CN101813508A - 浮子式斜管(井)水位观测平台 - Google Patents

Abstract

一种能够使浮子在斜置的管(井)通道内，在较小的斜度、在大水位变幅环境条件下稳定运行的浮子式斜管(井)水位观测平台，简称郑氏水位观测平台。它是在斜管(井)内的下方或底部布设一条刚性走轨，专供浮子带动连接在其下面的运动组件运行。这样，浮子本身不存在滚动或转动，其独立悬浮于水中。浮子下面的运动组件在刚性走轨上下运行的阻力恒定，不随浮子大小和形状的变化而发生改变，从而保证了水位感应的精确、稳定和可靠。其特征是：水位感应部件浮子在斜管(井)内运行所受的合阻力恒定，不受浮子的大小和形状的改变而发生改变，也不受水位的变化而发生改变。斜管(井)的结构分上层和下层，各为半圆或半椭圆，上层可装可卸。

Description

浮子式斜管(井)水位观测平台

所属技术领域

本发明涉及一种无源、斜置状态下水位观测平台水位传感新结构装置，叫浮子式斜管(井)水位观测平台，简称郑氏水位观测平台，突出特点是解决了在小斜度和大水位变幅情况下水位感应精度不高的问题。

背景技术

在技术应用领域，目前我国水位观测设备主要有水尺、浮子式水位计、压力传感器式水位计、气泡式水位计、超声波水位计、激光水位计等多种形式。其中，水尺是最古老的和最基本的水位测验器具，用作人工观测。但其不足之处也十分明显，如无法记录水位变化全过程，无法实现水位测验自动化，水位受外界影响大时易产生人为因素的误差，易损坏等。直立测井浮子式水位计是应用最多、结构较简单、最可靠、测验精度最高的水位测验设备，主要是以建造直立岛岸式测井水位台为前提才能安装和使用。这种水位台优点突出，但也有一定的缺点，如在水位变幅大的河道中，建造一级直立岛岸式测井，基础要求较高，投资大，有些地方建井困难或无法兴建；建成的水位测井独立于河中，引桥长，工作不方便，受外界影响大，对外界影响也大，起阻流作用等。其它形式的水位测验设施多属有源设备。由于需要电源供电，使用电子元器件，易老化，故障多，造价高，且都不是很完善，存在着许多不足，故应用领域窄，不易推广和普及。

目前，公知的无源斜管水位台是双斜管水位观测平台，它是最新定型的水位观测平台装置(中华人民共和国水利行业标准SL384-2007《水位观测平台技术标准》)。它是由双斜管、球型浮子及平衡锤、水位感应索、导向轮、水位计安装平台组成。其在一定的范围内有较好的应用前景，但存在一些不足。它的球型浮子是水位感应部件，同时又是运动部件，水位上涨使球型浮子产生浮力推动球型浮子沿着斜管底部向上滚动；水位下降使球型浮子减小浮力并在其重力作用下克服平衡锤拉力后推动球型浮子沿着斜管底部向下滚动。此时，对水位感应影响最大的主要是球型浮子与斜管底部的摩阻和水的附着力。摩阻的大小与球型浮子和斜管底部接触面积成正比；水的附着力的大小与球体和斜管底部接触面积、球体和水接触面积成正比。为使摩阻和水的附着力小，势必要求球型浮子直径尽可能小一些。但球型浮子小了，浮力必然就小，这样会限制其在大水位变幅下的应用。为解决此问题，又希望球型浮子直径尽可能大。然球型浮子直径大了以后摩阻增大，水体的附着力也不能忽略。要使球型浮子悬浮于斜管下壁的水中，摩阻和水的附着力问题就会变得很突出，使水位感应灵敏度降低，限制了其在小斜度条件下的应用。另一个问题是球型浮子的横向转动的不可预测性，会使摩阻不稳定，也即使水位感应灵敏度变得不稳定，影响了水位测验的精度。因此，双斜管水位观测平台使用范围是很有限的。本发明浮子式斜管(井)水位观测平台——郑氏水位观测平台克服了现有无源斜管(井)水位台应用范围较窄的问题，应用领域广阔。

本发明构思巧妙，结构独特、新颖；使自然浮力在技术领域应用发挥至极。其水位观测效果与直立岛岸式测井水位台基本一致，而且具有维护便捷，可修复的特点，这是直立岛岸式测井水位台不能比拟的。某些特定环境条件下，完全可以替代直立岛岸式测井水位台。

发明内容

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在斜管(井)内的下部或底部铺设一条刚性走轨，专供连接浮子下的运动组件运行。这样，浮子本身不存在滚动或转动，其独立悬浮于水中。浮子下的运动组件在刚性走轨上下运行的阻力恒定，不随浮子大小和形状的变化而发生改变，从而保证了水位感应的精确、稳定和可靠。

本发明的有益效果是，可以在很小的斜度和很大的水位变幅条件下，水位感应灵敏度基本稳定。从而使斜管(井)水位观测台不仅可以在宽浅、低斜度的河道、水库、湖泊的水位测验中应用，也可以在水位变幅巨大、斜度很大的窄深的大江、大河、水库、湖泊、地下或海洋等环境下的水位测验中应用。结构简单，实用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1、图5是本发明郑氏水位观测平台的构造原理图。

1斜管(井)：直径大的管(井)为斜管(井)，又叫水位测验管(井)。斜管(井)身分上下层结构，材料可以是钢筋混凝土构造，也可以用薄钢板预制，也可是二者的组合。下层为钢筋混凝土一体浇筑成型时，预埋螺栓，底部镶釉面砖或釉面瓦。用薄钢板制作时应使内壁尽可能光滑。上层为活动的预制件，钢筋混凝土结构或薄钢板制造均可。上下层之间用螺栓连接。上层预制件之间接口处有上下结合部，不留缝隙。

斜管(井)内空直径视浮子的需要而定(参考直立水位井规范)。

2刚性走轨：位于斜管(井)内部的下方或下壁，分两种型式。一种为工字型走轨，如图1所示，用不锈蚀材料制作，受一定力和温度变化时变形小，宜在大的水位变幅环境中应用；另一种是用不锈钢丝绳绷紧成为刚性走轨，如图5所示，水位变幅较小时应用方便。

3运动组件：两种结构形式，分别对应于两种走轨。

4浮子：不拘形式。

5水位传输绳：不锈钢丝索。

6导向轮：滚珠轴承结构。

7水位计：不拘型号。

8平衡锤运动管：可采用塑料管或无缝不锈钢管，直径在100～160mm之间选择较好，管间用配套直通连接。内壁要求光滑平整无坎卡，接口密封不入水，底部一端的管口堵死使整个管道无进水，防止淤泥堵塞管道。可根据需要用导向轮改变管道的位置和方向，使之达到最佳状态。如安装于主斜管(井)的上方，或一侧，或在斜管(井)上出口处附近垂直钻孔埋设等均可。管路要基本成一条直线。图1采用垂直钻孔埋设方式。

9平衡锤：用不锈钢圆柱体制成，为了使平衡锤与管壁的运动摩擦阻力较小且保持相对稳定，不锈钢圆柱体平衡锤上安装有滚珠轴承镶纤维板的滑轮组，并保证任何时候圆柱体平衡锤的柱面都与管道内壁隔离。

10水位计安装台：即安装水位计的固定台面。

11水位转换轮：结构与导向轮类似，水位变幅较小时可省略不用，直接接上水位计。

12水位传动带：不用水位转换轮时省略不用。

13滤网：作用是防止大的漂浮物进入斜管(井)内。

两图相比，图1中，多了如下部件：

14沉沙池：两种型式走轨均可根据实际情况决定是否需要兴建。

15清沙刮板：工字型走轨淤积的泥沙多，须考虑清沙问题。采用不锈钢板制作，刮板的配重(如不锈钢板多厚的选择等)根据实际情况选定，以使其能达到最佳清沙效果为目标。

16动滑轮：作用是缩短平衡锤升降行程，使运动管长度减少一半，减少工程投资。

图5中，多了如下部件：

14导轮：作用是保护钢丝绳。

15锚锭：绷紧钢丝绳用。

图2是图1中斜管(井)的A-A剖面图。

图3是本发明郑氏水位观测平台第一个实施例的走轨与运动部件纵面及清沙刮板构造图。

图3(A)中，1.斜度锁定孔，2.刚性走轨，3.滚轮固定板，4.轮轴，5.转筒滚轮，6.固定螺母，7.连接杆，8.连接螺栓

图3(B)是清沙刮板平面展开图，为达到较佳效果，要求安装好的刮板平面与水平面的夹角c＝45°～60°。

图4是图3(A)I-I剖面图。

图6是本发明郑氏水位观测平台第二个实施例的走轨与运动部件纵面构造图。

图中，1.斜度锁定孔，2.刚性走轨，3.运动组件，4.浮子，5.水位传输绳，6.浮子配重物，7.连接杆。

由于刚性走轨为钢丝绳，选用的钢丝绳直径一般较小，所以在其上面淤积的泥沙是很有限的，因此可以不设清沙器械。

图7是图6II--II剖面图。

具体实施方式

在图1、图5中，斜管(井)(1)在下半圆管(井)体的施工过程中，预置螺孔或预埋螺栓，同时安装刚性走轨(2)，并使其保持顺直，平行于斜管(井)身。

在图1所示实施例中，根据斜管(井)的斜度确定图3(A)斜度锁定孔(1)的位置，并配合适螺栓。图4中刚性走轨(2)与转筒滚轮(5)间有不大于2mm的间隙。运动组件安装完毕后，不接连接杆、清沙刮板和浮子，组件应能在自身重力作用下在全程水位变幅范围内从上而下平稳运行。

清沙刮板安装在运动组件上能灵活活动，依靠自身重量与刚性走轨上平面接触自动清沙。

在图5、图6所示实施例中，刚性走轨采用不锈钢丝绳绷紧而成，故要在斜管(井)底下方浇注混凝土锚锭。锚锭的重量与所选不锈钢丝绳的破断拉力等值。斜管(井)上方出口也浇注相同的锚锭。对不锈钢丝绳施加的拉力按下式计算：

KH≤T_j

式中，H——不锈钢丝绳设计拉力，单位kg；

      T_j——不锈钢丝绳的破断拉力，单位kg；

      K——安全系数，这里取K＝1.6。

图7中，两转筒滚轮(5)之间间隙在1.0mm左右，转筒滚轮(5)与圆形走轨(2)(不锈钢丝绳)之间间隙在1.0～1.5mm之间。

两实施例，运动组件全部用不锈蚀材料制作，所有螺栓头均设有孔，当固定螺母上到位后，都用不锈钢开口销锁定。

斜管(井)(1)上半圆部份最后安装，上下层间接口要求密闭。

水位传输绳的一端头视情况接于浮子与运动组件的连接杆上，或接于浮子上均可，视具体情况定，遵循的原则是安装好的水位传输绳在刚性走轨的上方并要求两者保持平行。

其它：工作过程

在图1中，当河流水位上升时，斜管(井)内的水位也上升，浮子浮力增加，推动浮子向上运动带动运动组件运行。又由于斜置的刚性走轨的定向作用，限定运动组件沿斜坡向上运行，形成浮子只能沿斜管(井)向上运行，此时水位传输绳松弛，但在平衡锤重力作用下水位传输绳又收紧了，从而带动水位计工作。

当河流水位下降时，斜管(井)内的水位也将下降，浮子失去部分浮力(浮力减少)，浮子在重力的作用下克服平衡锤拉力后向下运动，又由于斜置的刚性形走轨的定向作用，限定运动组件沿斜坡向下运行，迫使浮子只能沿斜管(井)向下运行，从而牵动水位传输绳带动水位计工作。

图1：实施例一 1、斜管(井) 2、刚性走轨 3、运动组件 4、浮子 5、水位传输绳 6、导向轮 7、水位计 8、平衡锤运动管 9、平衡锤 10、水位计安装台 11、水位转换轮 12、水位传动带 13、滤网 14、沉沙池 15、清沙刮板 16、动滑轮

图2：斜管(井)横截面结构A-A剖面 1、斜管(井)下半圆 2、刚性走轨 3、紧固螺栓 4、斜管(井)上半圆 5、水位传输绳

图3：实施例一运动组件、清沙刮板结构图 1、斜度锁定孔 2、刚性走轨 3、滚轮固定板 4、轮轴 5、转筒滚轮 6、固定螺母 7、连接杆 8、连接螺栓 9、清沙刮板 a、走轨倾斜角 b、刮板半角 c、刮板与水平面夹角

图4：图3I-I剖面 1、斜管(井)下壁 2、刚性走轨 3、滚轮固定板 4、轮轴 5、转筒滚轮 6、固定螺母 7、开口销

图5：实施例二1、斜管(井) 2、刚性走轨 3、运动组件 4、浮子 5、水位传输绳 6、导向轮 7、水位计 8、平衡锤运动管 9、平衡锤 10、水位计安装台 11、水位转换轮 12、水位传动带 13、滤网 14、导轮 15、锚锭

图6：实施例二运动组件 1、斜度锁定孔 2、刚性走轨 3、运动组件 4、浮子 5、水位传输绳 6、浮子配重物 7、连接杆

图7：图6II-II剖面 1、斜管(井)下半圆 2、刚性走轨 3、滚轮固定板 4、轮轴 5、滚轮 6、固定螺母 7、开口销。

Claims (5)

1.一种浮子式斜管(井)水位观测平台，简称郑氏水位观测平台：在斜管(井)内的下方或底部布设一条刚性走轨，专供浮子带动连接在其下面的运动组件运行。刚性走轨与运动组件匹配好；运动组件与浮子之间连接成一体，结合稳固，其上连接的水位感应绳也牢固。其特征是：刚性走轨与运动组件不拘形式，它们紧密配合，之间的作用力小而且稳定性好，相对运动有很好的方向性，运动组件与浮子之间连接成一体后在水中，这种方向性与水势的变化具有很好的一致性。

2.根据权利要求1所述的郑氏水位观测平台，其特征是：斜管(井){水位测验管(井)}为上下层结构，上层和下层各为半圆、半椭圆，上层可装可卸。

3.根据权利要求1所述的郑氏水位观测平台，其特征是：水位传感机构的运行可不依赖斜管(井){水位测验管(井)}本身，自成体系。

4.根据权利要求1所述的郑氏水位观测平台，其特征是：以垂直钻孔方式布置的平衡锤运动管设计。

5.根据权利要求1所述的郑氏水位观测平台，其特征是：以浮子浮力变化为动力，在刚性走轨上实现的水下自动清沙结构装置。

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