基于小威龙的涌潮流速高速采集系统设计

孙 超 ，潘冬子

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020）

涌潮是潮波在入海河流河口段传播过程中产生的波陡趋于极限而破碎的潮水暴涨现象，是河口地区特有的自然现象。世界上至少有450处河口存在涌潮[1]，其中以我国钱塘江河口的涌潮最为典型，具有流速大、破坏力强、水沙运动复杂等诸多特点。目前研究涌潮的主要方法有现场观测、实测资料分析和水槽试验。其中Yeh H H等利用矩形水槽测试潮前流速、涌潮高度及涌潮传播速度等参量，分析了涌潮水流结构[2-5]。

在使用多普勒流速仪（以下简称“小威龙”）生产厂商附送的采集软件进行多通道采集时，每个通道的采样频率达不到设备最高的200 Hz，特别是8个流速仪同时采集时，每个流速仪最高只能设定为25 Hz。这种数据采集速率不足以测量快速变化的涌潮潮头流速。为此，本文设计了一套高速采集系统，最多支持16个小威龙同时以200 Hz采集流速数据。

1 涌潮的水槽模拟

在涌潮玻璃水槽中开展各种潮前水深、潮前落潮流速和涌潮高度多方案试验，测量涌潮的传播速度、流速垂向分布，捕捉涌潮形态[5]。

1.1 设施设备

试验在浙江省水利河口研究院六堡试验基地的长50.0 m，宽1.2 m，高0.6 m的涌潮玻璃水槽中进行。使用多个电容式波高传感器测量涌潮高度，通过多个挪威Nortek AS公司的小威龙点式声学多普勒流速仪采集流速数据。由于试验在水槽中进行，因此只需要测量X方向的流速。测点位置布置见图1。

图1 测点位置布置图 单位：mm

1.2 试验控制参数及模型比尺

涌潮水槽试验以重力流为主，采用模型比尺为25的正态模型。对潮前水深在1.25 ～ 3.75 m且潮前落潮流速在0.00 ～ 2.00 m/s条件下的波状涌潮和漩滚涌潮分别进行测量。

1.3 试验过程

本试验通过测控系统调节上下游变频器运行频率产生涨落潮流，直到潮前水深、落潮流速稳定。在此工况下，再改变下游变频器运行频率，产生波状涌潮或漩滚涌潮。最后，当涌潮潮头即将到达上游闸板时，上游闸板自动放平，潮头通过闸板流入回水池，避免反射波的干扰[6]。

1.4 频率改变量与涌潮状态关系

通过试验得到涌潮高度（h）与下游变频器频率增幅(Δf下游)成对数关系[5]，当潮前水深h≤2.00 m时，Δf下游≤2.0 Hz为波状涌潮，Δf下游≥6.0 Hz为强漩滚涌潮；当潮前水深2.50 m≤h≤3.00 m时，Δf下游≤3.0 Hz为波状涌潮，Δf下游≥8.0 Hz为强漩滚涌潮；当潮前水深h≥3.75 m时，Δf下游≤5.0 Hz为波状涌潮，Δf下游≥10.0 Hz为强漩滚涌潮。

2 高速采集系统设计

2.1 整体设计

高速采集系统整体设计框图见图2。其中USB4716是研华公司生产的高速USB接口数据采集卡[7]，主要技术性能如下：

16路模拟量输入通道；

16位分辨率；

采样速率最高200 kS/s；

便携设计，高速USB2.0接口；

具有8路DI，8路DO，2路AO及1路32位计数器。

图2 高速采集系统整体设计框图

2.2 配置步骤

为了能够同时对多台小威龙进行200 Hz高速采集，需设置一些参数，具体步骤如下：

（1）使用配置软件对每台小威龙按表1配置各项参数，并将小威龙设置为上电即采集数据的状态；

表1 小威龙配置参数表

（2）将小威龙接线端子上X、COM接口与USB4716的CHx、COMx分别相连；

（3）将波高仪接线端子与USB4716的CHx、COMx分别相连；

（4）PC机上安装好驱动，连接好USB4716；

（5）调试好涌潮水流条件后，从上位机软件里读取数据并保存。

2.3 波高仪输出信号

波高仪量程为50 cm，输出信号为0.0 ～ 10.0 VDC，0.0 V输出表示波高为0 cm，10.0 V输出表示波高为50 cm。

2.4 小威龙输出信号

小威龙输出信号为0.0 ～ 5.0 VDC[9]，当配置的量程为1.00 m/s时，0.0 V输出表示流速为- 1.00 m/s，2.5 V输出表示流速为0.00 m/s，5.0 V输出表示流速为1.00 m/s。

2.5 上位机采集软件设计

上位机采集软件基于MFC，使用USB4716的中断采样模式采集数据。具体步骤如下：

（1）新建MFC单文档工程，将driver.h头文件和adsapi32.lib库文件添加到工程；

（2）工程属性/Linker/Input/Additional dependencies里添加adsapi32.lib；

（3）工程属性/Linker/General/Additional library dependencies里添加adsapi32.lib所在目录；

（4）程序里设定单次采集数据为128个，波高通道Gain 为 4(（0 - ±10）V)，流速通道 Gain 为 0(（0 - ±5）V)，触发模式为0（内部软件触发），数据类型为1（电压值），循环模式为1（循环采集），使能标志为1（事件使能），采样速率设定为1600 Hz（8通道，每通道200 Hz），FIFO为64；

（5）根据水流条件进行数据采集并保存。

采集软件工作的流程见图3。

图3 采集软件流程图

3 结果及结论

3.1 结果

2种波高和涌潮流速见图4。

图4 2种波高和涌潮流速图

3.2 结 论

根据测量结果，得到以下结论：

（1）高速采集系统达到设计目标；

（2）验证频率改变量与涌潮形态的关系。