一种河道过流面积检测装置及检测方法与流程

1.本发明涉及水文检测领域，特别涉及到一种河道过流面积检测装置及检测方法。


背景技术：

2.在河道的水文测量中，过流面积是十分重要的测量参数，常作为研究河道变化，河流流量等的基础参数。当今测量河道过流面积的方法是通过测量过流截面上不同位置的水深，形成若干水平方向岸边距离与竖直方向水深的二维坐标数据，从而测得过流截面的面积，但在实际测量中，对于水深和岸边距离的测量精度均无法保障。
3.岸边距的检测方式为，在岸边设置一通讯装置，在水深检测装置上对应设置另一通讯装置，二者之间的距离即为岸边距离。这样的检测方法存在如下问题：由于水深检测装置的行走方式为在两岸之间架设缆线行走，缆线在承重时不可避免的会发生形变，导致检测装置的高度发生变化，使得两通讯装置的相对高度随水深检测装置的位置不断发生变化，检测结果远大于实际的岸边距离。
4.水深检测的方式包括：1、提前记录河道截面各个点位的海拔高度，检测时，直接检测河面的海拔高度，二者之差即为水深；2、采用雷达探测河面、河底之间的距离，该距离即为水深；3、采用带有刻度的检测尺或端部固定有重物的检测绳直接测量，将端部置于河底后，通过观察河面的刻度，判断水深。标记海拔高度的方法，由于海拔高度动辄千米的测量范围对于大部分深度仅为几米至十几米的河流来说远远不满足高精度测量要求，河道面的记录点位在河流的常年流动中或被冲刷，或沉积导致河床高度变化，进一步降低检测精度。雷达检测方式为接触式测量，对于测量设备的精度、稳定性、耐久度要求高，导致设备采购成本、维护成本极高，同时，雷达检测易受到河流内杂质、浑浊度等影响，数据采集成功率较低，同样影响检测效率。直接测量法面临的最大问题在于水流，无论何种测量工具，进入河流后不可避免地受到水流影响发生歪斜，从而极大地影响测量精度。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种河道过流面积检测装置及检测方法，投入成本低，易操作。
6.本发明所采取的技术方案是：一种河道过流面积检测装置，包括设置于河道两侧的塔架、行走于塔架之间的吊箱、吊箱内设有检测装置，检测装置包括水深检测装置和离岸距离检测装置，离岸距离检测装置包括第一通讯器、第二通讯器、第三通讯器，其中，第一通讯器设置于吊箱，第二通讯器、第三通讯器设置于塔架，第二通讯器、第三通讯器设置于不同高度。
7.进一步地，水深检测装置包括检测齿条、电机，检测齿条安装于纵向设置的滑动板上，电机驱动齿轮带动检测齿条升降；检测齿条设置有贯穿的圆形通孔，圆形通孔顶端设置有用于旋拧压力传感器的螺纹孔。
8.进一步地，水深检测装置还包括滑动板安装板，滑动板安装板包括纵向设置的基
板和翼板，翼板固定安装于基板上并且折弯，折弯部分与基板平行，滑动板安装板在水平方向分为安装侧和插装侧，其中，翼板折弯一侧为插装侧、插装侧另一侧为安装侧，安装侧固定安装于吊箱的方钢架体上，翼板折弯部分与基板之间形成第一限位滑槽，滑动板插装于第一限位滑槽。
9.进一步地，基板位于插装侧部分设置有纵向的第二限位滑槽，滑动板为t形结构，其t形结构包括凸台部分和两翼部分，凸台部分与第二限位滑槽匹配，两翼部分中，一侧翼插装于第一限位滑槽中。
10.进一步地，水深检测装置还包括距离感应器，检测齿条侧壁设置有等距间隔的检测标记，距离感应器朝向检测齿条侧壁，通过感应检测标记检测齿条的位移。
11.进一步地，河道两侧的塔架之间设置有导向钢索和行车架牵引钢索，吊箱吊装于行车架下方，行车架顶部设置有匹配导向钢索的行车架导向轮，行车架两侧各设置有一组用于固定连接行车架牵引钢索的牵引连接件。
12.一种应用河道过流面积检测装置的河道过流面积检测方法，包括如下步骤：步骤1：水深检测装置以垂直于河流流向方向运行至河道上方检测位置；步骤2：测量水深检测装置所在检测位置的水深；步骤3：测量水深检测装置与岸边的水平距离：水深检测装置匹配设置第一通讯器，岸边设置第二通讯器、第三通讯器，第二通讯器、第三通讯器在竖直方向排列设置，第一通讯器与第二通讯器、第三通讯器的连线与河道水流方向垂直，通过第一通讯器、第二通讯器、第三通讯器测得第一通讯器与第二通讯器之间距离b，第一通讯器与第三通讯器之间距离c，通过直接测量手段测得第二通讯器与第三通讯器之间距离a，通过三角形性质，求得第一通讯器与第二通讯器、第三通讯器的水平距离y，通过直接测量手段测得第二通讯器、第三通讯器与岸边的距离z，从而得出第一通讯器与岸边的水平距离，即水深检测装置距离岸边的水平距离x；步骤4：将水深检测装置以垂直于河流流向方向运行至下一检测位置，并重复步骤2、步骤3；步骤5：根据实际测量需要，不断重复步骤4，得出若干水深、与岸边的水平距离数据；步骤6：根据步骤5所得出的数据建立河道过流截面模型，得出河道过流面积。
13.进一步地，测量水深检测装置包括一个底部开孔的腔体以及检测该腔体气压的压力检测装置；步骤2具体为：将测量水深检测装置底部开孔的腔体降至河道底部并测得腔体内气压，减去水面气压得到气压差，通过液体压强原理计算出水深。
14.本发明的有益效果：本发明针对河道过流面积检测中，离岸距离检测不准的问题，采用三台通讯器相互测距，形成已知三边长的三角形，并通过解三角形的方法，准确计算出岸边距。在水深检测中，创新性的采用腔体压强差的方式实时判断水深，避免了由于河道内复杂水流环境造成的检测设备倾斜、信号遮挡、河床变化导致的检测偏差。
附图说明
15.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
16.图1为本发明的整体结构图；图2为本发明行车架结构示意图；图3为本发明吊箱结构示意图；图4为本滑动板安装板结构示意图；图5为本发明水深检测装置整体结构示意图；图6为本发明电机的驱动连接结构、安装位置与距离感应器安装位置示意图；图7为本发明滑动板安装板、滑动板、检测齿条的安装结构示意图；图8为本发明齿条结构示意图；图9为本发明检测方法中各测量数据标注示意图。
17.图中：1-塔架；2-行车架，201-行车架导向轮，202-第一滑轮，203-牵引连接件，3-吊箱，301-吊装连接件，302-第二滑轮；4-导向钢索；5-水深检测装置，501-滑动板安装板，5011-第一限位滑槽，5012-第二限位滑槽，5013-基板，5014-翼板，502-滑动板，503-检测齿条，5031-圆形通孔，5032-螺纹孔，5033-检测标记，504-压力传感器，505-电机，506-齿轮，507-距离感应器；6-第一卷扬机，7-行车架牵引钢索，8-第二卷扬机，9-吊箱牵引钢索，10-第一通讯器，11-第二通讯器，12-第三通讯器，13-电源，14-控制器。
具体实施方式
18.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
19.需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
20.如图1所示，一种河道过流面积检测装置，包括：塔架1、行车架2、吊箱3、导向钢索4、水深检测装置5、行车架牵引钢索7。塔架1数量为两组，分别设置于河道两岸，两岸的塔架之间设置有导向钢索4和行车架牵引钢索7，导向钢索4和行车架牵引钢索7延伸方向垂直于河流流向，保证测量的精度。导向钢索4数量为三条，固定安装于塔架1顶部，河道两侧的塔架1分别安装有第一卷扬机6，第一卷扬机6与行车架2之间以行车架牵引钢索7连接。吊箱3吊装于行车架2下方。
21.如图2所示，行车架2为方钢焊接的长方体架体，行车架2顶部两端设置有行车架导向轮201，行车架导向轮201共六组，其中，3组设置于行走方向一侧，三组设置于另一侧，分
别对应三条导向钢索4。行车架2两侧各设置有一组牵引连接件203，用于固定连接行车架牵引钢索7。行车架2的底部中线位置均布设置有三组第一滑轮202。
22.如图3所示，吊箱3为方钢焊接的长方体架体，内部安装有水深检测装置5、第二卷扬机8、吊箱牵引钢索9、电源13、控制器14。水深检测装置5纵向安装在吊箱3的左侧，用于检测液位数据。吊箱3的右侧分隔为上下两层，上层区域安装第二卷扬机8，下层区域分别安装电源13、控制器14。电源13为吊箱3中的机械设备、电子设备供电，控制器14收集吊箱3中的机械设备、电子设备的检测、运行数据，处理数据，并发送控制指令。吊箱3顶部安装有吊装连接件301和第二滑轮302，第二滑轮302为两组，与三组第一滑轮202形成w形排布，吊箱牵引钢索9设置于第二卷扬机8与吊装连接件301之间，并且依次穿过各个第一滑轮202、第二滑轮302，在各滑轮之间缠绕形成w形。
23.如图1、3所示，吊箱3上一侧设置有第一通讯器10，与之相对的塔架1的设置有第二通讯器11、第三通讯器12，第二通讯器11、第三通讯器12在竖直方向排列设置，并处于不同高度，吊箱3发生位移时，第一通讯器10与第二通讯器11、第三通讯器12的相对位置发生变化。
24.如图5至图7所示，水深检测装置5包括：滑动板安装板501、滑动板502、检测齿条503、压力传感器504、电机505、齿轮506、距离感应器507。滑动板安装板501包括纵向设置的基板5013和翼板5014，翼板5014固定安装于基板5013上并且折弯，折弯部分与基板5013平行。滑动板安装板501在水平方向分为安装侧和插装侧，其中，翼板5014折弯一侧为插装侧、插装侧另一侧为安装侧，安装侧设置有安装孔，滑动板安装板501通过安装孔固定安装于吊箱3的方钢架体上。如图3所示，第一通讯器10与滑动板安装板501固定安装于吊箱3的同一处方钢架体上，以保证位置检测的精度。插装侧翼板5014折弯部分与基板5013之间形成第一限位滑槽5011，基板5013位于插装侧部分设置有纵向的第二限位滑槽5012。滑动板502为t形结构，其t形结构包括凸台部分和两翼部分，凸台部分与第二限位滑槽5012匹配，两翼部分中，一侧翼插装于第一限位滑槽5011中，凸台部分与插装在限位滑槽5011的侧翼共同限位下，使滑动板502能够稳定的纵向滑动。滑动板502上固定安装有检测齿条503，与检测齿条503相啮合的齿轮506由电机505驱动，电机505设置在吊箱3的底部的支撑平台上。
25.如图6-8所示，检测齿条503内部设置有贯穿的圆形通孔5031，圆形通孔5031顶端设置有螺纹孔5032，螺纹孔5032用于旋拧压力传感器504，旋拧压力传感器504后，螺纹孔5032密封，使圆形通孔5031成为一个仅底部开孔的腔体，检测齿条503的侧壁还设置有等距间隔的检测标记5033，检测标记5033可以为缝隙或凸起。本实施例中，检测齿条503数量为两个，平行并排安装，齿轮506可同步驱动两并排安装的监测齿条。
26.滑动板安装板501安装侧还固定安装有距离感应器507，距离感应器507朝向检测齿条503侧壁，通过感应检测标记5033检测齿条503的位移，本实施例中，距离感应器507数量为一个，为保证检测数据的准确性，可在检测齿条两侧各设置一个距离感应器507。
27.当处于非作业阶段时，吊箱3处于一侧塔架旁，进行河道过流面积检测时，首先对各个机械设备，检测设备及其他电子设备进行检查，确认设备运行良好后，启动一侧塔架1中的第一卷扬机6，通过行车架2带动吊箱3移动一段距离后停止，停止后开始检测作业。检测作业时，第二卷扬机8放出吊箱牵引钢索9，吊箱3缓慢下降至预定高度后停止，而后，启动电机505，驱动检测齿条503下降进入水面，检测齿条503进入水面后，由于水压作用，圆形通
孔5031内腔体压强逐渐增大，直至检测齿条503探至河底，电机505输出扭矩超过设定值后自动停机，压力传感器504记录此时的压强，本实施例中，检测齿条503为两个，如两个齿条上的传感器504测得的压强在误差范围内，控制器14取两个压强的中间值p。河面的大气压强p0，由于河面的大气压强p0、河水密度ρ和重力加速度g均可精确测量，首先计算出压力差δp=p-p0，然后根据液体压强计算公式，通过计算得出此处水深h=δp/ρg。在检测齿条503下降过程中，当压力传感器504感应到圆形通孔5031内压强上升，距离感应器507开始感应检测标记5033，直至电机505自动停机时结束感应，通过感应次数得出粗略的水深数据，与控制器14通过压强所计算出的水深相比较，如在预设范围内，则进一步证明控制器14所计算出的水深数据的准确性，进一步保证数据获取的规范性。
28.如图9所示，进行水深检测同时，第一通讯器10向第二通讯器11、第三通讯器12发送信号，使第二通讯器11、第三通讯器12获取自身与第一通讯器10的直线距离b、c，第二通讯器11、第三通讯器12之间距离已知为a，由此得到以第一通讯器10、第二通讯器11、第三通讯器12形成的三角形的三边长度，由于第二通讯器11、第三通讯器12为竖直方向排列设置，通过计算得出第一通讯器10与第二通讯器11、第三通讯器12的水平距离，由于第二通讯器11、第三通讯器12与岸边的水平距离z可通过测量得到，因此，可得出此时第一通讯器10与岸边的水平距离，即水深检测装置5距离岸边的水平距离x=y-z。通过上述测量，得到了水深及水深检测位置的精确数值。
29.前一位置检测结束后，启动电机505反转使检测齿条503缩回，然后启动第一卷扬机6，继续将吊箱3移动至下一测试位置，以上述方式进行水深及水深检测位置的测量，在若干位置检测后，得到若干组数据（h1，x1）、（h2，x2）、（h3，x3）
……
，通过该数据能够精确建立河道过流截面的模型，最终计算求得精确的过流面积数据。
30.本实施例中，省略了与发明要点关联性不大的内容，如电源13、控制器14与各个设备之间的具体电连接方式，检测齿条503极限位置的限位机制，相关机械、电子设备的防水结构，吊箱3的外包裹结构等，上述结构均为常规技术手段，其省略不影响本发明技术内容的完整性。