器包括一开口朝向该水槽且供该超音波探头装设的杯型本体，及一设于该本体末端的螺丝，该超音波发射端及接收端藉由使该螺丝穿设于对应螺孔而装设于支撑架。依据申请专利范围第5项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该固定器的螺丝是可调整地相对于该支撑架旋转靠近或远离该水槽。依据申请专利范围第1项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该支架组更包括一连接该二支撑架底端或顶端的连接架。依据申请专利范围第1项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该等支撑架横截面呈H型或封闭型，且缺凹或中空处供该组传输线容置其中。依据申请专利范围第1项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该组传输线包括与该发射端连接的一电源传输线、一讯号收发控制传输线，及与该接收端连接的另一电源传输线、另一讯号收发控制传输线，且该二电源传输线连接至一电源，该二讯号收发控制传输线连接至该处理单元。依据申请专利范围第1项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该超音波发射端朝该接收端发出之讯号方向与该水槽内水流方向呈现小于90°的关系，且该处理单元透过分解超音波直射能量之水平分量，配合超音波衰减量-流速关系式换算出平行于流场方向的流速。一种非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，应用于一供含砂流体在其中流动的水槽；该装置包含：一支架组，包括二对称地分别设于该水槽二侧的直立支撑架，每一支撑架在朝向该水槽之面设有多数纵向间隔排列的定位部，且该等定位部与另一支撑架的定位部相对应而高程对齐；多组超音波测定单元，每一组超音波测定单元包括分别装设于该二支撑架的高程相对齐的定位部的一超音波发射端与一接收端，及一组与该发射端、接收端连接的传输线，该发射端用以对水槽中之流体发射一发射讯号，该接收端则用以接收一由该发射讯号通过流体后成为的衰减讯号，且各组超音波测定单元的发射端与接收端是分别沿对应之支撑架纵向相互间隔设置，藉此位于不同高程；及一处理单元，透过该等组传输线与该发射端、接收端连接，可依据超音波发射讯号的强度及衰减强度得知衰减量，并推算对应之泥砂浓度。依据申请专利范围第11项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，其中，该等超音波测定单元中，其中一组超音波发射端发射出该发射讯号且对应接收端接收后，另一组才进行发射及接收。一种非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定装置，应用于一供含砂流体在其中流动的水槽；该装置包含：二组超音波测定单元，每一超音波测定单元包括一超音波发射端与一接收端，及一组与该发射端、接收端连接的传输线，其中一组超音波测定单元的发射端与接收端的连线与该流体流动方向垂直，且用以量测该流体浓度；另一组超音波测定单元的发射端与接收端的连线与该流体流动方向夹一锐角，且用以量测该流体流速；每一组超音波测定单元该发射端用以对水槽中之流体发射一发射讯号，该接收端则用以接收一由该发射讯号通过流体后成为的衰减讯号；一支架组，供该二超音波测定单元定位其上；及一处理单元，透过该等组传输线与该发射端、接收端连接，可依据超音波发射讯号的强度及衰减强度得知衰减量，并推算对应之泥砂浓度及流速。一种非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定方法，配合一供含砂流体在其中流动的水槽进行；该方法包含以下步骤：(A)设定量测高程，并在该水槽两侧的该高程处分别装设一超音波发射端及一接收端；(B)该超音波发射端发射一超音波讯号；(C)对应之接收端接收超音波讯号；(D)依据所发射之超音波讯号与接收之讯号，计算讯号衰减量，并将讯号衰减量带入衰减量-浓度或流速关系式，求出该高程的泥砂浓度或流速。依据申请专利范围第14项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定方法，其中，该步骤(A)需依量测浓度或流速之需求，安装超音波发射端及接收端；当量测含砂流体之浓度时，需使该超音波发射端朝向接收端发射讯号之方向与水流方向垂直；量测含砂流体之流速时，需使该超音波发射端朝向接收端发射讯号之方向与水流方向之间夹角小于90°，藉此产生平行水流方向的超音波讯号分量。依据申请专利范围第14项所述之非侵入式水工试验用超音波泥砂浓度及流速测定方法，其中，该步骤(D)所使用的衰减量-浓度关系式，是透过以下步骤率定得到：(i)决定所要量测的溶液浓度范围及浓度值；(ii)依所需浓度分别以电子秤秤得溶质及溶液重；(iii)针对各种浓度溶液，使用搅拌器搅拌24~96小时，且控制溶液温度为5℃、转速为800RPM；(iv)将搅拌完成的溶液分别放入搅拌保温桶，并择定其中之一放入温度计及超音波探头；及(v)每隔3℃的温度变化，利用该超音波探头进行一次量测，直到18℃为止，共测得该浓度溶液在各种温度下的超音波讯号振幅大小、传递时间(TOF)，并记录波形，藉此得知超音波讯号经这种浓度溶液的衰减值；接着回到步骤(iv)，针对另一种浓度的溶液进行步骤(v)，直到所有浓度测定完成为止。