一种不规则断面流量测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种不规则断面流量测量装置及其测量方法，属于水文及地质相关技术领域。装置部分主要包括用于沉在水底的基座，基座分别与导向杆和液位传感器固定连接；导向杆上具有第一升降机构和第二升降机构，导向杆为两升降机构导向；第二升降机构上设有控制模块及用于采集不同高度水流流速的流速传感器；第一升降机构上设有用于量测过流断面面积的测量探头；其中，流速传感器、液位传感器和测量探头将数据回传至处理系统，处理系统将数据转化为流量信息后反馈。本发明通过设计全新的结构，使得本装置能够适用于不规则断面的流量测量，且测得的数据准确可靠。
【专利说明】
一种不规则断面流量测量装置及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及水文及地质相关技术领域，具体的说，是涉及一种不规则断面流量测 量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 我国水资源丰富，进行水流流量测量是水文地质调查的重要内容之一。
[0003] 常见的不规则断面渠道流量测定时，在渠道上安装量水槽堰，把渠道内流量的大 小转换为液位的高低，通过液位计测量槽堰内的液位，通过流量转换器，按照各类槽堰的液 位流量关系计算出液体的流量。
[0004] 在自然条件下，明渠尺寸大小不一，需根据现场流量范围大小选用槽堰，且量水槽 堰制作、携带、安装施工不便。同时，三角堰、矩形堰、等宽堰对水流的阻力较大，固体物易于 沉积在上游。而巴歇尔槽、无喉道槽堰制作成本高等缺点。
[0005] 现有技术中，已经存在部分关于过水断面流量的研究。例如申请号为 201310181539.7的中国专利文献提供了一种流速自校正明渠流量测量装置，主要包括:底 座，其上设置有驱动电机、流速变送器和下端穿出底座的竖直筒架，竖直筒架上设置有由驱 动电机驱动的升降机构;液位传感器I，设置在底座上;连杆，套在竖直筒架内，其上端与升 降机构连接，下端延伸出竖直筒架;流速传感器，连接在连杆的下端，并与流速变送器电连 接;液位传感器Π ，设置在流速传感器上，用于检测流速传感器在液面下的深度；以及测控 系统。
[0006] 该方案通过钢丝绳带动流速传感器进行升降，升降的过程中间信号实时回传给控 制系统，，并根据液位传感器Π 反馈的深度信号将流速传感器校正至断面的平均流速点，最 终根据检测的水位高度值和流速值以及被测明渠尺寸参数计算出流量值。
[0007] 但是，该方案存在较多的缺陷，具体包括：
[0008] 1、受限于自身结构，其使用过程中，底座必须固定在漂浮于河面的物体(例如测量 船)上。同时，利用钢丝绳带动流苏传感器上升。然而，在测量的过程中，测量船是无法相对 于水底保持位置相对稳定，必然会因水流及风的原因发生一定程度的位移。另一个因素是， 钢丝绳实质为具有一定柔性与任性的绳索，在流速传感器上升的过程中，其必然受水流的 推力，发生一定的变形。对于不同高度的水流来说，其流速也不同。
[0009] 基于上述多重因素作用，会导致流速传感器在上升的过程中运动轨迹为不规则的 曲线，使采集到的流速信号与真实信号存在差异，影响后续数据的处理。
[0010] 2、过水断面的计算，不仅与流速有关，还与过水断面的面积有关。该方案仅能够测 量过水断面水的流速，基于现有公式和已知的被测量明渠的几何尺寸从而计算出流量值。
[0011] 但是，当被测量对象为不规则断面时，过水断面的面积就无法获知，使得该装置基 本无法使用。
[0012] 因此，有必要设计一种具有较高通用性的装置，来实现对各种断面流量的测量。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种不规则断面流量测量装置 及其测量方法。本发明通过设计全新的结构，使得本装置能够适用于不规则断面的流量测 量，且测得的数据准确可靠。
[0014] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0015] -种不规则断面流量测量装置，包括：
[0016] 用于沉在水底的基座，基座分别与导向杆和液位传感器固定连接；
[0017] 导向杆上具有第一升降机构和第二升降机构，导向杆为两升降机构导向；
[0018] 第二升降机构上设有控制模块及用于采集不同高度水流流速的流速传感器；
[0019] 第一升降机构上设有用于量测过流断面面积的测量探头；
[0020] 其中，流速传感器、液位传感器和测量探头将数据回传至处理系统，处理系统将数 据转化为流量信息后反馈。
[0021 ]优选的，所述第一升降机构和第二升降机构结构相同。
[0022]优选的，所述导向杆为螺杆。
[0023]优选的，所述第一升降机构的包括壳体，壳体内固定连接有升降电机，升降电机的 主轴上安装有主动齿轮，主动齿轮与从动齿圈啮合，从动齿圈安装于丝母上，丝母与螺杆形 成螺纹副；
[0024] 升降电机通过驱动丝母实现壳体的升降。
[0025] 优选的，所述测量探头为激光测距探头或声波探头。
[0026] 优选的，所述测量探头通过旋转机构装配于第一升降机构上。
[0027] 优选的，所述处理系统包括壳体，壳体内具有主控芯片，壳体正面设有按键及显示 屏，主控芯片分别与按键及显示屏连接，壳体侧面具有数据接口。
[0028]优选的，所述数据接口包括SD卡插槽及USB接口。
[0029] 优选的，所述旋转机构为电机，电机的主轴与测量探头相连接。
[0030] 在提供结构方案的同时，本发明还提供了一种基于上述测量装置进行测量的方 法，主要包括如下步骤：
[0031 ] A、系统初始化；
[0032] B、将底座置于水底；
[0033] C、通过液位传感器反馈的数据，调整第一升降机构和第二升降机构的高度；
[0034] D、启动第一升降机构和第二升降机构，并令测量探头转动，采集流速数据及断面 边界数据，同时将数据回传给处理系统；
[0035] E、处理系统将数据转换为流速信息并显示。
[0036]本发明的有益效果是：
[0037] (1)流速传感器在升降的过程中采集到不同高度的流速信号，测量探头通过旋转 运动与上升运动测到断面的边界信号，两种信号汇总到处理模块后可以非常方便的计算出 断面的实际流速。
[0038] (2)流速传感器与测距探头在上升的过程中不随水的流动方向产生位移，因此基 本可视为仅进行垂直运动，从本质上保证了测得的数据准确可靠。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0040] 图2是本发明中流速传感器的装配图；
[0041 ]图3是本发明中旋转机构的俯视装配图；
[0042]图4是本发明中旋转机构的正视装配图；
[0043]图5是本发明中处理系统的结构示意图；
[0044] 图6是本发明中第一升降机构的结构示意图；
[0045] 图7是本发明的应用状态图；
[0046] 图中，1.基座，2.液位传感器，3.信号线，4.导向杆，5.第二升降机构，6.控制模块， 7.螺栓孔，8.第一升降机构，9.旋转机构，10.测量探头，11.流速传感器，12.外壳，13.连接 线接口，14. SD卡插槽，15.USB接口，16.显示屏，17.按键，18.壳体，19.丝母，20.主动齿轮， 21.从动齿圈，22.升降电机。
【具体实施方式】
[0047] 下面将结合附图对本发明进行详细说明。
[0048] 实施例:一种不规则断面流量测量装置，其结构如图1-6所示，包括：
[0049] 用于沉在水底的基座1，基座1的上表面与导向杆4和液位传感器2固定连接，液位 传感器位于导向杆4的一侧。作为较佳的选择，导向杆4可以是金属螺杆。
[0050] 导向杆4上安装有第一升降机构8和第二升降机构5,导向杆4为第一升降机构8和 第二升降机构5升降过程中导向。在第二升降机构5上分别安装有控制模块6及安装座，安装 座上具有多个螺栓孔7,流速传感器11通过螺栓装配于螺栓孔7上，控制模块6用于控制第一 升降机构8和第二升降机构5升降。
[0051] 其中，所述第一升降机构8上设有用于量测过流断面面积的测量探头10。
[0052 ]第一升降机构8包括被螺杆贯穿的壳体18，壳体18可以是的防水的。壳体18内部固 定连接有升降电机22,升降电机22的主轴上安装有主动齿轮21，主动齿轮21与从动齿圈20 啮合，从动齿圈安装于丝母19(又称螺母)外侧，丝母19与螺杆形成螺纹副配合。
[0053]第一升降机构8通过升降电机22的正反转，带动丝母19正反转，则丝母19就带动壳 体18上下移动。
[0054]作为较佳的情况，丝母19可以是上下两端稍大的工字型结构，壳体18内具有与丝 母19相适配的圆柱形内腔。依靠丝母19的上下两端带动壳体18上下移动。
[0055]优选的，所述第一升降机构8和第二升降机构5结构相同。
[0056]根据不同的需要，测量探头10可为激光测距探头或声波探头;且测量探头10通过 旋转机构9装配于第一升降机构8上。
[0057]所述液位传感器2、控制模块6、测量探头10和流速传感器11分别通过信号线3与处 理系统连通。
[0058]所述旋转机构9为电机，电机的主轴与测量探头相连接。
[0059]处理系统包括外壳12,外壳12内具有主控芯片（图中未示出），壳体正面设有按键 17及显示屏16,主控芯片分别与按键17及显示屏16连接，外壳12侧面具有SD卡插槽14及USB 接口 15〇
[0060]液位传感器2可获得液面高度，据此设定流速传感器11及旋转机构9的位置，并通 过升降机构自动升降至所需位置。
[0061 ]旋转机构可自由旋转180°，上面安装测量探头10,通过旋转机构的旋转，则测量探 头10就测量断面边界个点到探头的距离，并通过信号线传给处理系统。
[0062]所述自动升降装置为密封防水装置，内部含有自动升降系统，可控制固定装置沿 螺纹金属杆上下移动;所述流速传感器通过螺栓与自动升降装置相连，
[0063]在采集数据的过程中，主控芯片能够将各种数据写入SD卡，并可以通过USB接口将 数据输出给其他装置。
[0064]显示屏16可以进行各项设置的可视化操作，并显示采集和处理后的数据图形等； 通过按键17可实现处理系统的开关机，测量的开始、暂停和中止，显示屏16内显示信息的上 下移动，返回和确认，以及人工控制升降系统的升降和对采集信息的输出和保存；内置数据 采集和处理软件系统可实现数据采集存储。
[0065] 本装置中，通过采集不同位置过水断面的流速，并求得平均流速G，同时将采集过 水断面边界各点距测量探头10的距离，经处理后可获得过水断面的形状及尺寸，并以图形 显示出来，同时计算出过水断面的面积S，从而计算出流量过水断面的流量= 。
[0066] 如图7所示，同时，本实施例还提供了一种基于上述测量装置的其使用方法，主要 包括以下步骤：
[0067] 步骤A:将流量测量装置各个部件组装完成，并采用信号线3连接，开机调试第一升 降机构8、第二升降机构5和旋转机构9是否运转正常；
[0068] 步骤B:将基座1放置于需要测量过水断面中间位置，并将下端基座1固定好，打开 处理系统的开关。
[0069] 步骤C:通过液位传感器2确定液面高度，并据此自动设定第一升降机构8和第二升 降机构5的位置；
[0070] 步骤D:启动第一升降机构8和第二升降机构5,流速传感器11将移动至设定位置 (如液面高度一半处），采集此处的流速作为断面的平均流速，并传送给处理系统;测量探头 10跟随旋转装置9移动至液面处，以一定的角速度旋转，采集不规则断面边界各个点到激光 探头的距离，并传送给处理系统。
[0071] 步骤E:测量完成后，在显示屏16进行操作，通过按键17自由选择查看相关数据，如 液面高度、断面形状尺寸、断面面积、流速、流量等信息，可将采集信息自动保存到存储卡 中，也可通过USB接口 15进行输出等操作；
[0072] 步骤F:测量完成后，关闭电源，可将测量装置各个部件拆卸保管。
[0073] 在步骤D中，也可以由人工控制第一升降机构8和第二升降机构5的位置进行数据 米集。
[0074] 采用了上述结构后，本装置能够测量各种断面的流量信息，且测得的数据准确可 与巨〇
[0075] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般 原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明
【主权项】
1. 一种不规则断面流量测量装置，其特征在于，包括： 用于沉在水底的基座，基座分别与导向杆和液位传感器固定连接； 导向杆上具有第一升降机构和第二升降机构，导向杆为两升降机构导向； 第二升降机构上设有控制模块及用于采集不同高度水流流速的流速传感器； 第一升降机构上设有用于量测过流断面面积的测量探头； 其中，流速传感器、液位传感器和测量探头将数据回传至处理系统，处理系统将数据转 化为流量信息后反馈。2. 根据权利要求1所述的不规则断面流量测量装置，其特征在于，所述导向杆为螺杆。3. 根据权利要求2所述的不规则断面流量测量装置，其特征在于，所述第一升降机构的 包括壳体，壳体内固定连接有升降电机，升降电机的主轴上安装有主动齿轮，主动齿轮与从 动齿圈啮合，从动齿圈安装于丝母上，丝母与螺杆形成螺纹副； 升降电机通过驱动丝母实现壳体的升降。4. 根据权利要求3所述的不规则断面流量测量装置，其特征在于，所述第一升降机构和 第二升降机构结构相同。5. 根据权利要求1所述的不规则断面流量测量装置，其特征在于，所述测量探头为激光 测距探头或声波探头。6. 根据权利要求1所述的不规则断面流量测量装置，其特征在于，所述测量探头通过旋 转机构装配于第一升降机构上。7. 根据权利要求1所述的不规则断面流量测量装置，其特征在于，所述处理系统包括壳 体，壳体内具有主控芯片，壳体正面设有按键及显示屏，主控芯片分别与按键及显示屏连 接，壳体侧面具有数据接口。8. 根据权利要求7所述的不规则断面流量测量装置，其特征在于，所述数据接口包括SD 卡插槽及USB接口。9. 根据权利要求6所述的不规则断面流量测量装置，其特征在于，所述旋转机构为电 机，电机的主轴与测量探头相连接。10. -种基于权利要求1所述的不规则断面流量测量装置的方法，其特征在于，步骤如 下： A、 系统初始化； B、 将底座置于水底； C、 通过液位传感器反馈的数据，调整第一升降机构和第二升降机构的高度； D、 启动第一升降机构和第二升降机构，并令测量探头转动，采集流速数据及断面边界 数据，同时将数据回传给处理系统； E、 处理系统将数据转换为流速信息并显示。
【文档编号】G01F1/00GK105841751SQ201610162258
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】许振浩, 黄鑫, 林鹏, 周轮, 何树江, 屠文峰, 潘东东, 刘聪, 高成路
【申请人】山东大学