CN102620795A

CN102620795A - 一种水位与水流速一体化测量装置

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Publication number: CN102620795A
Application number: CN2012100633541A
Authority: CN
Inventors: 吕迎春; 王丽; 张建国; 陶伟强
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: CN102620795B

Abstract

一种水位与水流速一体化测量装置，属于自动检测技术领域，其特征在于具有同时测量河道水位和水流速的双重功能，测量装置由配重块1、流速传感器2、称重传感器3、钢丝绳4、滑轮5、称重电缆6、测量电缆7、电缆8、防水分线盒9、电机10、减速机11、钢丝绳滚筒12、编码传感器13、水位智能表14、流速智能表15、称重智能表16、水位显示屏17、流速显示屏18、重量显示屏19组成。优点是定地点、定时间、定高度、在线不间断测量河道水位和水流速，适用于水利和水文等领域。

Description

一种水位与水流速一体化测量装置

技术领域

本发明一种水位与水流速一体化测量装置，属于自动检测技术领域，它是一种同时具有测量水位和水流速双重功能的自动化测量装置，主要应用在水利和水文等领域。

背景技术

在水利和水文等技术领域，对大江和河流的水位和水流量测量是必需的，尤其是汛期间，精确检测上游各支流的来水量，预报洪峰到来的时间、最高水位以及最大流量，对下游防洪有着指导性的意义，而水流量的计算需要水位、水流速、河床横截面图以及流量曲线等基本参数，所以水位和水流速的精确测量就显得非常重要。

汛期在能够通航的大江大河中，测量水位和水流速，通常是配水文测量船定点定时到河道中心处人工测量；不通航的上游分支河段，由于这些河段洪水湍急，水下滚石和漂浮物众多，人工徒步到河道中心测量显然是不可能的，最常见的测量手段是在河道的两岸架设一条钢缆，测量人员乘坐吊篮移动到河道中心位置，用水文测量尺和便携式流速仪测量水位和水流速，根据河床横截面图及流量曲线计算出水流量上报上级部门。防洪形势越严峻，要求上报数据的频率越高，在此期间水利和水文工作人员劳动强度非常大，要求风雨无阻，及时上报。

测量水位方法很多，常见的有超声波、雷达、压差、压力以及浮子等形式，但是这些形式的传感器因受到通航和漂浮物的影响，不可能安装到河道中间，水文和水利领域最常用的测量方法是水文测量尺，安装在河道的两侧边缘，水文测量尺是靠人工到现场来观察水位，不属于自动化仪表。测量水流速常见的是超声多普勒流速传感器和旋浆式流速传感器，但是采用旋桨式流速传感器也需由人到测量点手持旋桨式流速仪测量或固定安装在河道侧壁上，并且超声多普勒流速传感器也不能安装到通航的河道中间。

检索到类似本发明的专利：淤沙宽河道流量测量装置，申请号/专利号200920313547.1

专利200920313547.1采用的水位传感器和流速传感器存在的主要缺点是：受客观条件影响较大，如超声波传感器受水体波动和风速的影响，所以不适宜在大风大雨大浪的环境中工作，特别是山洪暴发期间的上游河道；浮子水位计需要专门的测井设备，也不适宜在上述恶劣环境中工作。

综合所述：在水利和水文领域，目前的状况是对河道水位、水流速和水流量的测量，基本上还停留人工测量间段，不仅工作人员劳动强度大，而且测量的时间间隔也大，已经不能适应防洪对水文预报的要求。随着国民经济的进一步提升，对防洪和水文预报的精确度要求越来越高，促使水利和水文测量技术，必须沿着在线不间断测量及上报自动化方向发展。

发明内容

本发明是一种水位与水流速一体化测量装置，其目的在于针对上述现有技术中存在的一些问题，从而公开一种同时具有测量水位和水流速双重功能的一体化测量装置的技术方案，该装置适用于水利和水文等技术领域。

本发明是一种水位与水流速一体化测量装置，其特征在于是一种用于测量河道水位和水流速的一体化测量装置，整套装置由牵引系统（见附图1）、控制系统和测量系统三部分组成（见附图2），其中牵引系统由钢丝绳4、滑轮5、电机10、减速机11以及钢丝绳滚筒12组成，其电机10正反转经减速机11、钢丝绳滚筒12和钢丝绳4、滑轮5牵引探头上下移动，其中探头由配重块1和流速传感器2组成；控制系统由称重传感器3和称重智能表16组成，其所述称重传感器3用来测量探头的重量，称重智能表16用来设定探头重量的下限值、上限值、上上限值以及控制电机10的正反转，其中重量显示屏19是称重智能表16本身带有的显示单元，用来显示探头的重量，称重智能表16选用通用型带有下下限、下限、上限、上上限控制功能的称重智能表；测量系统由配重块1、流速传感器2、流速智能表15、编码传感器13和水位智能表14组成；流速传感器2选用旋浆式流速传感器，流速智能表15选用带有脉冲输入信号的通用型智能表，流速显示屏18是流速智能表15本身带有的显示单元，用来显示当前水流速；其所述水位智能表14选用带有输入脉冲信号的通用型智能表，水位显示屏17是水位智能表14本身带有的显示单元，用来显示当前水位；编码传感器13选用旋转编码器，编码传感器13安装在钢丝绳滚筒12的轴端随钢丝绳滚筒12一起旋转，钢丝绳滚筒12转动一圈，编码传感器13也旋转一圈，同时发出几百个甚至几千个数字脉冲，送至水位智能表14进行运算和显示；水位智能表14和流速智能表15选用带有USB通信接口的通用型智能表，方便与上位计算机20通信。

上述一种水位与水流速一体化测量装置，其特征在于为了防止探头受水流的冲击左右摆动，探头的牵引形式采用双回钢丝绳牵引系统。

上述一种水位与水流速一体化测量装置，其特征在于所述探头随时跟踪水位的变化，流速传感器2始终处于水位的上部，距水面的高度是定值。

本发明一种水位与水流速一体化测量装置的优点在于：本发明新型测量装置属于在线不间断一体化测量装置。可以满足水文测量定地点、定时间、定高度的要求，这样的测量数据具有可比性。其测量方法属于在线不间断测量方法，是一种水位与水流速一体化测量装置，适应于通航及不通航河道。

附图说明

图1 测量装置安装示意图

1. 配重块 2.流速传感器 3.称重传感器 4.钢丝绳 5.滑轮 6.称重电缆

7.测量电缆 8.电缆 9.防水分线盒 10.电机 11.减速机 12.钢丝绳滚筒

13.编码传感器

图2 测量装置功能及控制图

14. 水位智能表 15.流速智能表 16.称重智能表 17.水位显示屏 18.流速显示屏19.重量显示屏 20.上位计算机

301手动按钮 302.称重智能表下限继电器触点 303.称重智能表上限继电器触点

304.称重智能表上上限继电器触点。

具体实施方案

实施方式1 ：

本发明是一种水位与水流速一体化测量装置：整套装置由牵引系统（见附图1）、控制系统和测量系统三部分组成（见附图2），其中牵引系统由钢丝绳4、滑轮5、电机10、减速机11以及钢丝绳滚筒12组成，其所述电机10正反转经减速机11、钢丝绳滚筒12和钢丝绳4、滑轮5牵引探头上下移动，其中探头由配重块1和流速传感器2组成。控制系统由称重传感器3和称重智能表16组成，其所述称重传感器3用来测量探头的重量，称重智能表16用来设定探头重量的下限值、上限值、上上限值以及控制电机10的正反转，其中重量显示屏19是称重智能表16本身带有的显示单元，用来显示探头的重量，称重智能表16选用通用型带有下下限、下限、上限、上上限控制功能的称重智能表，下限继电器触点302是称重智能表16本身带有的下限继电器触点，上限继电器触点303是称重智能表16本身带有的上限继电器触点，上上限继电器触点304是称重智能表16本身带有的上上限继电器触点， 301是称重智能表16本身带有的按钮，用于手动控制牵引探头上升或下降（见附图2）。测量系统由配重块1、流速传感器2、流速智能表15、编码传感器13和水位智能表14组成，流速传感器2选用旋浆式流速传感器，型号为LS-12，旋桨式流速传感器是利用水流速度与旋桨转速在一定范围内成正比的规律，将水流速度转换成相应频率的脉冲信号的一种流速传感器，流速智能表15选用带有脉冲输入信号的通用型智能表，流速显示屏18是流速智能表15本身带有的显示单元，用来显示当前水流速。其所述水位智能表14选用带有输入脉冲信号的通用型智能表，水位显示屏17是水位智能表14本身带有的显示单元，用来显示当前水位。编码传感器13选用旋转编码器，编码传感器13安装在钢丝绳滚筒12的轴端随钢丝绳滚筒12一起旋转，钢丝绳滚筒12转动一圈，编码传感器13也旋转一圈，同时发出几百个甚至几千个数字脉冲，送至水位智能表14进行运算和显示。根据公式F=H/W计算脉冲当量，式中F脉冲当量、H是探头上升或下降的距离、W是探头上升或下降距离为H时编码传感器13所产生脉冲的个数，将脉冲当量F存入水位智能表14，作为计算水位的依据。水位智能表14和流速智能表15选用带有USB通信接口的通用型智能表，方便与上位计算机20通信。其所述流速传感器2的电源和信号经测量电缆7、防水分线盒9、电缆8与流速智能表15连通，测量电缆7选用螺旋伸缩型屏蔽控制电缆，其外形像弹簧，可以自由伸缩，具有高弹性、高耐磨、高抗撕裂强度。称重传感器3的电源和信号经称重电缆6、防水分线盒9、电缆8与称重智能表16连通。

本发明的水位与水流速一体化测量装置在不通航河道上的应用：

1.上述测量装置的安装

整套测量装置安装在跨河道的钢缆上（见附图1），安装完成后，接通电源。

2.测量装置的校验

⑴ 计算脉冲当量

取钢丝绳滚筒12的直径为318.5mm, 那么钢丝绳滚筒12旋转两圈, 钢丝绳4放松或收回2m的长度；由于探头牵引钢丝绳4是双回牵引，所以探头向下或向上移动的距离是1m 。选编码传感器13为PKT-100系列，分辨率为200脉冲/转，当探头向下或向上移动1m时，可计算脉冲当量F=H/W=1000mm/400=2.5mm/脉冲；将此脉冲当量存入水位智能表14中，作为计算水位的依据。

⑵ 整定称重智能表16的上、下限

取探头的重量为360kg，^，探头的实际体积为0.045M³，则探头的最大排水量为0.045M³；若1M³水的重量按1000kg计算,那么水对探头的最大浮力是45 kg。当探头处于最大浮力时，称重智能表16的重量显示屏19的显示值为315kg。将称重智能表16下限整定值设定为315kg，将上限整定值设定为320kg，上上限整定值设定为325kg。

⑶ 确定水位的初始值

把测量装置安装时的河道水位值设置在水位智能表14内，作为水位测量的初始值。安装校验完毕后，测量装置即可投入运用，如果运行过程中发现有测量误差，只需重新校验脉冲当量F即可。

3.下面结合附图1和附图2，进一步说明本发明的水位与水流速一体化测量装置的工作原理：

⑴ 测量水位的原理

根据阿基米德浮力定律：浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力，因此测量装置的称重智能表16测到的探头重量与探头淹没的程度有关。开始测量水位时，首先调整探头浸入水后的重量为称重智能表16的上限值320 kg，开始测量后，若探头的重量保持为320kg，说明被测河流的水位没有变化；这时，称重智能表16没有信号输出，继电器触点302、303、304不动作，电机10不转动，水位显示屏17的值不发生改变。

当被测水位上升时，探头被淹没的部分增加，这时称重传感器3的输出值减小，当减小到称重智能表16的下限值315 kg时，称重智能表16的继电器302常开触点闭合，电机10正转，带动钢丝绳滚筒12和编码传感器13正转，牵引钢丝绳4和探头上升，编码传感器13发出脉冲信号，水位智能表14的水位显示屏17的显示值在增加；随着探头上升，其重量在不断增加，当称重传感器3的输出值达到称重智能表16的上限值时，称重智能表16的继电器303常闭触点打开，电机10停转，探头停止上升，水位智能表14的水位显示屏17显示当前水位值。

当水位下降时，探头被淹没的部分减小，称重传感器3的输出值增加，当增加到称重智能表16的上上限值时，称重智能表16的304常开触点闭合，电机10反转，带动钢丝绳滚筒12和编码传感器13反转，探头下降，水位智能表14的水位显示屏17的显示值在减小，当称重传感器3的输出值减小到称重智能表16的上限值时，称重智能表16的继电器303常闭触点打开，电机10停转，探头停止下降，水位智能表14的水位显示屏17显示当前水位值。

缩小下限与上上限整定值的范围，可以进一步提高水位测量精度。

⑵ 测量水流速的原理：

在测量过程中，流速传感器2始终处在水面下某一深度，水流推动传感器的旋桨转动，由于水流速度与旋桨（叶轮）转速成正比关系，所以可根据传感器旋桨的转速来推知水的流速；传感器将旋桨的转速转换成相应频率的脉冲信号，水流速越大脉冲频率越高，根据输出的相应频率的脉冲信号来计算出水的流速。

将相应频率的脉冲信号经测量电缆7、电缆8及防水分线盒9送至流速智能表15，流速智能表15的流速显示屏18显示当前的水流速。

实施方式2：

本发明的水位与水流速一体化测量装置在通航河道上的应用：

安装形式如附图1，当上游或下游来船时，按动按钮301启动电机10，电机10正转将探头提升到钢缆的最高处，以利于通航。

测量装置的安装及校验同实施方式1。

Claims

1.一种水位与水流速一体化测量装置，其特征在于是一种用于测量河道水位和水流速的一体化测量装置，整套装置由牵引系统、控制系统和测量系统三部分组成，其中牵引系统由钢丝绳（4）、滑轮（5）、电机（10）、减速机（11）以及钢丝绳滚筒（12）组成，其电机(10)正反转经减速机(11)、钢丝绳滚筒(12)和钢丝绳(4)、滑轮(5)牵引探头上下移动，其中探头由配重块(1)和流速传感器(2)组成；控制系统由称重传感器(3)和称重智能表(16)组成，其所述称重传感器(3)用来测量探头的重量，称重智能表(16)用来设定探头重量的下限值、上限值、上上限值以及控制电机(10)的正反转，其中重量显示屏(19)是称重智能表(16)本身带有的显示单元，用来显示探头的重量，称重智能表(16)选用通用型带有下下限、下限、上限、上上限控制功能的称重智能表；测量系统由配重块（1）、流速传感器（2）、流速智能表（15）、编码传感器（13）和水位智能表（14）组成；流速传感器（2）选用旋浆式流速传感器，流速智能表（15）选用带有脉冲输入信号的通用型智能表，流速显示屏（18）是流速智能表(15)本身带有的显示单元，用来显示当前水流速；其所述水位智能表（14）选用带有输入脉冲信号的通用型智能表，水位显示屏（17）是水位智能表(14)本身带有的显示单元，用来显示当前水位；编码传感器（13）选用旋转编码器，编码传感器（13）安装在钢丝绳滚筒（12）的轴端随钢丝绳滚筒（12）一起旋转，钢丝绳滚筒（12）转动一圈，编码传感器（13）也旋转一圈，同时发出几百个甚至几千个数字脉冲，送至水位智能表（14）进行运算和显示；水位智能表（14）和流速智能表（15）选用带有USB通信接口的通用型智能表，方便与上位计算机（20）通信。

2.按照权利要求1所述的一种水位与水流速一体化测量装置，其特征在于为了防止探头受水流的冲击左右摆动，探头的牵引形式采用双回钢丝绳牵引系统。