一种天然河流表面流速及水下流速同步测量装置及方法与流程

本发明涉及一种天然河流表面流速及水下流速同步测量装置及方法，属于仪器仪表测量技术领域。

背景技术：

我国是世界上河流最多的国家之一，众多的河流为我们提供了丰富的水资源，同时也为我们的生存与发展提供了非常重要的物质基础。但是，在夏季我国许多地区经常受到水灾害的侵扰，造成重大的损失。因此，做好水文数据的收集与处理工作对加强水资源的管理具有重大的意义。

目前，常见的流速采集方式是将入水测量装置投放到指定位置，采集河流内的流速数据，但在天气恶劣的情况下，入水测量装置在下潜时易受漂浮物的碰撞而损坏，进而无法获得准确的流速数据。

通常用水文缆道将入水测量装置投放到指定位置，但传统的水文缆道容易产生晃动，存在稳定性不高，测量精度不够的问题；且为了测量河流表面流速及水下流速需要安装两个缆道，由于缆道受到自身重力及入水测量装置下拉力的影响悬索一般成弧形，在不同的测量位置，悬索下拉的弧度不同，带来了较大的测量误差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种天然河流表面流速及水下流速同步测量装置及方法，用于克服现有单独测量河流表面流速及水下流速装置的不足。主要解决了以下两个问题：1、因河流中漂浮物的撞击引起的入水测量装置容易损坏的问题；2、传统水文缆道因自身重力及入水测量装置下拉力的影响，悬索弯曲引起的测量结果不准确的问题。

本发明技术方案是：一种天然河流表面流速及水下流速同步测量装置，包括雷达流速仪1、数据存储器2、无线通讯电路3、天线4、电磁流速仪5、水面开关6、触底开关7、水下低频通讯模块8、岸上低频通讯模块9、计算机10、三角钢桁架11、导轨12、支撑臂13、三角滑轮14；所述雷达流速仪1输出端和数据存储器2输入端相连，数据存储器2输出端和无线通讯电路3输入端相连，无线通讯电路3输出端与天线4相连，天线4与计算机10相通信；电磁流速仪5、水面开关6和触底开关7的输出端均与水下低频通讯模块8的输入端相连，水下低频通讯模块8与岸上低频通讯模块9通信，岸上低频通讯模块9的输出端与计算机10相连。

进一步地，所述三角钢桁架11设置在河流上方，三角钢桁架11底面焊接导轨12，三角滑轮14布设在导轨12上，三角滑轮14与岸上控制水平移动的电机相连，岸上控制水平移动的电机再与计算机相连，岸上用于控制入水测量装置垂直移动到水中的电机分别与计算机、入水测量装置连接；计算机10预先设定测流位置，岸上电机按照计算机10的设定，一台电机用于控制三角滑轮14水平移动到达设定的水平位置，另一台电机用于控制入水测量装置垂直移动到水中。

进一步地，所述雷达流速仪1、数据存储器2、无线通讯电路3、天线4安装在三角滑轮14的支撑臂13上，所述雷达流速仪1采集河流表面流速数据，所述数据存储器2用于存储并封装雷达流速仪1采集的数据，所述无线通讯电路3通过天线4将数据存储器2封装的数据包发送到计算机10。

进一步地，所述电磁流速仪5安装在入水测量装置的前端，水面开关6安装在入水测量装置的顶部，触底开关7安装在入水测量装置的底部，所述电磁流速仪5用于采集水下流速数据，所述水面开关6用于检测入水测量装置是否完全沉入水中并决定电磁流速仪的工作状态，所述触底开关7用于检测入水测量装置是否达到河底。

进一步地，所述数据存储器2采用直流低功耗cpu。

进一步地，所述无线通讯电路3包括rt9193-33pb电源芯片、stm32微处理器、lora无线通信电路，其lora无线通信电路采用lora2芯片模块。

进一步地，所述水下低频通讯模块8为低频通讯模块，包括stm32单片机、音频功率放大器、低频编码芯片，并且stm32单片机的输出端接低频编码芯片的输入端、低频编码芯片的输出端与音频功率放大器的输入端相接。

进一步地，所述岸上低频通讯模块9包括低频解码芯片。

一种天然河流表面流速及水下流速同步测量方法，所述方法的具体步骤如下：

step1：计算机10设定测量的位置，岸上电机按照计算机10的设定，一台电机控制三角滑轮14水平移动到达设定的水平位置，另一台电机控制入水测量装置垂直移动到水中；入水测量装置完全沉入水中之后，水面开关6闭合；当入水测量装置触底时，触底开关7闭合，入水测量装置停止向下移动；

step2：计算机10设置测流开始时间和结束时间，计算机10将低频信号发给电磁流速仪5，同时将电波信号发送给雷达流速仪1，雷达流速仪1与电磁流速仪5接收到计算机10设置的开始时间信号，开始工作；

step3：雷达流速仪1采集河流表面流速发送到数据存储器2，与此同时也能用电磁流速仪5、水面开关6、触底开关7分别采集水下流速数据、入水测量装置入水信号、入水测量装置触底信号，并将采集的数据发送给水下低频通讯模块8；

step4：数据存储器2存储时间值和对应时间的河流表面流速数据并将其封装为数据包传给无线通讯电路3，无线通讯电路3通过天线4将数据包发送给计算机10，与此同时，水下低频通讯模块8将接收到的信号转化为低频信号并放大后传给岸上低频通讯模块9，岸上低频通讯模块9接收低频信号并解析后发送到计算机10；

step5：计算机10接收到发送的数据后，通过计算分析（在高水条件，测得表面流速，根据表面流速和水下流速的关系计算出水下流速；同时通过雷达流速仪1、电磁流速仪5进行测量时，计算机则不用计算水下流速），再用于实时显示入水测量装置的入水信息、触底信息以及同一时间的河流表面流速和水下流速；

step6：测量结束；岸上电机根据计算机10的设定将入水测量装置归位。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用三角钢桁架结构，不易产生晃动，稳定性高，操作更方便准确，且相较于传统方法使用两条缆道来分别测量河流表面流速与水下流速，本发明通过一个装置实现了对河流表面流速及水下流速的同步测量。

2、本发明适用于各种情况下的水流条件。当河流中含有漂浮物，采用传统测量方式，入水测量装置在下潜时易受漂浮物的碰撞而损坏。本发明只采用雷达流速仪测量河流表面流速时，可以利用河流表面流速和水下流速的关系得出河流水下流速。相较于传统的测量方法，保护了测量装置免受漂浮的物体碰撞而损坏，也适应于高水条件下的测量，提高了测量数据的准确性。

3、本发明三角滑轮是在导轨上移动。传统上由于受缆道自身的重力及入水测量装置下拉力的影响悬索一般成弧形，且在各点处弧形不相同，而导轨受力形变量小，提高了测量结果的准确性。

附图说明

图1是本发明的硬件结构框图；

图2是本发明的无线通讯电路电路原理图；

图3是本发明的lora无线通信电路图；

图4是本发明的部分结构示意图；

图5是本发明的工作流程图。

图1-5中各标号：1-雷达流速仪，2-数据存储器，3-无线通讯电路，4-天线，5-电磁流速仪，6-水面开关，7-触底开关，8-水下低频通讯模块，9-岸上低频通讯模块，10-计算机，11-三角钢桁架，12-导轨，13-支撑臂，14-三角滑轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-5所示，一种天然河流表面流速及水下流速同步测量装置，包括雷达流速仪1、数据存储器2、无线通讯电路3、天线4、电磁流速仪5、水面开关6、触底开关7、水下低频通讯模块8、岸上低频通讯模块9、计算机10、三角钢桁架11、导轨12、支撑臂13、三角滑轮14；所述雷达流速仪1输出端和数据存储器2输入端相连，数据存储器2输出端和无线通讯电路3输入端相连，无线通讯电路3输出端与天线4相连，天线4与计算机10相通信；电磁流速仪5、水面开关6和触底开关7的输出端均与水下低频通讯模块8的输入端相连，水下低频通讯模块8与岸上低频通讯模块9通信，岸上低频通讯模块9的输出端与计算机10相连。

进一步地，所述三角钢桁架11设置在河流上方，三角钢桁架11底面焊接导轨12，三角滑轮14布设在导轨12上，三角滑轮14与岸上控制水平移动的电机相连，岸上控制水平移动的电机再与计算机相连，岸上用于控制入水测量装置垂直移动到水中的电机分别与计算机、入水测量装置连接；计算机10预先设定测流位置，岸上电机按照计算机10的设定，一台电机用于控制三角滑轮14水平移动到达设定的水平位置，另一台电机用于控制入水测量装置垂直移动到水中。

进一步地，所述雷达流速仪1、数据存储器2、无线通讯电路3、天线4安装在三角滑轮14的支撑臂13上，所述雷达流速仪1采集河流表面流速数据，所述数据存储器2用于存储并封装雷达流速仪1采集的数据，所述无线通讯电路3通过天线4将数据存储器2封装的数据包发送到计算机10。

进一步地，所述电磁流速仪5安装在入水测量装置的前端，水面开关6安装在入水测量装置的顶部，触底开关7安装在入水测量装置的底部，所述电磁流速仪5用于采集水下流速数据，所述水面开关6用于检测入水测量装置是否完全沉入水中并决定电磁流速仪的工作状态，所述触底开关7用于检测入水测量装置是否达到河底。

进一步地，所述数据存储器2采用直流低功耗cpu。

进一步地，所述无线通讯电路3包括rt9193-33pb电源芯片、stm32微处理器、lora无线通信电路，其lora无线通信电路采用lora2芯片模块。

stm32l1微处理器，控制rt9193-33pb这个电源芯片的工作状态（pa1高电平这个芯片输出3.3v电压供lora这个芯片使用，pa1这个引脚输出低电平这个芯片关闭，lora这个芯片不工作，不传输数据），stm32l1微处理器和lora采用spi的通信方式，把采集到的数据传送出去。

进一步地，所述水下低频通讯模块8为低频通讯模块，包括stm32单片机、音频功率放大器、低频编码芯片，并且stm32单片机的输出端接低频编码芯片的输入端、低频编码芯片的输出端与音频功率放大器的输入端相接。

进一步地，所述岸上低频通讯模块9包括低频解码芯片。

进一步的，所述雷达流速仪1采用直流非接触式雷达流速仪，适应复杂多变的环境，易于维护，操作简单。

进一步的，所述水面开关6采用电导式液位开关，安装在入水测量装置的顶部。

进一步的，所述水下低频通讯模块8采用聚乙烯材料制成的的有机塑料桶封装；所述有机塑料桶的端盖上设有空心螺栓，空心螺栓有密封圈槽和配套的密封螺母，所述电磁流速仪5、水面开关6、触底开关7的输出线穿过空心螺栓中心通孔，然后用防水胶灌封；所述有机塑料桶固定内装在入水测量装置的重心位置，内置电池。

一种天然河流表面流速及水下流速同步测量方法，所述方法的具体步骤如下：

step1：计算机10设定测量的位置，岸上电机按照计算机10的设定，一台电机控制三角滑轮14水平移动到达设定的水平位置，另一台电机控制入水测量装置垂直移动到水中；入水测量装置完全沉入水中之后，水面开关6闭合；当入水测量装置触底时，触底开关7闭合，入水测量装置停止向下移动；

step2：计算机10设置测流开始时间和结束时间，计算机10将低频信号发给电磁流速仪5，同时将电波信号发送给雷达流速仪1，雷达流速仪1与电磁流速仪5接收到计算机10设置的开始时间信号，开始工作；

step3：雷达流速仪1采集河流表面流速发送到数据存储器2，与此同时也能用电磁流速仪5、水面开关6、触底开关7分别采集水下流速数据、入水测量装置入水信号、入水测量装置触底信号，并将采集的数据发送给水下低频通讯模块8；

step4：数据存储器2存储时间值和对应时间的河流表面流速数据并将其封装为数据包传给无线通讯电路3，无线通讯电路3通过天线4将数据包发送给计算机10，与此同时，水下低频通讯模块8将接收到的信号转化为低频信号并放大后传给岸上低频通讯模块9，岸上低频通讯模块9接收低频信号并解析后发送到计算机10；

step5：计算机10接收到发送的数据后，通过计算分析（在高水条件，测得表面流速，根据表面流速和水下流速的关系计算出水下流速，同时通过雷达流速仪1、电磁流速仪5进行测量时，计算机则不用计算水下流速），再用于实时显示入水测量装置的入水信息、触底信息以及同一时间的河流表面流速和水下流速；

step6：测量结束；岸上电机根据计算机10的设定将入水测量装置归位。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。