[0001] 本发明属于流体力学实验仪器领域，特别涉及一种可实现不同流态的多功能智能明渠实验系统，适用于现场和无线智能切换对流态的监控及标准岩样等研究材料在不同流态饱水过程中溶液的PH值和主要离子浓度等理化性质参数的实时量测等实验研究。

[0002] 不同流态对标准岩样等研究材料饱水实验中软化速率的影响和作用机理的研究，必然需要密切联系软岩在水中的各种理化性质来进行分析比较，这便涉及到水工模型试验，该试验就是仿照原体实物，按照相似的准则，缩制成模型，根据其所受的主要作用力，进行实验研究。水工模型试验中，为配合整体枢纽布置或研究某些二元水流问题，需建置实验槽，借助于实验槽观测水流流态，描绘或摄录实验过程中各种水流现象。然而现在相对传统比较新颖的一种具备教学效果流量数显的自循环明渠实验装置虽解决了传统的明渠实验槽的基础设施建设工程庞大、运行维护复杂且成本也较高等问题，但本身也存在诸如流速可调范围小、流态无法无线调控、溶液PH值、离子浓度等理化性质无法实时监测、监测数据无法远距离无线传输等新问题。

[0003] 因此，该实验系统在原自循环明渠实验装置的基础上设计有现场和无线相互切换调控流态并实时监测PH值和主要离子浓度的一种流速可调、流态可变的智能实验装置，其中自循环是指在蓄水池中提供实验所需水位后即可，实验过程中无需再补给和更新水源；且可以实现现场和无线双调控机制进行对流态变化及溶液PH值及主要离子浓度实时监测并自动备份和传输监测数据。

[0004] 本发明的目的是，针对现有明渠实验装置所欠缺的问题，提供一种能现场和无线智能相互切换进行对流态的调控、实时监测流态变化及溶液PH值与离子浓度的实验系统。

[0005] 本发明涉及的一种集流态监控与离子量测于一体的智能明渠实验系统，由自循环流态调控与PH值和离子浓度监测装置、现场和无线智能双调控装置组成。

[0006] 1、自循环流态调控与PH值和离子浓度监测装置

[0007] 自循环流态调控与PH值和离子浓度监测装置由明渠有机玻璃实验水槽、潜水泵、尾门开度轮、蓄水池、高速摄像机、PH值和离子浓度传感器、工作站组成，可获得经过稳水、消波的不同流速下的流态，实现流速可控、流态可变并实时监测流态变化特征、PH值和离子浓度大小。

[0008] 2、现场和无线智能双调控装置

[0009] 现场和无线智能双调控装置由现场仪表、RS485数字变送器、无线网络、光纤、工作站组成，可用来根据实验需求选择现场或者无线智能实时调控流态。

[0010] 本发明具有以下优点：

[0011] 1、能够实现流速可调、流态可变。

[0012] 2、该系统可保证长时间不间断工作。

[0013] 3、能实现现场和无线双调控可切换机制。

[0014] 4、能实时观测流态变化并自动备份影像资料。

[0015] 5、能实时监测显示溶液PH值并自动备份数据。

[0016] 6、能实时监测不同时段离子浓度并自动备份数据。

[0017] 7、PH值和离子浓度测量装置体积小、全固态、低功耗和便于集成化。

[0018] 8、该系统可靠性高、动态响应快、稳定性好、线性测量范围宽，实时性好。附图说明

[0019] 图1是本发明的整体组成结构示意图；

[0020] 图2为现场和无线智能双调控装置硬件框图；

[0021] 图3为PH值和离子浓度传感器；

[0022] 图4为具体试验实施方式流程图。

[0023] 附图1标记说明：

[0024] A1-稳水头部，A2-水槽进口稳水装置，A3-高速摄像机，A4-实验水槽水位标尺，A5-明渠有机玻璃实验水槽，A6-工作站，A7-PH值和离子浓度传感器，A8-数传终端，A9-尾门开度轮，A10-尾门，B1-出水漏斗，B2-流量总调阀，B3-流量微调阀，B4-输水管，B5-现场仪表，B6-蓄水池，B7-1号潜水泵，B8--2号潜水泵，B9-导线，B10-放水阀门，箭头指向为水流方向[0025] 附图3标记说明：

[0026] C1-导线，C2-罩帽，C3-MOSFET场效应晶体管，C4-内参比电极，C5-ISE敏感膜，C6-离子选择膜

[0027] 以下结合附图对本发明的技术方案进一步说明：

[0028] 1、该系统装置是在原自循环明渠实验装置的基础上设计有自循环流态调控与PH值和离子浓度监测装置、现场和无线智能双调控装置。其中自循环流态调控与PH值和离子浓度监测装置由明渠有机玻璃实验水槽、潜水泵、尾门开度轮、蓄水池、高速摄像机、PH值和离子浓度传感器、工作站组成，PH值和离子浓度传感器和高速摄像机安装在明渠有机玻璃实验水槽中，PH值和离子浓度传感器由ISE敏感膜和MOSFET场效应晶体管等组合而成，对待测离子具有一定的选择性；现场和无线智能双调控装置由现场仪表、RS485数字变送器、无线网络、光纤、工作站组成。

[0029] 2、自循环流态调控与PH值和离子浓度监测装置是根据实验对流态的需要通过现场和无线智能双调控装置控制B5.现场仪表来调节B2.流量总调阀和B3.流量微调阀从而获得目标流态，水面高度则通过A9.尾门开度轮进行调节，实验过程中通过A3.高速摄像机进行实时监控流态的变化特征，实验完毕后通过现场A6.工作站控制B5.现场仪表来停止实验并将B8.放水阀门打开将水放出即可。其中A7.PH值和离子浓度传感器结构如图3所示，溶液离子浓度的改变将引起A7.PH值和离子浓度传感器器件阈值电压相应的改变。电解液中放置C4.内参比电极用于将膜电位引出，通过施加电压使A7.PH值和离子浓度传感器合理的工作。选取不同的C5.敏感膜可以检测不同离子的浓度。当用户使用H+敏感膜时，就可以确定溶液的PH值。被测液接触C5.ISE敏感膜时，这种膜被离子和水分子渗透，其表面一旦和水溶化在一起，待测液的界面电位与氢离子浓度的负对数(PH值)成比例。根据所产生的电位和外加一个与PH值成比例的栅极电压，从漏极电流变化读出PH值变化值。如图3，在A7.PH值和离子浓度传感器的栅极上加有一层C6.离子选择膜，当测定溶液接触C6.离子选择膜时即发生反应，使PH值发生变化，从而漏电流变化，通过检测电流的变化就可以知道待测溶液的浓度。

[0030] 现场和无线智能双调控装置可用来根据实验需求选择现场或者无线智能实时调控流态和传送数据信号进行备份，现场调控流态主要由现场A6.工作站来发送信号指令给B5.现场仪表进行控制明渠实验水槽的开启与流速的调控，从而获得目标流态；无线智能调控流态则是通过远程工作站控制终端通过无线网络发送信号指令给A8.数传终端，再由A8.数传终端把数字信号传输给现场A6.工作站，现场A6.工作站识别发送过来的信号指令后，再由A6.现场工作站把指令通过B5.现场仪表进行控制明渠实验水槽的开启与流速的调控，从而获得目标流态。同时A7.PH值和离子浓度传感器开始进行对A5.明渠有机玻璃实验水槽里的溶液PH值与离子浓度实时监测并将监测数据通过偏置电路和电压调理电路信号处理装置将信号分别传送给现场A6.工作站，现场A6.工作站作为控制器负责对信号进行分析处理并将信号共享给数传终端，再由数传终端通过无线网络的形式将监测数据传输给远程工作站进行数据的实时备份和监控。