一種不規(guī)則斷面流量測量裝置及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種不規(guī)則斷面流量測量裝置及其測量方法，屬于水文及地質(zhì)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。裝置部分主要包括用于沉在水底的基座，基座分別與導(dǎo)向桿和液位傳感器固定連接；導(dǎo)向桿上具有第一升降機(jī)構(gòu)和第二升降機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向桿為兩升降機(jī)構(gòu)導(dǎo)向；第二升降機(jī)構(gòu)上設(shè)有控制模塊及用于采集不同高度水流流速的流速傳感器；第一升降機(jī)構(gòu)上設(shè)有用于量測過流斷面面積的測量探頭；其中，流速傳感器、液位傳感器和測量探頭將數(shù)據(jù)回傳至處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為流量信息后反饋。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)全新的結(jié)構(gòu)，使得本裝置能夠適用于不規(guī)則斷面的流量測量，且測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。
【專利說明】
一種不規(guī)則斷面流量測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水文及地質(zhì)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種不規(guī)則斷面流量測 量裝置及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國水資源豐富，進(jìn)行水流流量測量是水文地質(zhì)調(diào)查的重要內(nèi)容之一。
[0003] 常見的不規(guī)則斷面渠道流量測定時(shí)，在渠道上安裝量水槽堰，把渠道內(nèi)流量的大 小轉(zhuǎn)換為液位的高低，通過液位計(jì)測量槽堰內(nèi)的液位，通過流量轉(zhuǎn)換器，按照各類槽堰的液 位流量關(guān)系計(jì)算出液體的流量。
[0004] 在自然條件下，明渠尺寸大小不一，需根據(jù)現(xiàn)場流量范圍大小選用槽堰，且量水槽 堰制作、攜帶、安裝施工不便。同時(shí)，三角堰、矩形堰、等寬堰對(duì)水流的阻力較大，固體物易于 沉積在上游。而巴歇爾槽、無喉道槽堰制作成本高等缺點(diǎn)。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)存在部分關(guān)于過水?dāng)嗝媪髁康难芯?。例如申?qǐng)?zhí)枮?201310181539.7的中國專利文獻(xiàn)提供了一種流速自校正明渠流量測量裝置，主要包括:底 座，其上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、流速變送器和下端穿出底座的豎直筒架，豎直筒架上設(shè)置有由驅(qū) 動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的升降機(jī)構(gòu);液位傳感器I，設(shè)置在底座上;連桿，套在豎直筒架內(nèi)，其上端與升 降機(jī)構(gòu)連接，下端延伸出豎直筒架;流速傳感器，連接在連桿的下端，并與流速變送器電連 接;液位傳感器Π ，設(shè)置在流速傳感器上，用于檢測流速傳感器在液面下的深度；以及測控 系統(tǒng)。
[0006] 該方案通過鋼絲繩帶動(dòng)流速傳感器進(jìn)行升降，升降的過程中間信號(hào)實(shí)時(shí)回傳給控 制系統(tǒng)，，并根據(jù)液位傳感器Π 反饋的深度信號(hào)將流速傳感器校正至斷面的平均流速點(diǎn)，最 終根據(jù)檢測的水位高度值和流速值以及被測明渠尺寸參數(shù)計(jì)算出流量值。
[0007] 但是，該方案存在較多的缺陷，具體包括：
[0008] 1、受限于自身結(jié)構(gòu)，其使用過程中，底座必須固定在漂浮于河面的物體(例如測量 船)上。同時(shí)，利用鋼絲繩帶動(dòng)流蘇傳感器上升。然而，在測量的過程中，測量船是無法相對(duì) 于水底保持位置相對(duì)穩(wěn)定，必然會(huì)因水流及風(fēng)的原因發(fā)生一定程度的位移。另一個(gè)因素是， 鋼絲繩實(shí)質(zhì)為具有一定柔性與任性的繩索，在流速傳感器上升的過程中，其必然受水流的 推力，發(fā)生一定的變形。對(duì)于不同高度的水流來說，其流速也不同。
[0009] 基于上述多重因素作用，會(huì)導(dǎo)致流速傳感器在上升的過程中運(yùn)動(dòng)軌跡為不規(guī)則的 曲線，使采集到的流速信號(hào)與真實(shí)信號(hào)存在差異，影響后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。
[0010] 2、過水?dāng)嗝娴挠?jì)算，不僅與流速有關(guān)，還與過水?dāng)嗝娴拿娣e有關(guān)。該方案僅能夠測 量過水?dāng)嗝嫠牧魉?，基于現(xiàn)有公式和已知的被測量明渠的幾何尺寸從而計(jì)算出流量值。
[0011] 但是，當(dāng)被測量對(duì)象為不規(guī)則斷面時(shí)，過水?dāng)嗝娴拿娣e就無法獲知，使得該裝置基 本無法使用。
[0012] 因此，有必要設(shè)計(jì)一種具有較高通用性的裝置，來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種斷面流量的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種不規(guī)則斷面流量測量裝置 及其測量方法。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)全新的結(jié)構(gòu)，使得本裝置能夠適用于不規(guī)則斷面的流量測 量，且測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。
[0014] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0015] -種不規(guī)則斷面流量測量裝置，包括：
[0016] 用于沉在水底的基座，基座分別與導(dǎo)向桿和液位傳感器固定連接；
[0017] 導(dǎo)向桿上具有第一升降機(jī)構(gòu)和第二升降機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向桿為兩升降機(jī)構(gòu)導(dǎo)向；
[0018] 第二升降機(jī)構(gòu)上設(shè)有控制模塊及用于采集不同高度水流流速的流速傳感器；
[0019] 第一升降機(jī)構(gòu)上設(shè)有用于量測過流斷面面積的測量探頭；
[0020] 其中，流速傳感器、液位傳感器和測量探頭將數(shù)據(jù)回傳至處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)將數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)化為流量信息后反饋。
[0021 ]優(yōu)選的，所述第一升降機(jī)構(gòu)和第二升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同。
[0022]優(yōu)選的，所述導(dǎo)向桿為螺桿。
[0023]優(yōu)選的，所述第一升降機(jī)構(gòu)的包括殼體，殼體內(nèi)固定連接有升降電機(jī)，升降電機(jī)的 主軸上安裝有主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒圈嚙合，從動(dòng)齒圈安裝于絲母上，絲母與螺桿形 成螺紋副；
[0024] 升降電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)絲母實(shí)現(xiàn)殼體的升降。
[0025] 優(yōu)選的，所述測量探頭為激光測距探頭或聲波探頭。
[0026] 優(yōu)選的，所述測量探頭通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝配于第一升降機(jī)構(gòu)上。
[0027] 優(yōu)選的，所述處理系統(tǒng)包括殼體，殼體內(nèi)具有主控芯片，殼體正面設(shè)有按鍵及顯示 屏，主控芯片分別與按鍵及顯示屏連接，殼體側(cè)面具有數(shù)據(jù)接口。
[0028]優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)接口包括SD卡插槽及USB接口。
[0029] 優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為電機(jī)，電機(jī)的主軸與測量探頭相連接。
[0030] 在提供結(jié)構(gòu)方案的同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種基于上述測量裝置進(jìn)行測量的方 法，主要包括如下步驟：
[0031 ] A、系統(tǒng)初始化；
[0032] B、將底座置于水底；
[0033] C、通過液位傳感器反饋的數(shù)據(jù)，調(diào)整第一升降機(jī)構(gòu)和第二升降機(jī)構(gòu)的高度；
[0034] D、啟動(dòng)第一升降機(jī)構(gòu)和第二升降機(jī)構(gòu)，并令測量探頭轉(zhuǎn)動(dòng)，采集流速數(shù)據(jù)及斷面 邊界數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)回傳給處理系統(tǒng)；
[0035] E、處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流速信息并顯示。
[0036]本發(fā)明的有益效果是：
[0037] (1)流速傳感器在升降的過程中采集到不同高度的流速信號(hào)，測量探頭通過旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)與上升運(yùn)動(dòng)測到斷面的邊界信號(hào)，兩種信號(hào)匯總到處理模塊后可以非常方便的計(jì)算出 斷面的實(shí)際流速。
[0038] (2)流速傳感器與測距探頭在上升的過程中不隨水的流動(dòng)方向產(chǎn)生位移，因此基 本可視為僅進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)，從本質(zhì)上保證了測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖2是本發(fā)明中流速傳感器的裝配圖；
[0041 ]圖3是本發(fā)明中旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的俯視裝配圖；
[0042]圖4是本發(fā)明中旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的正視裝配圖；
[0043]圖5是本發(fā)明中處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖6是本發(fā)明中第一升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖7是本發(fā)明的應(yīng)用狀態(tài)圖；
[0046] 圖中，1.基座，2.液位傳感器，3.信號(hào)線，4.導(dǎo)向桿，5.第二升降機(jī)構(gòu)，6.控制模塊， 7.螺栓孔，8.第一升降機(jī)構(gòu)，9.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，10.測量探頭，11.流速傳感器，12.外殼，13.連接 線接口，14. SD卡插槽，15.USB接口，16.顯示屏，17.按鍵，18.殼體，19.絲母，20.主動(dòng)齒輪， 21.從動(dòng)齒圈，22.升降電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0048] 實(shí)施例:一種不規(guī)則斷面流量測量裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1-6所示，包括：
[0049] 用于沉在水底的基座1，基座1的上表面與導(dǎo)向桿4和液位傳感器2固定連接，液位 傳感器位于導(dǎo)向桿4的一側(cè)。作為較佳的選擇，導(dǎo)向桿4可以是金屬螺桿。
[0050] 導(dǎo)向桿4上安裝有第一升降機(jī)構(gòu)8和第二升降機(jī)構(gòu)5,導(dǎo)向桿4為第一升降機(jī)構(gòu)8和 第二升降機(jī)構(gòu)5升降過程中導(dǎo)向。在第二升降機(jī)構(gòu)5上分別安裝有控制模塊6及安裝座，安裝 座上具有多個(gè)螺栓孔7,流速傳感器11通過螺栓裝配于螺栓孔7上，控制模塊6用于控制第一 升降機(jī)構(gòu)8和第二升降機(jī)構(gòu)5升降。
[0051] 其中，所述第一升降機(jī)構(gòu)8上設(shè)有用于量測過流斷面面積的測量探頭10。
[0052 ]第一升降機(jī)構(gòu)8包括被螺桿貫穿的殼體18，殼體18可以是的防水的。殼體18內(nèi)部固 定連接有升降電機(jī)22,升降電機(jī)22的主軸上安裝有主動(dòng)齒輪21，主動(dòng)齒輪21與從動(dòng)齒圈20 嚙合，從動(dòng)齒圈安裝于絲母19(又稱螺母)外側(cè)，絲母19與螺桿形成螺紋副配合。
[0053]第一升降機(jī)構(gòu)8通過升降電機(jī)22的正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲母19正反轉(zhuǎn)，則絲母19就帶動(dòng)殼 體18上下移動(dòng)。
[0054]作為較佳的情況，絲母19可以是上下兩端稍大的工字型結(jié)構(gòu)，殼體18內(nèi)具有與絲 母19相適配的圓柱形內(nèi)腔。依靠絲母19的上下兩端帶動(dòng)殼體18上下移動(dòng)。
[0055]優(yōu)選的，所述第一升降機(jī)構(gòu)8和第二升降機(jī)構(gòu)5結(jié)構(gòu)相同。
[0056]根據(jù)不同的需要，測量探頭10可為激光測距探頭或聲波探頭;且測量探頭10通過 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)9裝配于第一升降機(jī)構(gòu)8上。
[0057]所述液位傳感器2、控制模塊6、測量探頭10和流速傳感器11分別通過信號(hào)線3與處 理系統(tǒng)連通。
[0058]所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)9為電機(jī)，電機(jī)的主軸與測量探頭相連接。
[0059]處理系統(tǒng)包括外殼12,外殼12內(nèi)具有主控芯片（圖中未示出），殼體正面設(shè)有按鍵 17及顯示屏16,主控芯片分別與按鍵17及顯示屏16連接，外殼12側(cè)面具有SD卡插槽14及USB 接口 15〇
[0060]液位傳感器2可獲得液面高度，據(jù)此設(shè)定流速傳感器11及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)9的位置，并通 過升降機(jī)構(gòu)自動(dòng)升降至所需位置。
[0061 ]旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可自由旋轉(zhuǎn)180°，上面安裝測量探頭10,通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，則測量探 頭10就測量斷面邊界個(gè)點(diǎn)到探頭的距離，并通過信號(hào)線傳給處理系統(tǒng)。
[0062]所述自動(dòng)升降裝置為密封防水裝置，內(nèi)部含有自動(dòng)升降系統(tǒng)，可控制固定裝置沿 螺紋金屬桿上下移動(dòng);所述流速傳感器通過螺栓與自動(dòng)升降裝置相連，
[0063]在采集數(shù)據(jù)的過程中，主控芯片能夠?qū)⒏鞣N數(shù)據(jù)寫入SD卡，并可以通過USB接口將 數(shù)據(jù)輸出給其他裝置。
[0064]顯示屏16可以進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)置的可視化操作，并顯示采集和處理后的數(shù)據(jù)圖形等； 通過按鍵17可實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)，測量的開始、暫停和中止，顯示屏16內(nèi)顯示信息的上 下移動(dòng)，返回和確認(rèn)，以及人工控制升降系統(tǒng)的升降和對(duì)采集信息的輸出和保存；內(nèi)置數(shù)據(jù) 采集和處理軟件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。
[0065] 本裝置中，通過采集不同位置過水?dāng)嗝娴牧魉伲⑶蟮闷骄魉貵，同時(shí)將采集過 水?dāng)嗝孢吔绺鼽c(diǎn)距測量探頭10的距離，經(jīng)處理后可獲得過水?dāng)嗝娴男螤罴俺叽?，并以圖形 顯示出來，同時(shí)計(jì)算出過水?dāng)嗝娴拿娣eS，從而計(jì)算出流量過水?dāng)嗝娴牧髁? 。
[0066] 如圖7所示，同時(shí)，本實(shí)施例還提供了一種基于上述測量裝置的其使用方法，主要 包括以下步驟：
[0067] 步驟A:將流量測量裝置各個(gè)部件組裝完成，并采用信號(hào)線3連接，開機(jī)調(diào)試第一升 降機(jī)構(gòu)8、第二升降機(jī)構(gòu)5和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)9是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常；
[0068] 步驟B:將基座1放置于需要測量過水?dāng)嗝嬷虚g位置，并將下端基座1固定好，打開 處理系統(tǒng)的開關(guān)。
[0069] 步驟C:通過液位傳感器2確定液面高度，并據(jù)此自動(dòng)設(shè)定第一升降機(jī)構(gòu)8和第二升 降機(jī)構(gòu)5的位置；
[0070] 步驟D:啟動(dòng)第一升降機(jī)構(gòu)8和第二升降機(jī)構(gòu)5,流速傳感器11將移動(dòng)至設(shè)定位置 (如液面高度一半處），采集此處的流速作為斷面的平均流速，并傳送給處理系統(tǒng);測量探頭 10跟隨旋轉(zhuǎn)裝置9移動(dòng)至液面處，以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，采集不規(guī)則斷面邊界各個(gè)點(diǎn)到激光 探頭的距離，并傳送給處理系統(tǒng)。
[0071] 步驟E:測量完成后，在顯示屏16進(jìn)行操作，通過按鍵17自由選擇查看相關(guān)數(shù)據(jù)，如 液面高度、斷面形狀尺寸、斷面面積、流速、流量等信息，可將采集信息自動(dòng)保存到存儲(chǔ)卡 中，也可通過USB接口 15進(jìn)行輸出等操作；
[0072] 步驟F:測量完成后，關(guān)閉電源，可將測量裝置各個(gè)部件拆卸保管。
[0073] 在步驟D中，也可以由人工控制第一升降機(jī)構(gòu)8和第二升降機(jī)構(gòu)5的位置進(jìn)行數(shù)據(jù) 米集。
[0074] 采用了上述結(jié)構(gòu)后，本裝置能夠測量各種斷面的流量信息，且測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可 與巨〇
[0075] 對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對(duì)實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般 原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，未予以詳細(xì)說明
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種不規(guī)則斷面流量測量裝置，其特征在于，包括： 用于沉在水底的基座，基座分別與導(dǎo)向桿和液位傳感器固定連接； 導(dǎo)向桿上具有第一升降機(jī)構(gòu)和第二升降機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向桿為兩升降機(jī)構(gòu)導(dǎo)向； 第二升降機(jī)構(gòu)上設(shè)有控制模塊及用于采集不同高度水流流速的流速傳感器； 第一升降機(jī)構(gòu)上設(shè)有用于量測過流斷面面積的測量探頭； 其中，流速傳感器、液位傳感器和測量探頭將數(shù)據(jù)回傳至處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 化為流量信息后反饋。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的不規(guī)則斷面流量測量裝置，其特征在于，所述導(dǎo)向桿為螺桿。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的不規(guī)則斷面流量測量裝置，其特征在于，所述第一升降機(jī)構(gòu)的 包括殼體，殼體內(nèi)固定連接有升降電機(jī)，升降電機(jī)的主軸上安裝有主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪與從 動(dòng)齒圈嚙合，從動(dòng)齒圈安裝于絲母上，絲母與螺桿形成螺紋副； 升降電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)絲母實(shí)現(xiàn)殼體的升降。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的不規(guī)則斷面流量測量裝置，其特征在于，所述第一升降機(jī)構(gòu)和 第二升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的不規(guī)則斷面流量測量裝置，其特征在于，所述測量探頭為激光 測距探頭或聲波探頭。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的不規(guī)則斷面流量測量裝置，其特征在于，所述測量探頭通過旋 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝配于第一升降機(jī)構(gòu)上。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的不規(guī)則斷面流量測量裝置，其特征在于，所述處理系統(tǒng)包括殼 體，殼體內(nèi)具有主控芯片，殼體正面設(shè)有按鍵及顯示屏，主控芯片分別與按鍵及顯示屏連 接，殼體側(cè)面具有數(shù)據(jù)接口。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的不規(guī)則斷面流量測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)接口包括SD 卡插槽及USB接口。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的不規(guī)則斷面流量測量裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為電 機(jī)，電機(jī)的主軸與測量探頭相連接。10. -種基于權(quán)利要求1所述的不規(guī)則斷面流量測量裝置的方法，其特征在于，步驟如 下： A、 系統(tǒng)初始化； B、 將底座置于水底； C、 通過液位傳感器反饋的數(shù)據(jù)，調(diào)整第一升降機(jī)構(gòu)和第二升降機(jī)構(gòu)的高度； D、 啟動(dòng)第一升降機(jī)構(gòu)和第二升降機(jī)構(gòu)，并令測量探頭轉(zhuǎn)動(dòng)，采集流速數(shù)據(jù)及斷面邊界 數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)回傳給處理系統(tǒng)； E、 處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流速信息并顯示。
【文檔編號(hào)】G01F1/00GK105841751SQ201610162258
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月21日
【發(fā)明人】許振浩, 黃鑫, 林鵬, 周輪, 何樹江, 屠文峰, 潘東東, 劉聰, 高成路
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)