（检测技术与自动化装置专业论文）人工模拟降雨装置的试验测试与特性研究.pdf

虫塞摘要 中文摘要 由于水土流失、土地沙漠化和农林业用水等原因致使我国水资源短缺很严重， 目前解决此问题的方法之一是开展雨水利用和水土保持研究，科学有效地应用水 资源。在开展雨水利用的试验研究中，利用天然降雨来获得研究所需的降耐效果 很困难，而采用人工模拟降雨的方法可以在较短时期内进行水土分析资料的研究， 因此目的国内外广泛采用人工模拟降雨的方式来开展水土保持研究。 本文首先介绍了一种槽式人工模拟降雨装置的结构和工作原理。针对目前人 工模拟降雨应用的需求，论文对人工模拟降雨装置进行了试验测试与特性研究。 文中设计了人工模拟降雨装置的供水系统、监测控制系统和显示装置，采用p c d a q 的硬件平台，结合目前人工模拟降雨装置的驱动电机、电磁离合器、潜水泵、手 动控制器、各类传感器、板卡和工控机等硬件，利用力控组态软件f o r c e c o n t r o l5 o 和数据分析处理软件姒t l a b ，实现了数据的采集、显示、保存和分析处理，利用 i 0 口发送p 哪信号实现了喷头摆动频率的计算机控制。 论文最后利用所设计的监测控制平台对模拟降雨装置进行了测试，其中包括 电磁铁的温升、电磁力和管道压力等。对降雨强度、降雨均匀性、雨滴终点速度 和雨滴直径大小等降雨特性进行了分析和研究。改变降雨高度、管道压力和喷头 的摆动频率等条件可以获取到不同的降雨特性，所以通过改变各种降雨条件进行 模拟降雨试验得出了改善降雨特性的方法。目前本文的研究结果已经应用予室内 人工模拟降雨试验。 关键词：p c d a q ；电磁铁；降雨强度；降雨均匀性 j 【塞銮煎厶堂鲤堂焦监塞 a b s t r a c t w a t e rl o 鼹柚ds o i le r o s i o n ，s o i ld c s e r l i f i c a t i o na n dw a t c ra b u s c di nt h ca g r i c u l t i l ” 柚df o r c s t r ym a d ew a t c rr 鹤o u c c s l 扯ki nc h i n a 卸d 伽co f t h cw a yt os o l v ct i l i s p r o b l e mi sd e v e l o p i n gt h cr e a r c h e so fw a t c r 锄d i lc o n r v a t i o n 姐dn i l lw a t 盯l i s e ， 柚da l s ou t i l i z i n gw a t c fp r o i 圮r l y 柚dc 侬c t i v e l y i nt h ee x p e r i n l e n t a lr e s c a r c h c s f a i n w a t c r i t ，s v c r y d 尚c i l l t t og c t t h c m 蛐l 协o f n a t u m l f a i n 蹦l ，b u tm c 删f i c i a l 豫i n 伽啪 g a i ni l l f o 瑚a t i o nd a t aa _ b o u tw a t c ra n ds o i l i ns h o nt e 咖，s om o s tr c a r c h e sh o m ca n d a b r o a da r ea b o u ts o i l 柚dw a t e rc o 邶c n ，a t i o nb ya r t i 矗c i a l r a i l l 蹦ln o w a d a y s mf i f s t ，t h es t m 咖a n dp r i n c i p l co fat y p eo f 枷酗a lr a m f a l ls l o n e dd c v 妣w c r c i n t 硎u c c di l lt h i st h e s i s a n i f i c i a lr a i n f a l ls i m u l a f o rw c r ct c s t c da tt r i a l 柚dr c s e a r c h e d a b o l i ti t sc h a r a c t e r i s t i c sa c c o r d i n gt ot h cr c q u ir c 】：i l e n to fp 船c t i c a l 印p l i c a t i o n w c d e s i 驴e dw a t e rs u p p l ys y s t c m ，a d d c dc o m p u t e rs u p e r 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李教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我 很大的关心和帮助，我向李老师表示衷心的谢意。 杜秀霞老师和牛世洲老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李蓓、高小明、李继洪、张伟、张鹏军、国 俊丰、赵恒、李婷婷、黄绿娥、金涛涛等同学对我论文中的研究工作给予了热情 帮助，在此向他们表运我的感激之情。 另外在我攻读硕士学位期问得到了家人和朋友的支持和帮助，他们的理解和 支持使我能够在学校专心完成我的学业，谨以此文献给他们来表达我诚挚的谢意。 1 1 课题背景和意义 1 绪论 由于水土流失、土地沙漠化和农林业用水等原因致使我国水资源短缺很严重， 目前最好的解决方法是开展水土保持研究，科学有效的应用水资源。由于天然降 雨周期不稳定，受环境影响大，要获得理想的降雨效果很困难。采用人工模拟降 雨的方法，可以在短期内研究出水土分析资料，而且通过控制试验条件，还可以 模拟出不同的降雨环境。另外人工模拟降雨方式可以弥补自然降雨条件下因环境 变化而无法得到的研究结果，并且可以进一步补充论证在自然降雨条件下得到的 研究结果。由此可见采用人工降雨的方式方便、易行，还可以弥补天然降雨的不 足，对水土保湿研究和水资源的科学应用都有相当重要的意义。 现在大力开展水土保持和水资源的理论研究与高效利用，是我国迫切需要解 决的问题。在每一年的不同时期或不同年的同一时期，都要对土壤水分状况进行 田问实际监测，研究不同耕作措施的水保效果。对于水资源的研究，国内外基本 上采用人工模拟降阿装置模拟天然降雨，从而定量评价降雨条件下土壤水分状况， 进一步研究雨型、地貌以及地质条件、植被类型，土壤条件对水土流失的影响规 律，实现对水土流失区域的动态观测。而人工模拟降雨可以给水土保持、雨水集 蓄工程和田问试验提供科学的依据，缩短试验周期，加速对雨水入渗规律、土壤 侵蚀规律的研究进程，对我国未来的发展意义重大1 1 一 为了加速对土壤侵蚀、水土流失规律和水土保持措施及其效益等方面的科学 实验研究，以便在最短时间内获取大量系统的数据资料，当今多采用人工模拟降 雨方法模拟天然降雨。而要想获取模拟降雨的特性，首先必须要熟悉天然降雨本 身的特性。天然降雨的主要特性包括：( 1 ) 降雨量、降雨强度；( 2 ) 降雨分布的均 匀性；( 3 ) 雨滴直径大小；( 4 ) 雨滴的终点速度。目前大多数科学试验，都是以上 述降雨特征作为人工模拟降雨的比较和评价标准。所以对人工模拟降雨的各个特 征的分析和测定，具有极其重要的意义。 降雨量与降雨强度是天然降雨的重要特征，也是人工模拟降雨时。个首要的 因素。在人工模拟降雨的许多试验研究中，都是以降雨量或降南强度作为模拟降 雨的单一指标来考虑。人工模拟降雨的强度与降阿喷头的供水压力、喷头的摆动 频率和降雨高度都有关系，可以通过改变这些试验条件来控制降雨强度的变化。 降雨分布的均匀性是模拟降雨的一个重要特征，在土壤侵蚀规律研究试验中有着 极其重要的意义。降雨分布的均匀程度可以有两种方式表达：( 1 ) 绘制降雨量等值 线图；( 2 ) 根据降雨均匀系数判断。 雨滴直径大小和分布是降雨动能的重要参数之一，对于研究降雨侵蚀力具有 特殊的意义。试验观测中，常常遇到降雨总量相同的暴雨引起的土壤流失量差别 却很大，其原因之一就是由于两场暴雨的雨滴直径大小和分布不相同。根据试验 表明，大粒径的雨滴对土壤表层破坏性很大。阿滴降落终点速度是降雨动能的重 要参数之一。生成的阿滴靠自身的重量，在空气中以自由落体状态向下运动，下 落的过程中，由于空气的阻力使雨滴受到向上的托力，雨滴的运动状态渐渐地被 改变，当雨滴下落到某一高度，雨滴的重力与空气的阻力达到平衡时，雨滴刚以 某一不变的速度匀速下落到地面。此时的雨滴降落速度，称之为雨滴降落的终点 速度。试验研究表明，大小不同的雨滴其终点落地速度随雨滴直径的增大而增大。 一般来说雨滴终点速度数值的直接获取很困难，通常都是使用公式法建立雨滴终 点落地速度和雨滴直径大小之间的关系，然后通过计算来获取其数值大小【3 一。 目前，人工模拟降雨装置已经安装在实验室( 单机) 和试验现场( 多机) 。我 们对已经研发出来的人工模拟降雨装置进行了试验，并且对模拟降雨装置实现了 智能化，加入了计算机监测控制系统，使其实现手动控制与计算机控制的结合， 各参数数据的显示、采集、保存和分析处理等功能。人工模拟降雨装置的本体如 图卜l 所示： 幽卜l 模拟降雨装置本体 人工模拟降雨装置应用于现场之后，出现如下一些问题：管道压力过大或过 小；离合器卡位不准确，卡不住或卡的太紧；电磁铁过热和电磁力不足以上情 2 形都容易使系统工作异常。鉴于以上原因，需要对前期研制的模拟降雨装置进一 步优化设计，对其组成部分进行性能测试与试验，完成对各种参数的数据采集和 分析处理工作。另外还需要对各种降雨特性进行分析，使用恰当的操作方式得出 良好的降雨特性 本课题所研究的人工模拟降雨装置属于槽式下喷型，它以单喷头和多喷头为 雨滴发生器。模拟降雨装置可以在不同的降雨高度、不同的管道压力、不同的喷 头摆动频率下实施人工模拟降雨。现今人工模拟降- 南装置有降雨强度大，精度高， 降雨均匀性好，可操作性强，监控性能好，可靠性高等要求。人工模拟降雨装置 前期已经实现了手动控制、水槽本体等部分设计，还没有监测、智能控制等功能。 另外还需要开展人工模拟降雨装置组成部分的测试、降雨特性的试验与分析等工 作，这构成了本文研究的重点。 1 2 国内外研究现状和发展 1 2 1 人工模拟降雨装置的发展 在人工模拟降雨装置研究领域，日本、加拿大等国家丌展的研究比较早，于 2 0 世纪初已经开始研制。而我国研制人工模拟降雨装置起步比较晚，于2 0 世纪 5 0 年代才开始相继研制出不同性能的人工模拟降雨装置。国内外模拟降阿装置的 主要技术性能见表卜l ： 表卜l 国内外模拟降雨装置的主要技术性能 研制单位降雨面积降雨形式落差雨强范围雨强控制 小mn i l ，l h 中科院地理水文室3 8 喷嘴水平往复运动 41 2 ，2 0 4调：宵总流量 山西省水保所 5 7 静i e 喷嘴侧喷 1 02 斗v 2 6 4 调节喷嘴数 铁科院西南研究所1 7 0网状管路喷嘴5 2 0 2 0 0 调1 了总流量 加拿大与山西 2 5 2 5 喷嘴静止下喷 4 62 5 3 8 改变水压力 水保所合作 日本原子力研究所 o 4 8 o 4 8 针头漉水加振动 0 62 0 2 0 0 调节流量 日本大起理化株式会 l 1 针头滴水加振动2 5 5 0 调节流量 目前国内外研制的模拟降雨装置大致分为三类：一类是喷头作为雨滴发生器， 这是目前应用最广泛的一种。这种方式分为单喷头、双喷头、多喷头等形式，现 在有多喷头的组合装置，其雨强大小的调节需要改变不同孔径的喷头。第二类是 3 用自吸泵输水，用孔板作为雨滴发生器。改变雨强大小时需要更换不同孔径的孔 板，这给测量带来很多不便，而且这种降雨装置降雨范围和精度很有限。第三类 用针头作为雨滴发生装置。这种方式具有降雨面积小、不适合野外作业等缺点【5 l 。 目前对模拟降雨的研究分为室内模拟天然降雨和野外便携式模拟天然降雨， 其中室内模拟天然降雨主要是把模拟降雨装置在室内降雨大厅架设到一定高度， 通过改变其操作方式来模拟不同时间、不同情况的天然降雨：而室外模拟天然降 雨主要是把便携式模拟降雨装置架设到野外试验现场，通过操作该装置，可以更 实时的获取可靠的降雨资料。本文的研究对象主要是应用于室内的人工模拟降雨 装置。 1 2 2 监测控制系统的概述 监测控制系统以监视、测量、控制为目的，将监测和控制的功能集于一体， 它在电力、电子、轻工等各个领域有着广泛的用途。根据实际使用中具体的不同， 可以把监控系统分为三种：单纯以监视、测量为目的的数据采集系统；单纯以控 制为目的的控制系统；集监测和控制为一体的系统即监控系统。 传统的监控系统主要由硬件电路来实现，这种系统所具备的功能少，控制能 力也较弱。现代监控系统是以计算机作为其核心和主体来代替常规电子线路，这 样大大简化了监控电路，又增强了监控功能，提高了监控的精度、可靠性与自动 化程度。同时因为计算机强大的数据处理能力，从而大大提高了监控系统的数据 分析处理能力和控制能力。典型现代监测控制系统的结构如图卜2 所示： 操作员 图卜2 现代监控系统的结构图 目前的监测控制系统一般由硬件和软件组成，其中硬件主要包括被控对象、 测量装置、执行机构、输入输出通道和微型计算机、常规外设组成。被控对象即 现场所要控制的装置和设备；测量装置对被控对象的被控参数( 如温度、压力、 力、流量、位移等) 进行测量，其输出一般为标准的4 2 0 n l a 或o 一1 0 v 模拟信号或 数字信号；常用的执行机构有电动执行器、电磁铁、各类阀门等，它们的输入信 4 号有连续信号和开关信号，执行机构接受来自输出通道的模拟或者开关信号来执 行动作；输入输出通道，即过程通道，包括模拟、数字输入输出通道；微型计算 机是整个监控系统的核心，微型计算机通过执行程序来实现系统的数据采集、显 示、保存、分析，并制定控制策略来实现对现场的控制。在监控系统中，计算机 自动接受测量的各种信息，并对信息做出相应的控制决策，再以信号的形式将这 些信息送至现场，由执行机构完成符合要求的控制状态。计算机的这种自动工作 能力除了有硬件基础之外，还必须有软件支持。所谓软件是指能够完成各种功能 的计算机控制系统的程序，事实上，整个监控系统的动作都是在软件的协调下进 行工作的，它通常由系统软件和应用软件组成。系统软件一般包括操作系统、服 务性程序、数据库系统和通信网络软件等，具有一定的通用性；应用软件是设计 人员为实现某一具体的控制要求而编写的程序，如过程控制程序、人机接口程序、 数据采集和处理程序、现场诊断和报警程序等，应用软件涉及很多方面，一般由 用户自行编写或根据具体情况在商品化软件的基础上自行组态和做少量的应用开 发旧。 对于具体的现场来说，一个监控系统中数据的采集由传感器将各种电量和非 电量信号转换成电压或电流信号后传输到模拟量或数字量输入通道。模拟量或数 字量输入通道通常指信号调理器与数据采集器等，输入的信号在信号调理器与数 据采集器中经过滤波、放大、数字化等处理后传输到计算机中进行分析、显示和 存储。控制则由操作员在人机接口界面上直接由计算机自动发出控制命令，相应 的命令通过计算机传输到模拟量或歼关量输出通道中。输出通道通常指控制器， 它将数字信号转换成模拟或开关信号去驱动执行机构束执行各种控制功能。 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 即数据采集与监控系统， 它是建立在p c 机基础之上的自动化监控系统，具有以下的基本特征：图形界面显 示、系统状态动态模拟、实时控制、实时和历史趋势显示、报警处理、数据采集 和记录、数据分析、报表输出等。s c a d a 可以实现对现场的运行设备进行数据采集、 监测控制、参数调节以及各类信号报警等功能。由于各个应用领域对s c a d a 的要 求不同，所以不同应用领域的s c a d a 系统发展也不完全相同。 p c - d a q ( p 1 ca n dd 8 t aa c q u i s i t i o n ) 系统是s c a d a 的一种，是基于计算机总 线的插卡式虚拟仪器系统。广义上说，无论是v x i 还是p x i 测控系统，都可以看 成是p c d a q 测控系统的延伸，它们基本上都是采用插卡式数据采集方式，所不同 的是采用的主控计算机及其采用的总线规范标准。尽管p c 机具有数据传输慢的缺 点，但是p c 机拥有强大的硬件基础、广泛的软件支持、众多熟练的用户和低廉的 价格等等，因此使得p c d a q 系统得到了迅速发剧。”。 对于测试系统来说，传统的测试方法都是通过人工进行的，测控点多，数据 5 量大，数据记录时间长，数据处理和分析都很复杂。现在的p c d a q 计算机监测控 制系统结合传感器技术和计算机技术，通过软件把计算机资源( 微处理器、内存、 采集卡) 和各种硬件( 如a d 、d a 、数字i 0 、定时器和信号调理等) 结合在一 起，可以完成测量、控制、数据采集、分析和处理、图形化显示等功能，实现了 监测控制系统的自动化，提高了测控系统的精确度和效率，大大减少了人力和物 力。整个测控系统结构简单，可以完成比较理想的采集和控制功能。 本课题使用p c d a q 数据采集监控系统，即工业控制计算机i p c 、研华多功能 板卡p c i1 7 1 1 、p c l 7 2 0 和外加硬件组成的采集、监控系统。对于采集系统来说， 主要是使用温度传感器r w b 、压力变送器、应变式力传感器来采集现场的信号，通 过信号放大、滤波等处理，送至研华板卡，再到工控机，在计算机上实现曲线显 示、数据分析与处理、数据保存等功能。对于控制系统来说，一方面使用硬件电 路设计了手动控制器来完成对现场的控制；另一方面主要是通过力控软件设计出 控制界面和控制策略，发送控制信号来控制现场的执行器。通过对现场进行试验， 采集现场的试验数据，对数据进行分析与处理，得出模拟降阿装置的各项降雨特 性满足实际要求。 1 3 本文所做的主要工作 前期设计的人工模拟降雨装置已经实现了手动控制、机械传动系统输出功能， 而没有采集系统、系统测试与分析等环节。本文的工作就是完成对系统的数据采 集、计算机控制、监测功能，以及对模拟降雨装置的性能和降雨特性进行测试。 测试的对象主要是电磁铁温升、温降、电磁力、管道压力，降雨均匀性和降雨强 度等。 本文以人工模拟降雨装置和降p 阿特性为研究对象，以p c i 数据采集卡和工业 控制计算机为基本硬件平台，分别使用了各类软硬件集成环境。对模拟降雨装置 的执行机构一电磁铁进行性能测试，找出影响电磁铁工作的因素，利用测试平台 对其进行数据采集和分析。电磁铁工作过程中会发热，这会严重影响电磁铁的正 常工作，因此我们对电磁铁的线圈温度都进行了数据采集，采用了外加风扇降温 的措施。对于电磁力来说主要是达到所需要求，也就是说要获取到最大电磁力 管道压力的大小变化影响着降阿特性，因此需要实时显示和控制管道压力，以获 取满足要求的降雨特性。而降雨强度由降雨高度、供水压力和喷头摆动频率来联 合控制。本文选取合适的量筒和雨量计完成了对雨强的测量，同时获得了其他各 种降阿特性参数。 6 本文的主要工作体现在以下方面： 1 对供水系统进行设计，主要包括供水系统的整体设计，供水量大小的计算 和潜水泵的选型单台装置主要完成水槽内供水系统的设计，而多台装置需要设 计专用的供水系统。 2 加入监测控制系统和显示装置，监测控制系统硬件采用手动控制器、传感 器、放大调理电路、数据采集卡和工控机等，软件选用力控组态。采集系统利用 力控组态软件设计操作界面完成各种数据的采集、显示、保存等功能，控制系统 实现手动控制与计算机控制的结合。 置对模拟降雨装置进行性能测试，其中包括电磁铁温升、电磁力和管道压力。 对降雨特性进行分析和研究，其中包括降雨强度、降雨均匀性、雨滴直径大小和 雨滴终点落地速度等 4 完成各参数的数据采集工作之后，最终从e x c e l 表格罩调用这些数据使用 m a t l a b 软件对其进行分析与处理。通过不同的试验与数据分析来得出改善降雨特 性的方法。 7 2 模拟降雨装置的工作原理和降雨特性 实验室早期研发了人工模拟降雨装置，完成了手动控制和机械传动功能，经 过后续的工作，加入供水系统、监测控制系统和显示装置。目前模拟降雨装置有 单机系统和多机系统组成，它们的组成和工作原理如下。 2 1 单机系统的组成与工作原理 2 1 1 单机系统的组成 模拟降雨装置( 单机) 目前搭建在过程控制实验室，前期完成了模拟降雨装 置的机械传动系统、槽体本身的设计，本文设计了供水系统、控制系统、监测系 统，加入了显示装置，使系统更加完善和全面。目静模拟降雨装置单机系统的组 成如图2 1 所示。 l 一驱动电机2 一电磁离合器3 一四连杆机构4 一喷头5 一降雨隔罩 6 一供水管道7 一潜水泵 8 一溢流管9 一上水管 图2 1 模拟降雨装置的组成图 机械传动系统的主要功能是将动力源从驱动电机传动到摆动喷头，实现喷头 的间歇式摆动。其主要组成包括：驱动电机、链轮传动机构、电磁离合器、四杆 机构、联动装置以及喷头摆动机构等。由于机架设计为可拆卸方式，所以联动装 置( 即连接各个喷头的连杆) 也设计为分体的，可根据实验要求组合。现场根据 实际需要，可以把模拟降雨装置设计为3 喷头、5 喷头、多喷头多种方式。 8 2 搓毯隆厦装置殴e 佳厘堡塑陉殛拄蛙 水槽本体主要包括：水槽、降雨隔罩、防溅沙网等。水槽本体不仅是整个降 雨装置的座架，而且可以实现无用水的回流再利用。降雨隔罩使得喷头喷出的水 只能在其限定的范围内降雨，进而限定降雨面积的大小。防溅沙网的作用是防止 喷头喷出的无用水与水槽中的回流水撞击形成水花，溅出降阿隔罩形成降雨，影 响降雨效果。 供水系统对于单机来说其主要功能在于利用潜水泵，将水箱中的水通过输水 管道以一定的压力送到喷头出口。对于单台装置它由潜水泵、水箱、上水管、输 水管道、浮子开关、控制流量阀门、降雨喷头和压力调节结构等部件组成。 监测系统主要完成对现场的数据采集、实时显示、存储和后续的分析处理。 监测系统的硬件包括：各类传感器、显示装置、放大整调模块、直流稳压电源、 研华多功能数据采集卡p c i l 7 1 1 ( 采集来自传感器的信号并传送至工控机) 、板卡 p c l 7 2 0 ( 作为开关量输出) 、工控机等；软件主要包括f o r c e c o n t r o l5 o 组态软 件和m a t l a b 软件。本文主要使用硬件来建立系统的采集平台，利用北京三维力控 组态软件f o r c e c o n t r o l5 o 来直接制作系统操作界面，实现数据的采集、实时显 示、保存及其报警等功能，使用m a tl a b 来完成数据处理和分析比较。 控制系统主要包括手动控制与计算机控制两种方式，可以任选其一，也可以 同时使用。对于手动控制来说，主要是根据现场所需，设计硬件电路来实现对驱 动电机、电磁离合器以及供水泵的控制。手动控制器内含模拟降雨装置的控制器 接口，p c 接口，可以单独控制一台或者同时控制两台模拟降内装置，其中降雨强 度有6 个档位( 1 档为空载，2 6 档颁率依次增加) 。现场通过控制交流电机的运 转和电磁铁的动作频率来决定喷头的摆动次数( 频率) ，以得到不同分布、不同 雨强的模拟降雨。对于计算机控制来说，首先是建立工控机、板卡、放大整调电 路硬件平台，然后通过力控组态软件发送信号至电磁铁，最后实现对整个系统的 控制1 8 j 。 显示装置包括压力表( 量程为o o 1 船a ) ，流量计等。一 2 1 2 单机系统的工作原理 模拟驿雨装置有多个子系统，系统上电后，启动驱动电机并打开进水阀门， 水箱的进水流量和预定水位由浮子开关控制，待水箱的水位达到预定位置时，启 动给水泵，水以一定的压力经过管道流向喷头出口。安装在管道上的压力表可以 实时显示水压大小，通过调节管道阀门可以控制水压和流量。此时喷头没有摆动， 即还没有实现降雨过程。待水压稳定在预定值后，选择降雨强度档位和单双次喷 洒方式，启动喷头摆动开关，进行人工模拟降雨。模拟降时装置单机系统如图2 2 9 j 塞銮遵厶堂亟堂僮j 金塞 所示。 图2 2 模拟降雨装置单机系统 降雨的实现过程如下：驱动电机通过链轮传动和四杆机构连接到喷头，使喷 头达到预定的摆动角度和轨迹。手动控制器通过控制离合器的离、合状态，以实 现喷头的i 日j 歇式摆动。降雨强度由喷头摆动的频率来决定，控制器输出2 4 v d c 的 脉冲信号给电磁铁，电磁铁控制衔铁与离合器外套的凸轮啮合，离合器输出端与 控制喷头摆动的四连杆机构相连，从而控制喷头的摆动。控制器输出的脉冲信号 决定了喷头的摆动频率，也就决定了降雨的强度。喷头产生的雨滴大小和下降速 度与天然降雨相似，喷头在降雨隔罩上方摆动，降雨面积由降雨隔罩的大小以及 土壤与模拟降雨装置的距离来决定。喷洒到降雨隔罩以外的水将沿水槽回流至水 箱。 在机械传动系统中驱动电机是动力源，驱动电机通过链传动将动力传递给主 动轴，主动轴通过电磁离合器连接从动轴，从动轴上连接的四连杆机构将从动轴 的输出转换为本身的摆动，四连杆机构控制喷头的摆动，当用联动连杆把几个喷 头连为一起时就实现了几个喷头的同时摆动。在一般情况下，离合器装置是“离” 的状态，当驱动电机运转时，从动轴不会转动，喷头也就不会动作；当有控制信 号时，离合器处于“合”的状态，从动轴转动从而带动喷头的摆动 作为一种模拟天然降雨的试验设备，槽式下喷人工模拟降雨装置主要通过实 现多个( 3 个、5 个或者更多) 喷头的同时摆动来人工模拟降雨。在该装置中机械 传动系统在控制信号作用下，实现了不同频率喷头的摆动，从而实现各种降雨强 度的模拟降雨。 为了得到不同的降雨强度，可以把模拟降雨装置架设到不同的高度、改变喷 2 搓担醛厦苤重的! ：住厦理塑隆厦赞e 头之间的间隔、改变供水压力、改变降雨面积等方式来实现人工模拟降雨首先 需要设计好喷头的直径大小、喷头间隔，然后改变其他条件来实施模拟降雨。把 模拟降雨装置固定到一定高度，在一定的水压条件下，调节喷头的摆动频率可以 形成各种强度的降雨；固定喷头的摆动频率，调节水压也可以得到不同强度的降 雨。选取不同的喷头个数、使其按不同要求排列，设置降雨装置的不同位置都可 以形成不同雨强的模拟降雨。如果要求雨强的变化范围大则主要依靠改变潜水泵 的出口压力，或者控制管道压力来调节雨强；如果要求阿强的变化范围小则通过 控制喷头的摆动频率来改变雨强大小1 9 】。 2 2 多机系统的组成与工作原理 建立了以上的单机系统之后，就是对于多机系统的搭建，多机系统在现场的 设计与实施步骤如下。 i p c 6 l o 工业控锯计算机 图2 叼模拟降雨装置多机系统 模拟降雨装置多机系统搭建在试验现场，搭建高度在2 - 1 0 l n 内调节。和单机 系统相比，多机系统更加复杂，其整体上由单机系统组合而成。两者的区别如下； 多机系统更加庞大，其手动控制器的数量增加到5 个，每一台可以控制一台或者 两台模拟降雨装置；计算机采集板卡使用p c l l 7 1 1 来采集多路电磁铁温升信号和 多路管道压力信号，控制板卡使用p c l 7 2 0 来外送多路p 删信号至电磁铁；由于用 水量的增加，需要重新设计供水系统，使用水泵控制器来控制现场的多台潜水泵 等【删。多机系统的整体结构如图2 3 所示。对于多机系统，即试验现场的人工模 l l 拟降雨装置来说，因为现场做试验所需要的水源供应量大，并且需要及时供给水 源，所以需要设计专门的供水系统来满足需求。对于多台模拟降雨装置的供水系 统进行了设计，即采用多机通联供水，把各个主水箱和分水箱通过管道和三通连 接。 模拟降雨装置多机系统的工作原理如下：首先通过设计的供水系统给各个模 拟降雨装置和分水箱供水，待模拟降雨装置槽体和分水箱内水位都达到一定位置 后，使控制系统工作。控制系统的动作首先使用水泵控制器给供水系统上水，然 后是使用手动控制器或者计算机控制系统来控制机械传动系统。对于采集系统来 说可以使用设计的操作界面来实施数据的采集、显示和保存等功能。进行人工模 拟降阿时有多种方式来实现，例如改变降阿高度、管道压力和喷头的摆动喷率等。 对于改变降雨高度和管道压力的试验都可以使用单机系统来实现，但是对于多喷 头和大范围面积内的试验只有多机系统来实现。 2 3 降雨特性的影响因素 由于天然降雨的影响因素很多，要保持和天然降雨的特性完全一致目前还很 难实现，现在比较理想的人工模拟降雨可以近似于天然降雨，因此要尽量把握天 然降雨的特性。一般降雨特征主要包括：降雨量、降雨分布均匀性、降雨强度、 雨滴直径大小及其分布、雨滴落地终点速度等。对于人工模拟降雨来说，本文主 要获取降阿均匀性、雨滴直径大小和雨强等，而这些都可以通过现场试验获取到。 为了获取这些参数首先需要实时有效的人工模拟降雨，因此需要对模拟降雨装置 的组成部分进行测试，这主要包括电磁铁的温升和温降、电磁力、管道压力等等。 而这些特性都要经过一定的理论推理与实际的测试相比较，以达到两者统一，进 一步优化改善降雨装置，获取更好的降雨特性。 为了获取到不同的降雨特性，特别是降雨强度和降雨均匀性，需要改变降雨 条件来具体实施。降雨条件为降雨高度、管道压力、喷头摆动频率和喷头间隔等， 如下主要介绍管道压力和喷头摆动频率对降雨特性的影响。 2 3 1 管道压力对降雨特性的影响 管道压力的大小直接影响着模拟降雨的特性，所以试验中可以改变管道压力 来获取不同的降雨特性。另外因为管道压力的增大会使电磁铁负载增加，线圈表 面温度升高，所以管道压力的大小还影响着执行机构一电磁铁的动作。而对于现 场来说，可以使用多种方式来改变压力和获取压力数据。 1 2 2 攥拯醛匝装置趋! ：佳厦型塑陉砸挂挂 现场有时出现管道压力过剩或者不足的情况，这会对降雨特性产生很大的影 响，因此需要实时调节管道压力和显示管道压力数据，以便做出准确判断。对管 道压力的调节可以使用以下两种方式： 1 使用不同功率的潜水泵，即可得到不同的泵体出口压力，这样也就改变了 管道的压力大小。这种方式一般是更换更大功率的潜水泵，得到更大的管道压力， 以便于更大范围的调节雨强和其他降雨特性。 2 首先在潜水泵的出口处安装变径，然后使用阀门来控制不同程度的泄水， 就可以改变供水管道的压力，如图2 4 所示：上水端( 5 5 0 w 2 2 0 v 潜水泵出口) 直 接外接变径，然后外接六分钢管、三通管；三通管有一个进口和两个出口，进口 处是通过软管和六分钢管连接；一个出口是用塑料管和球阀直接粘接，球阀直接 控制出口的泄水；另一个出口直接输送水流至管道。以上整体设计的目的是为了 在潜水泵给定的情况下，即给了一定压力的情况下，把供水压力调节到更小的范 围内，然后进行模拟降雨试验。 图2 _ 4 水泵出口连接图 压力参数的获取可以使用o 一0 埘p a 量程的压力表直接读取压力数据；也可 以使用0 0 1 m p a 量程的压力变送器，把采集的信号传送到采集卡，再传送至i p c 工控机，进行数据的采集、显示、保存、分析与处理等。 2 3 2 喷头对降雨特性的影响 喷头的直径大小、喷头的个数、喷头的不同间隔和喷头的摆动频率都影响着 模拟降雨的特性，而喷头直径影响着降雨的降雨均匀性、雨滴直径大小和终点落 地速度。模拟降雨试验有单喷头、不同间隔的双喷头来实现，这样可以得出喷头 的个数和不同间隔如何影响降雨强度、降雨均匀性和雨滴终点速度，具体人工模 拟降雨时，模拟降雨装置内可以通过试验得出的结果来决定喷头的间隔和个数， 现场有单喷头、双喷头、3 喷头和5 喷头的模拟降雨装置。喷头的摆动频率影响着 降雨强度、降雨均匀性和雨滴终点速度。 喷头的直径前期已经完成设计；喷头的个数通过试验可以使用单喷头模拟降 雨，或者在单台模拟降雨装置内和两台模拟降雨装置内来双喷头模拟降雨；对于 喷头的摆动由控制系统来实现，控制系统设置为6 个档次( 1 档为空档，2 6 档依 次增强) ，手动控制来说通过硬件电路来完成，计算机控制通过发送信号至执行 器来完成。喷头的摆动最终由执行器一电磁铁来控制，发送给电磁铁不同的p 删 信号即可以改变喷头的不同摆动频率。因此需要测试电磁铁的各项特性参数来实 施更理想的模拟降雨效果，以便找出电磁铁动作对降雨特性的影响。 2 4 本章小结 本章首先给出了模拟降雨装置的组成及其工作原理，然后是单机系统和多机 系统的组成与实现。模拟降雨装置包括机械传动系统、供水系统、水槽本体、控 制系统和监测系统等。机械传动系统、供水系统和水槽本体主要是完成对模拟降 雨的供水、回水；控制系统和监测系统主要是完成模拟降雨的实时控制与监测。 为了得到不同的降雨特性和更理想的降雨特性，可以改变降雨条件和不同的模拟 降阿试验来实现，其中降雨条件包括管道压力、喷头的不同间隔和喷头的摆动频 率等。 1 4 虫篷彦佥墨皇供盛丕统的盈让 3 电磁离合器与供水系统的设计 在人工模拟降雨装置中，机械传动系统和供水系统起着至关重要的作用，机 械传动系统的动作决定着模拟降雨装置的降雨特性；而供水系统提供水源的供给 和回水的处理、再利用。对于机械传动系统的其他部分前期已经完成设计与选型， 见文献 1 9 、 2 0 】，本文主要是对电磁离合器的组成部分电磁铁进行研究与选型 和对供水系统进行设计。 3 1 电磁离合器 目前在自动控制和传动系统中执行快速往复运动时，常采用带弹簧的电磁铁 装置。通电后电磁铁动作带动执行元件工作，断电后靠弹簧回复力使电磁铁回到 初始位置。电磁铁运行可靠、简单易行，所以通常使用电磁铁装嚣较多，电磁离 合器就是其中之一。本文的电磁离合器是连接人工模拟降雨装置控制系统和机械 传动系统的纽带，对控制系统和传动系统的正常运行起着相当重要的作用。 下面介绍电磁离合器的工作原理和实现方式，如图3 一l 所示：电磁离合器主 要包括支撑架、离合器、定位销、棘爪、复位弹簧和电磁铁等部分。在现有棘爪 离合器的基础上，发挥其分离时停留位置准确的特点，并针对其无法准确控制棘 爪的脱开和下压的缺点，采用电磁铁和棘爪合并使用。通过控制电路产生的p 嘲 脉冲信号来准确控制离合器的离、合时间，从而实现在主动轴不停旋转的情况下， 从动轴的离、合时自j 和分离位置同时满足使用的要求。 其工作过程为：控制系统输出信号控制电磁铁的输出端，该输出端拉动衔铁 做同方向抬起运动。当控制脉冲信号使电磁铁得电时，电磁铁使衔铁抬起脱离离 合器拨爪，这时离合器主动轴带动从动轴一起运动，喷头不停的摆动；当控制脉 冲信号使电磁铁失电时，电磁铁使衔铁下落顶住离合器拨爪，离合器主动轴与从 动轴分开，电机空转，喷头停止摆动i l l j 在试验现场容易出现一些问题，比如离合器卡位不准确，卡不住或卡的太紧； 电磁铁过热和电磁力不足，这些都容易使系统工作不正常。经过试验测试，针对 以上情况找到了以下分析和解决办法：离合器本身一般不会出现问题，主要是和 离合器相接的工作垫片与离合器的接触面吻合程度至关重要，因此必须使其密切 结合。电磁力还不能十分准确的测量，许多场合根据经验来决定使用的电磁力大 小，这样就容易出现电磁力不足或者过大的情况。电磁力不足加上长时间的工作 就容易使电磁铁过热，这种情况下就要采取降温措施保证电磁铁的正常工作。 7 一电磁铁 6 一回复弹簧 5 一棘爪 4 一固定螺栓 3 一固定销 2 一离合器 1 一周定框架 图3 1 电磁离合器示意图 对于模拟降雨装置，电磁离合器是关键的组成部分，是机械传动系统和控制 系统的衔接点。而电磁铁又是电磁离合器的重要组成部分，因此考察电磁铁的特 性至关重要。 电磁铁是线圈通电后对铁磁物质产生吸力，引起铁磁物质做机械运动，把电 能转换为机械能的一种电磁元件。它由衔铁( 或吸片) 、铁芯、线圈和回复弹簧等 组成。一般向线圈通入直流电的电磁铁称为直流电磁铁，本文研究的对象就是直 流电磁铁。电磁铁英文名s o l e n o i d ，也称为螺线管、电磁吸铁，电磁螺线管等。 直流电磁铁能量转换是把电能转换成磁能，电磁铁通电时带有磁性，断电后即失 去磁性。电磁铁之所以带有磁性，是因为线圈铜线在通电时形成了一个磁场。当 在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管磁化，磁化了的铁芯也变成了 一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。电磁铁 的铁芯需要用软铁制作，而不能用钢制作，否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁 性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有 的优点f 1 2 。 电磁铁铁磁系统的种类繁多，但是按照产生电磁力的原理，电磁铁大体上可 以分为拍合式、吸入式( 框架式) 和旋转式等。从实际应用来说，以拍合式和吸 入式最为常见： 1 拍合式电磁铁 典型拍合式电磁铁有：“e ”型，“u ”型，平衡式等。通常“e ”型电磁铁使 用最多。“e ”型电磁铁是最早开发的一类电磁铁，其结构简单、紧凑，电磁线圈 一般绕制在静铁芯的凹槽中，它具有磁路集中、作用力大等特点，其典型结构如 图3 2 所示： 嬲 图3 2 典型的“e ”型电磁铁 其组成和特点是：衔铁做成片状，线圈通电后，在磁路中产生主磁通妒。和漏 磁通妒。，并对衔铁产生电磁吸力。衔铁在电磁吸力作用下，将沿着磁力线的方向 移动( 或旋转) 一个不大的距离，使工作气隙6 减少。主、漏磁通的路径见图3 3 中虚线所示。 但是一些研究表明：由于“e ”型电磁铁自身设计的局限性，这类电磁铁会产 生电磁作用力与响应速度之间的矛盾，即电磁作用力的提高会导致开关响应速度 的降低，因此设计中