CN102679861A - 一种双系统冰层厚度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种双系统冰层厚度测量装置，属于自动检测技术领域，该测量装置精度高，经久耐用，主要适用于水利和水文等技术领域，用来对河冰、湖冰和海冰结冰的冰层厚度进行自动化检测。其特征在于是一种对水利和水文冰情高精确度预报的双系统冰层厚度测量装置，整套测量装置由传动系统和测量系统两部分组成。双系统是指其传动系统由两套完全相同的丝杆传动系统组成，分别为前传动系统和后传动系统，该测量装置测量精度较高，能达到±2mm，且为自动化监测装置；该发明测量装置的测量方法直观，类似于机械行业最常用的夹紧测量法（如卡尺和千分尺），实现了冰层厚度的高精度测量。适用于对近岸海冰或水文站周边河道的河冰或湖冰，进行冰层厚度的自动化测量。

Description

一种双系统冰层厚度测量装置

技术领域

本发明一种双系统冰层厚度测量装置，属于自动检测技术领域，该测量装置精度高，经久耐用，主要适用于水利和水文等技术领域，用来对河冰、湖冰和海冰结冰的冰层厚度进行自动化检测。

背景技术

目前，我国在解决北方黄河凌汛、南水北调工程中冬季冰下输水安全、极地海冰的生消变化等方面的问题中，冰层厚度的连续自动化检测缺乏先进的技术手段。目前采用的方法归纳起来有以下几类：一类是直接测量法，它依靠人工凿冰或打钻直接测量冰层厚度和水位。它的优点是数据可靠，缺点是自动化程度低、劳动强度高、危险性大。第二类是通过卫星进行遥测，其优点是适宜于对大面积冰监测，包括极地海冰、南极冰盖厚度的监测，都是依靠卫星遥感或卫星照片来分析。缺点是无法掌握局部小范围冰层结构内部的生消变化过程，难于应用到许多宽度狭窄的黄河及其它河流明渠以及水利设施的冰监测。第三类方法是电磁学、声学等物理探测方法。大致有以下几种装置和方法：①丹麦生产的电磁感应式冰厚测量仪——EMI海冰厚度检测仪，该检测系统实现了自动化非接触式检测，但几乎无法实现实时监测，且造价较高。②声纳探测法，该方法是把一套声纳装置投置于冰下，能够利用声纳准确判断出冰水界面，但无法判断出空气与冰的上界面，且测量误差较大。③CCD监测仪光学测量法，该方法采用参照物标定方法，其目的是要把实际的物体尺寸与从图像上看到的物体尺寸对应起来，并找出其中的比例关系。在进行标定时不仅要记录下用于标定物体的尺寸，还应记录下标定时物体与摄像机间的距离。该方法测量必须依靠海洋抗冰平台，且影响精确度的因素较多，如照明视场噪声、CCD性能、镜头畸变、量化误差、帧存与CCD不同步等。④中国极地研究中心2009年申报的海冰厚度测量装置和方法（专利号: ZL 200910046071.4），利用了电磁感应和激光技术相结合的方法来测量海冰厚度，由于该套装置的成本较高、安装不便等因素，还未能普及。⑤本人曾参与发明设计的专利“冰层厚度传感器及其检测方法”（专利号：ZL 200410012164.2），原理是利用水、冰的不同导电特性来进行厚度判断。在实际使用过程中发现该发明产品也存在一些不足：主要表现在受传感器表面含有的水份的影响，导致测量结果误差较大。在此基础上，本人又改进为电容感应式冰层厚度测量传感器，该传感器在使用过程中较为稳定，存在的问题是精度不高，为±1cm，不能适应冰热力学研究关于冰层厚度变化参数的要求。

综合所述：随着国民经济发展的进一步提升，对水利和水文冰情预报的高精确度要求越来越高，已经不能适应新形势下的要求。促使冰层厚度度测量技术领域，必须探索新的测量机理、测量方法、测量装置及检测技术。

发明内容

本发明一种双系统冰层厚度测量装置，其目的针对上述现有技术中存在的一些问题，从而公开一种对水利和水文冰情高精确度预报的双系统冰层厚度测量装置的技术方案。

本发明一种双系统冰层厚度测量装置，其特征在于是一种对水利和水文冰情高精确度预报的双系统冰层厚度测量装置，该装置由传动系统（见附图1、图2、图3）和测量系统两部分组成（见附图4）。双系统是指所述传动系统由两套完全相同的丝杆传动系统组成，分别为前传动系统和后传动系统，其中前传动系统由前电机5、前涡轮蜗杆减速机7和前丝杆3组成，前电机5正反转经前涡轮蜗杆减速机7和前丝杆3牵引上探头2沿前丝杆3及后丝杆4上下移动；后传动系统由后电机6、后涡轮蜗杆减速机8和后丝杆4组成，后电机6正反转经后涡轮蜗杆减速机8和后丝杆4牵引下探头1沿后丝杆4及前丝杆3上下移动；其前电机5、前涡轮蜗杆减速机7和后电机6、后涡轮蜗杆减速机8选择一体化结构微型涡轮蜗杆减速机，所述前丝杆3上端有螺纹下端没有螺纹，轴头用键与前涡轮蜗杆减速机7连接，后丝杆4上端没有螺纹下端设有螺纹，轴头用键与后涡轮蜗杆减速机8连接, 前丝杆3和后丝杆4螺纹规格相同，测量系统由下探头1、上探头2、前编码传感器9、后编码传感器10和智能调节仪14组成，所述上探头2和下探头1均为金属铸件或锻件，探头1和探头2均有两个孔，其中一个孔有螺纹另外一个孔为通孔，其螺纹规格与前丝杆3和后丝杆4螺纹规格相同；所述前编码传感器9和后编码传感器10选用旋转编码传感器，前编码传感器9安装在前涡轮蜗杆减速机7所带前电机5对面的输出轴上，随前电机5一起旋转，前电机5旋转一圈前编码传感器9也旋转一圈，同时发出一定数量的脉冲，脉冲送至智能调节仪14进行运算和显示，其智能调节仪14本身带有的上位显示值15用来显示0位与上探头2之间的距离，后编码传感器10安装在后涡轮蜗杆减速机8所带后电机6对面的输出轴上，随后电机6一起旋转，后电机6旋转一圈后编码传感器10也旋转一圈，同时发出一定数量的脉冲，脉冲送至智能调节仪14进行运算和显示，其智能调节仪14本身带有的下位显示值16用来显示0位与下探头1之间的距离，其中冰层厚度显示值17显示冰的度厚，显示的数据由上位显示值15和下位显示值16相加得到，智能调节仪14选用两路计数脉冲输入三组数码或光柱显示的智能调节仪，前编码传感器9经电缆与智能调节仪14连通，后编码传感器10经电缆与智能调节仪14连通，所有部件按附图1、附图2、附图3组装在托架11上，仅智能调节仪14不装在托架11上，智能调节仪14的USB端口与上位计算机18的USB端口相连接。

上述一种双系统冰层厚度度测量装置，其特征在于为了防止前丝杆3和后丝杆4被冰层冻结，测量装置要求每隔一段时间必须旋转或测量一次，实践证明气温在0～-10℃时，每隔两小时旋转或测量一次，随着气温的下降适当增加旋转或测量的次数。

本发明一种冰层厚度度测量装置的优点在于：该发明测量装置的测量方法，类似于机械行业最常用的夹紧测量法（如卡尺和千分尺），这种方法测量精度高。具体来讲其优点为：

1.    测量方法直接，中间转换环节少;

2.    测量精度高，不受环境温度变化的影响;

3.    经久耐用。

附图说明

图1 测量装置结构示意图

1.下探头  2.上探头   3.前丝杆  4.后丝杆  5.前电机  6.后电机  

7.前涡轮蜗杆减速机  8.后涡轮蜗杆减速机  9.前编码传感器  10.后编码传感器  

11.托架  12.冰  13.水

图2 测量装置结构俯视示意图

图3 测量装置结构侧面初始示意图

图4 测量装置测量原理图

14.智能调节仪  15.上位显示值  16.下位显示值  17.冰层厚度显示值  

18.上位计算机。

具体实施方案

实施方式1 ：

本发明冰层厚度测量装置主要应用在近岸海冰或水文站周边河道的河冰或湖冰，进行冰层厚度的自动化测量。

1. 测量装置的安装

整套测量装置固定在支架上，移动到合适的位置，凿开冰层安装到海冰的平面上，安装完成后接通电源。

2.测量装置的校验

前涡轮蜗杆减速机7和后涡轮蜗杆减速机8选择RV系列铝合金微型涡轮蜗杆减速机，型号为BV25-20-0.09FA-SZ-B3 减速比20、电机转速1400转∕分钟，功率0.09KW。

取前丝杆3和后丝杆4螺距为2mm, 前丝杆3和后丝杆4旋转一圈，上探头2和下探头1上升或下降2mm，选前编码传感器9和后编码传感器10为PKT-100系列编码传感器，分辨率200脉冲/转，减速比为20，前电机5和后电机6旋转二十圈，前丝杆3和后丝杆4旋转一圈，前编码传感器9和后编码传感器10各发出4000个脉冲。计算脉冲当量                                                

=2mm／4000脉冲=0.0005mm／脉冲，将脉冲当量存入智能调节仪14中，作为计算冰层厚度依据。将上探头2和下探头1闭合在一起，智能调节仪14的上位显示值15、下位显示值16和冰层厚度显示值17全部清0，作为冰层厚度0位起始值，根据最大测冰厚度确定上探头2的上限位置（如500 mm）和下探头1的下限位置（如500 mm），将上限整定值（500 mm）设定到智能调节仪14中，作为控制前电机5停止转动的依据，同样将下限整定值（500 mm）设定到智能调节仪14中，作为控制后电机6停止转动的依据，校验过程结束后，上探头2和下探头1调整到上限和下限位置（如附图1），如果运行过程中发现实际冰层厚度与冰层厚度显示值17显示数据有误差，重新修改脉冲当量F。

下面结合附图1、附图2和附图3进一步说明冰层厚度度测量过程工作原理：

3.测量装置冰层厚度度测量过程：

不测量时下探头1始终保持在下极限位置，上探头2始终保持在上极限位置，此时上位显示值15显示上极限值（500 mm），下位显示值16显示下极限值（500 mm）。设定时间到测量过程开始，前电机5正转接触器闭合，前电机5正转驱动前涡轮蜗杆减速机7和前丝杆3正转，牵引上探头2向下移动，前编码传感器9不断发出脉冲，上位显示值15显示的数据在逐步减小，智能调节仪14每收到一个脉冲，上位显示值15显示的数据减小0.0005 mm，当上探头2接触到冰12上表面后，上探头2无法再继续向下移动，前电机5处于堵转状态，前电机5的电流急剧上升，达到额定电流2～3倍时，前电机5正转接触器打开，前电机5停止正转，上位显示值15显示的数据不再发生变化。同样后电机6反转接触器闭合，后电机6反转驱动后涡轮蜗杆减速机8和后丝杆4反转，牵引下探头1向上移动，后编码传感器10不断发出脉冲，下位显示值16显示的数据在逐步减小，智能调节仪14每收到一个脉冲，下位显示值16显示的数据减小0.0005 mm，当下探头1接触到冰12和水13分界面后，下探头1无法再继续向上移动，后电机6处于堵转状态，后电机6的电流急剧上升，达到额定电流2～3倍时，后电机6反转接触器打开，后电机6停止反转，下位显示值16显示的数据不再发生变化。智能调节仪14将上位显示值15和下位显示值16显示的数据相加，转存到智能调节仪14的冰层厚度显示值17中，冰层厚度显示值17显示的数据就是当前冰厚度。转存过程结束后，前电机5反转接触器闭合，前电机5反转驱动前涡轮蜗杆减速机7和前丝杆3反转，牵引上探头2向上移动，上位显示值15显示的数据在逐步增加，当上位显示值15的数据增加到上限整定值（500 mm）时，智能调节仪14本身带有的上限继电器闭合，其常闭触点打开，控制前电机5反转接触器打开，前电机5停止反转，此时上位显示值15显示上限整定值（500 mm）。同样后电机6正转接触器闭合，后电机6正转驱动后涡轮蜗杆减速机8和后丝杆4正转，牵引下探头1向下移动，下位显示值16显示的数据在逐步增加，当下位显示值16的数据增加到下限整定值（500 mm）时，智能调节仪14本身带有的下限继电器闭合，其常闭触点打开，控制后电机6正转接触器打开，后电机6停止正转，此时下位显示值16显示下限整定值（500 mm）。测量装置回到初始状态，等待下一次测量，测量过程结束。

Claims (2)

1.一种双系统冰层厚度测量装置，其特征在于是一种针对水利和水文冰情高精确度预报的冰层厚度自动化测量装置，该装置由传动系统和测量系统两部分组成，其所述传动系统由前丝杆传动系统和后丝杆传动系统两套系统组成，其中前传动系统由前电机（5）、前涡轮蜗杆减速机（7）和前丝杆（3）组成，前电机（5）正反转经前涡轮蜗杆减速机（7）和前丝杆（3）牵引上探头（2）沿前丝杆（3）及后丝杆（4）上下移动；后传动系统由后电机（6）、后涡轮蜗杆减速机（8）和后丝杆（4）组成，后电机（6）正反转经后涡轮蜗杆减速机（8）和后丝杆（4）牵引下探头（1）沿后丝杆（4）及前丝杆（3）上下移动；其前电机（5）、前涡轮蜗杆减速机（7）、后电机（6）和后涡轮蜗杆减速机（8）选择一体化结构微型涡轮蜗杆减速机，所述前丝杆（3）上端设有螺纹下端没有螺纹，轴头用键与前涡轮蜗杆减速机（7）连接，后丝杆（4）上端没有螺纹下端设有螺纹，轴头用键与后涡轮蜗杆减速机（8）连接, 前丝杆（3）和后丝杆（4）螺纹规格相同，测量系统由下探头（1）、上探头（2）、前编码传感器（9）、后编码传感器（10）和智能调节仪（14）组成，所述上探头（2）和下探头（1）均为金属铸件或锻件，探头（1）和探头（2）均有两个孔，其中一个孔有螺纹另外一个孔为通孔，其螺纹规格与前丝杆（3）和后丝杆（4）螺纹规格相同；所述前编码传感器（9）和后编码传感器（10）选用旋转编码传感器，前编码传感器（9）安装在前涡轮蜗杆减速机（7）所带前电机（5）对面的输出轴上，随前电机（5）一起旋转，前电机（5）旋转一圈前编码传感器（9）也旋转一圈，同时发出脉冲信号，脉冲信号送至智能调节仪（14）进行运算和显示，其智能调节仪（14）本身带有的上位显示值（15）用来显示0位与上探头（2）之间的距离，后编码传感器（10）安装在后涡轮蜗杆减速机（8）所带后电机（6）对面的输出轴上，随后电机（6）一起旋转，后电机（6）旋转一圈后编码传感器（10）也旋转一圈，同时发出一定数量的脉冲，脉冲送至智能调节仪（14）进行运算和显示，其智能调节仪（14）本身带有的下位显示值（16）用来显示0位与下探头（1）之间的距离，其中冰层厚度显示值（17）显示冰的厚度，显示的数据由上位显示值（15）和下位显示值（16）相加得到，智能调节仪（14）选用两路计数脉冲输入三组数码或光柱显示的智能调节仪，前编码传感器（9）经电缆与智能调节仪（14）连通，后编码传感器（10）经电缆与智能调节仪（14）连通，所有部件组装在托架（11）上，仅智能调节仪（14）不装在托架（11）上。

2.按照权利要求1所述的一种双系统冰层厚度测量装置，其特征在于传动系统由两套完全相同的前丝杆传动系统和后丝杆传动系统组成。

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