專利名稱：一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置，屬于自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，它是一種同時(shí)具有測(cè)量水位和水流速雙重功能的自動(dòng)化測(cè)量裝置，主要應(yīng)用在水利和水文等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在水利和水文等技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)大江和河流的水位和水流量測(cè)量是必需的，尤其是汛期間，精確檢測(cè)上游各支流的來水量，預(yù)報(bào)洪峰到來的時(shí)間、最高水位以及最大流量，對(duì)下游防洪有著指導(dǎo)性的意義，而水流量的計(jì)算需要水位、水流速、河床橫截面圖以及流量曲線等基本參數(shù)，所以水位和水流速的精確測(cè)量就顯得非常重要。汛期在能夠通航的大江大河中，測(cè)量水位和水流速，通常是配水文測(cè)量船定點(diǎn)定時(shí)到河道中心處人工測(cè)量；不通航的上游分支河段，由于這些河段洪水湍急，水下滾石和漂浮物眾多，人工徒步到河道中心測(cè)量顯然是不可能的，最常見的測(cè)量手段是在河道的兩岸架設(shè)一條鋼纜，測(cè)量人員乘坐吊籃移動(dòng)到河道中心位置，用水文測(cè)量尺和便攜式流速儀測(cè)量水位和水流速，根據(jù)河床橫截面圖及流量曲線計(jì)算出水流量上報(bào)上級(jí)部門。防洪形勢(shì)越嚴(yán)峻，要求上報(bào)數(shù)據(jù)的頻率越高，在此期間水利和水文工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，要求風(fēng)雨無阻，及時(shí)上報(bào)。測(cè)量水位方法很多，常見的有超聲波、雷達(dá)、壓差、壓力以及浮子等形式，但是這些形式的傳感器因受到通航和漂浮物的影響，不可能安裝到河道中間，水文和水利領(lǐng)域最常用的測(cè)量方法是水文測(cè)量尺，安裝在河道的兩側(cè)邊緣，水文測(cè)量尺是靠人工到現(xiàn)場來觀察水位，不屬于自動(dòng)化儀表。測(cè)量水流速常見的是超聲多普勒流速傳感器和旋漿式流速傳感器，但是采用旋槳式流速傳感器也需由人到測(cè)量點(diǎn)手持旋槳式流速儀測(cè)量或固定安裝在河道側(cè)壁上，并且超聲多普勒流速傳感器也不能安裝到通航的河道中間。檢索到類似本發(fā)明的專利淤沙寬河道流量測(cè)量裝置，申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)200920313547.I
專利200920313547. I采用的水位傳感器和流速傳感器存在的主要缺點(diǎn)是受客觀條件影響較大，如超聲波傳感器受水體波動(dòng)和風(fēng)速的影響，所以不適宜在大風(fēng)大雨大浪的環(huán)境中工作，特別是山洪暴發(fā)期間的上游河道；浮子水位計(jì)需要專門的測(cè)井設(shè)備，也不適宜在上述惡劣環(huán)境中工作。綜合所述在水利和水文領(lǐng)域，目前的狀況是對(duì)河道水位、水流速和水流量的測(cè)量，基本上還停留人工測(cè)量間段，不僅工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且測(cè)量的時(shí)間間隔也大，已經(jīng)不能適應(yīng)防洪對(duì)水文預(yù)報(bào)的要求。隨著國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步提升，對(duì)防洪和水文預(yù)報(bào)的精確度要求越來越高，促使水利和水文測(cè)量技術(shù)，必須沿著在線不間斷測(cè)量及上報(bào)自動(dòng)化方向發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置，其目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的一些問題，從而公開一種同時(shí)具有測(cè)量水位和水流速雙重功能的一體化測(cè)量裝置的技術(shù)方案，該裝置適用于水利和水文等技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明是一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置，其特征在于是一種用于測(cè)量河道水位和水流速的一體化測(cè)量裝置，整套裝置由牽引系統(tǒng)(見附圖I)、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)三部分組成(見附圖2)，其中牽引系統(tǒng)由鋼絲繩4、滑輪5、電機(jī)10、減速機(jī)11以及鋼絲繩滾筒12組成，其電機(jī)10正反轉(zhuǎn)經(jīng)減速機(jī)11、鋼絲繩滾筒12和鋼絲繩4、滑輪5牽引探頭上下移動(dòng)，其中探頭由配重塊I和流速傳感器2組成；控制系統(tǒng)由稱重傳感器3和稱重智能表16組成，其所述稱重傳感器3用來測(cè)量探頭的重量，稱重智能表16用來設(shè)定探頭重量的下限值、上限值、上上限值以及控制電機(jī)10的正反轉(zhuǎn)，其中重量顯示屏19是稱重智能表16本身帶有的顯示單元，用來顯示探頭的重量，稱重智能表16選用通用型帶有下下限、下限、上限、上上限控制功能的稱重智能表；測(cè)量系統(tǒng)由配重塊I、流速傳感器2、流速智能表15、編碼傳感器13和水位智能表14組成；流速傳感器2選用旋漿式流速傳感器，流速智能表15選用帶有脈沖輸入信號(hào)的通用型智能表，流速顯示屏18是流速智能表15本身帶有的顯示單元，用來顯示當(dāng)前水流速；其所述水位智能表14選用帶有輸入脈沖信號(hào)的通用型智能表，水位顯示屏17是水位智能表14本身帶有的顯示單元，用來顯示當(dāng)前水位；編碼傳感器13選用旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼傳感器13安裝在鋼絲繩滾筒12的軸端隨鋼絲繩滾筒12 —起旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩滾筒12轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，編碼傳感器13也旋轉(zhuǎn)一圈，同時(shí)發(fā)出幾百個(gè)甚至幾千個(gè)數(shù)字脈沖，送至水位智能表14進(jìn)行運(yùn)算和顯示；水位智能表14和流速智能表15選用帶有USB通信接口的通用型智能表，方便與上位計(jì)算機(jī)20通信。上述一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置，其特征在于為了防止探頭受水流的沖擊左右擺動(dòng)，探頭的牽引形式采用雙回鋼絲繩牽引系統(tǒng)。上述一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置，其特征在于所述探頭隨時(shí)跟蹤水位的變化，流速傳感器2始終處于水位的上部，距水面的高度是定值。本發(fā)明一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明新型測(cè)量裝置屬于在線不間斷一體化測(cè)量裝置?？梢詽M足水文測(cè)量定地點(diǎn)、定時(shí)間、定高度的要求，這樣的測(cè)量數(shù)據(jù)具有可比性。其測(cè)量方法屬于在線不間斷測(cè)量方法，是一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置，適應(yīng)于通航及不通航河道。
圖I測(cè)量裝置安裝示意圖
I.配重塊2.流速傳感器3.稱重傳感器4.鋼絲繩5.滑輪6.稱重電纜 7.測(cè)量電纜8.電纜9.防水分線盒10.電機(jī)11.減速機(jī)12.鋼絲繩滾筒
13.編碼傳感器
圖2測(cè)量裝置功能及控制圖
14.水位智能表15.流速智能表16.稱重智能表17.水位顯示屏18.流速顯示屏19.重量顯示屏20.上位計(jì)算機(jī)
301手動(dòng)按鈕 302.稱重智能表下限繼電器觸點(diǎn) 303.稱重智能表上限繼電器觸
點(diǎn)
304.稱重智能表上上限繼電器觸點(diǎn)。具體實(shí)施方案實(shí)施方式I:
本發(fā)明是一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置整套裝置由牽引系統(tǒng)(見附圖I)、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)三部分組成(見附圖2)，其中牽引系統(tǒng)由鋼絲繩4、滑輪5、電機(jī)10、減速機(jī)11以及鋼絲繩滾筒12組成，其所述電機(jī)10正反轉(zhuǎn)經(jīng)減速機(jī)11、鋼絲繩滾筒12和鋼絲繩4、滑輪5牽引探頭上下移動(dòng)，其中探頭由配重塊I和流速傳感器2組成?？刂葡到y(tǒng)由稱重傳感器3和稱重智能表16組成，其所述稱重傳感器3用來測(cè)量探頭的重量，稱重智能表16用來設(shè)定探頭重量的下限值、上限值、上上限值以及控制電機(jī)10的正反轉(zhuǎn)，其中重量顯示屏19是稱重智能表16本身帶有的顯示單元，用來顯示探頭的重量，稱重智能表16選用通用型帶有下下限、下限、上限、上上限控制功能的稱重智能表，下限繼電器觸點(diǎn)302是稱重智能表16本身帶有的下限繼電器觸點(diǎn)，上限繼電器觸點(diǎn)303是稱重智能表16本身帶有的上限繼電器觸點(diǎn)，上上限繼電器觸點(diǎn)304是稱重智能表16本身帶有的上上限繼電器觸點(diǎn)，301是稱重智能表16本身帶有的按鈕，用于手動(dòng)控制牽引探頭上升或下降(見附圖2)。測(cè)量系統(tǒng)由配重塊I、流速傳感器2、流速智能表15、編碼傳感器13和水位智能表14組成，流速傳感器2選用旋漿式流速傳感器，型號(hào)為LS-12，旋槳式流速傳感器是利用水流速度與旋槳轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)成正比的規(guī)律，將水流速度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)的一種流速傳感器，流速智能表15選用帶有脈沖輸入信號(hào)的通用型智能表，流速顯示屏18是流速智能表15本身帶有的顯示單元，用來顯示當(dāng)前水流速。其所述水位智能表14選用帶有輸入脈沖信號(hào)的通用型智能表，水位顯示屏17是水位智能表14本身帶有的顯示單元，用來顯示當(dāng)前水位。編碼傳感器13選用旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼傳感器13安裝在鋼絲繩滾筒12的軸端隨鋼絲繩滾筒12 —起旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩滾筒12轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，編碼傳感器13也旋轉(zhuǎn)一圈，同時(shí)發(fā)出幾百個(gè)甚至幾千個(gè)數(shù)字脈沖，送至水位智能表14進(jìn)行運(yùn)算和顯示。根據(jù)公式F=H/W計(jì)算脈沖當(dāng)量，式中F脈沖當(dāng)量、H是探頭上升或下降的距離、W是探頭上升或下降距離為H時(shí)編碼傳感器13所產(chǎn)生脈沖的個(gè)數(shù)，將脈沖當(dāng)量F存入水位智能表14，作為計(jì)算水位的依據(jù)。水位智能表14和流速智能表15選用帶有USB通信接口的通用型智能表，方便與上位計(jì)算機(jī)20通信。其所述流速傳感器2的電源和信號(hào)經(jīng)測(cè)量電纜7、防水分線盒9、電纜8與流速智能表15連通，測(cè)量電纜7選用螺旋伸縮型屏蔽控制電纜，其外形像彈簧，可以自由伸縮，具有高彈性、高耐磨、高抗撕裂強(qiáng)度。稱重傳感器3的電源和信號(hào)經(jīng)稱重電纜6、防水分線盒9、電纜8與稱重智能表16連通。本發(fā)明的水位與水流速一體化測(cè)量裝置在不通航河道上的應(yīng)用
I.上述測(cè)量裝置的安裝
整套測(cè)量裝置安裝在跨河道的鋼纜上(見附圖I)，安裝完成后，接通電源。2.測(cè)量裝置的校驗(yàn) (I)計(jì)算脈沖當(dāng)量
取鋼絲繩滾筒12的直徑為318. 5mm,那么鋼絲繩滾筒12旋轉(zhuǎn)兩圈，鋼絲繩4放松或收回2m的長度；由于探頭牽引鋼絲繩4是雙回牽引，所以探頭向下或向上移動(dòng)的距離是Im。選編碼傳感器13為PKT-100系列，分辨率為200脈沖/轉(zhuǎn)，當(dāng)探頭向下或向上移動(dòng)Im時(shí)，可計(jì)算脈沖當(dāng)量F=H/W=1000mm/400=2. 5mm/脈沖；將此脈沖當(dāng)量存入水位智能表14中，作為計(jì)算水位的依據(jù)(2)整定稱重智能表16的上、下限
取探頭的重量為360kg，’探頭的實(shí)際體積為O. 045M3，則探頭的最大排水量為O. 045M3 ；若IM3水的重量按IOOOkg計(jì)算，那么水對(duì)探頭的最大浮力是45 kg。當(dāng)探頭處于最大浮力時(shí)，稱重智能表16的重量顯示屏19的顯示值為315kg。將稱重智能表16下限整定值設(shè)定為315kg，將上限整定值設(shè)定為320kg，上上限整定值設(shè)定為325kg。(3)確定水位的初始值
把測(cè)量裝置安裝時(shí)的河道水位值設(shè)置在水位智能表14內(nèi)，作為水位測(cè)量的初始值。安裝校驗(yàn)完畢后，測(cè)量裝置即可投入運(yùn)用，如果運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)有測(cè)量誤差，只需重新校驗(yàn)脈沖當(dāng)量F即可。3.下面結(jié)合附圖I和附圖2，進(jìn)一步說明本發(fā)明的水位與水流速一體化測(cè)量裝置的工作原理
⑴測(cè)量水位的原理
根據(jù)阿基米德浮力定律浸在液體里的物體受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被該物體排開的液體的重力，因此測(cè)量裝置的稱重智能表16測(cè)到的探頭重量與探頭淹沒的程度有關(guān)。開始測(cè)量水位時(shí)，首先調(diào)整探頭浸入水后的重量為稱重智能表16的上限值320kg，開始測(cè)量后，若探頭的重量保持為320kg，說明被測(cè)河流的水位沒有變化；這時(shí)，稱重智能表16沒有信號(hào)輸出，繼電器觸點(diǎn)302、303、304不動(dòng)作，電機(jī)10不轉(zhuǎn)動(dòng)，水位顯示屏17的值不發(fā)生改變。當(dāng)被測(cè)水位上升時(shí)，探頭被淹沒的部分增加，這時(shí)稱重傳感器3的輸出值減小，當(dāng)減小到稱重智能表16的下限值315 kg時(shí)，稱重智能表16的繼電器302常開觸點(diǎn)閉合，電機(jī)10正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鋼絲繩滾筒12和編碼傳感器13正轉(zhuǎn)，牽引鋼絲繩4和探頭上升，編碼傳感器13發(fā)出脈沖信號(hào)，水位智能表14的水位顯示屏17的顯示值在增加；隨著探頭上升，其重量在不斷增加，當(dāng)稱重傳感器3的輸出值達(dá)到稱重智能表16的上限值時(shí)，稱重智能表16的繼電器303常閉觸點(diǎn)打開，電機(jī)10停轉(zhuǎn)，探頭停止上升，水位智能表14的水位顯示屏17顯示當(dāng)前水位值。當(dāng)水位下降時(shí)，探頭被淹沒的部分減小，稱重傳感器3的輸出值增加，當(dāng)增加到稱重智能表16的上上限值時(shí)，稱重智能表16的304常開觸點(diǎn)閉合，電機(jī)10反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鋼絲繩滾筒12和編碼傳感器13反轉(zhuǎn)，探頭下降，水位智能表14的水位顯示屏17的顯示值在減小，當(dāng)稱重傳感器3的輸出值減小到稱重智能表16的上限值時(shí)，稱重智能表16的繼電器303常閉觸點(diǎn)打開，電機(jī)10停轉(zhuǎn)，探頭停止下降，水位智能表14的水位顯示屏17顯示當(dāng)前水位值?？s小下限與上上限整定值的范圍，可以進(jìn)一步提高水位測(cè)量精度。(2)測(cè)量水流速的原理
在測(cè)量過程中，流速傳感器2始終處在水面下某一深度，水流推動(dòng)傳感器的旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，由于水流速度與旋槳(葉輪)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，所以可根據(jù)傳感器旋槳的轉(zhuǎn)速來推知水的流速；傳感器將旋槳的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，水流速越大脈沖頻率越高，根據(jù)輸出的相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)來計(jì)算出水的流速。將相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)經(jīng)測(cè)量電纜7、電纜8及防水分線盒9送至流速智能表15，流速智能表15的流速顯示屏18顯示當(dāng)前的水流速。
實(shí)施方式2
本發(fā)明的水位與水流速一體化測(cè)量裝置在通航河道上的應(yīng)用
安裝形式如附圖1，當(dāng)上游或下游來船時(shí)，按動(dòng)按鈕301啟動(dòng)電機(jī)10，電機(jī)10正轉(zhuǎn)將探頭提升到鋼纜的最高處，以利于通航。測(cè)量裝置的安裝及校驗(yàn)同實(shí)施方式I。
權(quán)利要求
1.一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置，其特征在于是一種用于測(cè)量河道水位和水流速的一體化測(cè)量裝置，整套裝置由牽引系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)三部分組成，其中牽引系統(tǒng)由鋼絲繩(4)、滑輪(5)、電機(jī)(10)、減速機(jī)(11)以及鋼絲繩滾筒(12)組成，其電機(jī)(10)正反轉(zhuǎn)經(jīng)減速機(jī)(11)、鋼絲繩滾筒(12)和鋼絲繩(4)、滑輪(5)牽引探頭上下移動(dòng)，其中探頭由配重塊(I)和流速傳感器(2)組成；控制系統(tǒng)由稱重傳感器(3)和稱重智能表(16)組成，其所述稱重傳感器(3)用來測(cè)量探頭的重量，稱重智能表(16)用來設(shè)定探頭重量的下限值、上限值、上上限值以及控制電機(jī)(10)的正反轉(zhuǎn)，其中重量顯示屏(19)是稱重智能表(16)本身帶有的顯示單元，用來顯示探頭的重量，稱重智能表(16)選用通用型帶有下下限、下限、上限、上上限控制功能的稱重智能表；測(cè)量系統(tǒng)由配重塊(I)、流速傳感器(2)、流速智能表(15)、編碼傳感器(13)和水位智能表(14)組成；流速傳感器(2)選用旋漿式流速傳感器，流速智能表(15)選用帶有脈沖輸入信號(hào)的通用型智能表，流速顯示屏(18)是流速智能表(15)本身帶有的顯示單元，用來顯示當(dāng)前水流速；其所述水位智能表(14)選用帶有輸入脈沖信號(hào)的通用型智能表，水位顯示屏(17)是水位智能表(14)本身帶有的顯示單元，用來顯示當(dāng)前水位；編碼傳感器(13)選用旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼傳感器(13)安裝在鋼絲繩滾筒(12)的軸端隨鋼絲繩滾筒(12) —起旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩滾筒(12)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，編碼傳感器(13)也旋轉(zhuǎn)一圈，同時(shí)發(fā)出幾百個(gè)甚至幾千個(gè)數(shù)字脈沖，送至水位智能表(14)進(jìn)行運(yùn)算和顯示；水位智能表(14)和流速智能表(15)選用帶有USB通信接口的通用型智能表，方便與上位計(jì)算機(jī)(20)通信。
2.按照權(quán)利要求I所述的一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置，其特征在于為了防止探頭受水流的沖擊左右擺動(dòng)，探頭的牽引形式采用雙回鋼絲繩牽引系統(tǒng)
全文摘要
一種水位與水流速一體化測(cè)量裝置，屬于自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于具有同時(shí)測(cè)量河道水位和水流速的雙重功能，測(cè)量裝置由配重塊1、流速傳感器2、稱重傳感器3、鋼絲繩4、滑輪5、稱重電纜6、測(cè)量電纜7、電纜8、防水分線盒9、電機(jī)10、減速機(jī)11、鋼絲繩滾筒12、編碼傳感器13、水位智能表14、流速智能表15、稱重智能表16、水位顯示屏17、流速顯示屏18、重量顯示屏19組成。優(yōu)點(diǎn)是定地點(diǎn)、定時(shí)間、定高度、在線不間斷測(cè)量河道水位和水流速，適用于水利和水文等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01P5/06GK102620795SQ20121006335
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者呂迎春, 張建國, 王麗, 陶偉強(qiáng) 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)