CN104895028B - 一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，其结构包括过水箱、入水闸门、出水管、稳流装置、冲击力检测装置、电磁锁和控制器。过水箱安装于沟渠护坡中，入水侧安装有入水闸门，出水侧安装有“L”形出水管，内部安装有消波板和稳流板。凹面承水盘安装于出水管口的正下方，压力传感器安装于凹面承水盘的下方，压力传感器可将凹面承水盘受到的水流冲击力转换为电信号输入到控制器中，控制器可将水流冲击力换算为过水量。过水箱上方安装有电磁锁，控制器可控制其开启或关闭从而实现入水闸门的开启或关闭。本发明具有结构简单、量程覆盖范围大、计量精确、易实现远程自动控制等优点，尤其适合实现对田间灌溉用水量的精确计量及控制。

Description

一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置

技术领域

本发明涉及一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，属于农田水利技术领域。

背景技术

水是农业的命脉，随着我国农田灌溉需求的增加与灌区面积的不断扩大，制定严格且全面的灌区管理措施已成为当务之急。然而，随着我国社会经济的快速发展，灌区灌溉中存在的问题也越来越突出，如灌区工程老化导致输配水功能衰竭，我国北方水资源较少但浪费水的现象严重、用水效率和生产率较低等等。目前，灌区内各个用水户及用水机构间的矛盾严重，日益短缺的水资源已成为影响灌区进一步发展的重要问题。因此大力配置合理且高效的量水设施，实行有效节水、定额供水和按量收费已成为迫切任务。

灌区量水是实现合理计划用水、正确分配水资源、高效灌溉的重要手段，也是实行计量收费的重要保证。近年来，我国不断补充农田水利立法，黑龙江、湖南和江西省陆续出台了农田水利管理方面的地方性法规，它们明确规定农田灌溉用水实行总量控制和定额管理相结合的制度。随着我国生态灌区的发展，农村灌溉方法及管理方法不断精细化，田间灌溉用水的准确计量也有了更高要求。一方面，量水建筑物及仪器必须计量准确、可靠，满足精度要求，为用水利用率等重要指标提供依据；另一方面，为了满足灌区信息化建设的需要，相关计量装置还应满足量水测水自动化的要求，能够及时准确地传送灌溉用水信息。然而在我国大多数灌区，量水设施主要应用在干支渠上，而应用于斗农渠或单块小农田的计量设备较少，这使得灌区的用水情况停留在大尺度上，但对单个灌溉用户的用水量无法准确计量。

灌溉水量的计量是一项基础而又关键的技术，传统方法通过在防渗渠道上建设巴歇尔量水槽或U型量水槽等措施，实现明渠输水的测量；管道输水直接根据横截面积或估算出水速度来计算过水量；一些大型水流量计量装置也会设于引水泵站前端，通过水位降低速度计算抽水能力，这些方法虽使用简单但是精度较低，同时它们会占用较多的农田用地、易遭受损坏，不适用于灌区单块农田的过水量计量。近年来相关科研机构与企业单位合作，开展了灌溉用水计量方式的创新试验研究，如在灌溉泵点安装超声波流量计、采用红外线遥控的预付费控制系统，这些方法计量精度较高，但是它们投资成本较高、安装复杂且维护成本较高，会增加农民的负担。因此，目前我国灌区亟需一种适用于末级渠道的农田灌溉用水计量和节水控制装置，在精确计量灌溉用水的同时能节约成本、便于维护，从而大幅度提高灌区灌溉的效率。

发明内容

本发明提出了一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，具有结构简单、计量精确、维护方便的优点，可用于对田间灌溉用水量的准确计量及自动控制，有利于实现水资源的利用效率及灌溉水量智能化控制。

本发明的技术解决方案：一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，其特征在于：包括过水箱、入水闸门、出水管、稳流装置、冲击力检测装置、电磁锁和控制器；其中过水箱安装于沟渠护坡中，入水侧安装有入水闸门，稳流装置包括消波板和稳流板，出水侧安装有“L”形出水管，过水箱上方安装有电磁锁，控制器固定在过水箱顶部并与压力传感器和电磁锁连接，控制器可接收压力传感器的信号，还能控制电磁锁的开启和关闭；冲击力检测装置包括凹面承水盘、压力传感器和基座。

本发明所达到的有益效果：

1)本发明采用在相同管径和跌水高度条件下的水流冲击力与水流通量的对应关系，通过连续测量水流冲击力的方式来计量过水量，原理简单、计量准确、计量范围宽；

2)由入水闸门、消波板和稳流板共同构成过水稳流结构，可以最大程度地减小沟渠内流速波动对出水流量的影响，提高水量监测精度；

3)本发明对具有一定的过水阻力，在沟渠中大量安装条件下，有利于保持沟渠网络内的水头稳定，从而有效的避免上游和下游田块灌溉水量分配不均衡的问题；

4)本发明采用水量计量和闸门控制一体化结构，当实际过水量超过预置过水总量时，通过触发电磁锁关闭入水闸门，从而自动停止灌溉，有效的避免了水资源的浪费；

5)本发明易于实现远程网络自动控制，从而对灌溉用水进行合理配置，大幅度提高水资源的使用效率；

6)本发明装置结构简单，便于安装，非灌溉期可以方便取走。

附图说明

附图1是本发明的主视图（入水闸门处于开启位置）；

附图2是图1的右视图。

图中的1是沟渠护坡、2是水面、3是过水箱、4是入水闸门、5是电磁锁、6是控制器、7是出水管、8是凹面承水盘、9是基座、10是压力传感器、11是田块、12是稳流板、13是后段水位、14是消波板、15是中段水位。

具体实施方式

对照附图，一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，其结构在于：包括过水箱3、入水闸门4、出水管7、稳流装置、冲击力检测装置、电磁锁5和控制器6；其中过水箱3安装于沟渠护坡1中，入水侧安装有入水闸门4，稳流装置包括消波板14和稳流板12，出水侧安装有“L”形出水管7，过水箱3上方安装有电磁锁5，控制器6固定在过水箱3顶部并与压力传感器10和电磁锁5连接，控制器6可接收压力传感器10的信号，还能控制电磁锁5的开启和关闭；冲击力检测装置包括凹面承水盘8、压力传感器10和基座9。

所述过水箱3为一长方体中空箱体，其左侧开口，右侧封闭，壁厚3cm~5cm，采用工程塑料整体成形；

过水箱3安装于灌溉渠道靠近田块11一侧的沟渠护坡1中，过水箱3底部内边缘与渠道底部齐平，渠内的水可流入过水箱3内。

所述入水闸门4安装于过水箱3入左侧顶部的卡槽内，闸门厚度为1cm，材质为不锈钢。入水闸门4的宽度与过水箱3的内宽相同，高度等于过水箱3的外部高度，入水闸门4可在卡槽内垂直上升或下降，用于开启和关闭过水箱3。

所述出水管7安装于过水箱3出水侧挡板的中部，为一“L”形管道，采用管径为6cm的PVC管连接而成，出水管7的安装高度低于沟渠内的水面2高度15cm~20cm，以保证水可通过出水管7流出。

所述稳流装置包括消波板14和稳流板12，材质均为工程塑料，消波板14垂直安装于过水箱3的中部，消波板14的宽度与过水箱3内部宽度相同，其高度低于沟渠内的水面2高度5cm~10cm，用于消除水波浪对出水量测量精度的影响；稳流板12水平安装于出水管7的上方，用于稳定出口管7管口区域的水流速度，提高测量精度。

所述冲击力检测装置包括凹面承水盘8、压力传感器10和基座9；凹面承水盘8为一圆形盘体，材质为工程塑料；凹面承水盘8的直径为18cm~30cm，上表面为凹面，凹面曲率半径为40cm~50cm；凹面承水盘8安装于出水管7出水口的正下方10cm~15cm处。

所述两个电磁锁5水平安装于过水箱左侧顶部，电磁锁5处于开启状态时锁芯伸出，锁芯可插入入水闸门4上对应的锁孔内，使得入水闸门4保持提升状态，渠内的水可进入到过水箱3中；当电磁锁5处于关闭状态时锁芯从入水闸门4的锁孔内抽出，使得入水闸门4落下从而关闭过水箱3。

所述述压力传感器10安装于凹面承水盘8的正下方，采用电阻应变式高灵敏度压力传感器，量程为0~10Kg。压力传感器10安装于基座9上。基座9的材质为工程塑料，基座9与过水箱3连接。

所述控制器6与压力传感器10通过信号线连接，可接收压力传感器10采集的水流冲击力信号并转换为过水量。

所述控制器6还与电磁锁5连接，可驱动电磁锁5进行开启和关闭动作。

所述控制器6由数字变送器、单片机程控模块、电磁锁驱动器及相关电路组成。所述数字变送器可将压力传感器10采集的水流冲击力信号转换为数字信号并传递给单片机程控模块，所述单片机程控模块可将水流冲击力转换为瞬时过水量并进行累计。当累计过水量值达到预设过水量时，单片机程控模块向电磁锁驱动器发出触发信号，从而驱动电磁锁5进行开启和关闭动作。

本发明的工作原理：

对于垂直跌水过程，在保持过水面积和跌水高度不变的条件下，水流冲击力与水流动量存在着线性对应关系。本发明就是采用测量水流冲击力的方法来间接测量水流动量，从而换算为出水管的水流通量值，并通过对水流通量的连续测定及累计，最终获得总过水量。

本发明的工作过程：

当实际灌溉用水量未达到设定用水量时，电磁锁5处于开启状态，电磁锁5的锁芯插入入水闸门4的锁孔中，使得入水闸门4处于开启状态。沟渠中的水可通过入水闸门4底部流入过水箱3中，入水闸门4对沟渠表层的波浪具有一定的过滤作用。当水进入到过水箱3的中段时会受到消波板14的阻碍而改变流向，并以溢流的方式通过消波板14的顶部进入过水箱3的后段，从而进一步滤除了水流中的波动，使得进入到过水箱后段的水流平稳。固定在过水箱3后段的稳流板12可以进一步稳定出水管7管口区域的水流，使得通过出水管7的水流平稳。从出水管7流出的水以一定的流速跌落至下方的凹面承水盘8上，压力传感器10将采集到的水流冲击力信号输入到控制器6中，控制器6可将冲击力信号转换为水流通量值并进行过水量的累计。

当实际灌溉用水量已达到设定用水量时，控制器6驱动电磁锁5关闭，电磁锁5的锁芯从入水闸门4的锁孔中抽出，入水闸门4在重力的作用下落下，从而关闭过水箱3，沟渠中的水将不能通过过水箱3流入田块11中，灌溉过程停止。在入水闸门4落下后，控制器6再次驱动电磁锁5处于开启状态，电磁锁5的锁芯伸出，从而限制入水闸门4被非法开启。本发明在实施过程中控制器6可实现远程网络化控制和管理，从而实现灌溉过程的水量监控及自动控制。

为了获得较高的流量计量精度，本发明在使用前需进行标定，建立水流冲击力与水流通量值的对应关系表，并输入到控制器6中的单片机程控模块中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，其特征在于：包括过水箱、入水闸门、出水管、稳流装置、冲击力检测装置、电磁锁和控制器；其中过水箱安装于沟渠护坡中，入水侧安装有入水闸门，稳流装置包括消波板和稳流板，消波板垂直安装于过水箱的中部，消波板的宽度与过水箱内部宽度相同，其高度低于沟渠内的水面，稳流板水平安装于出水管的上方；出水侧安装有“L”形出水管，过水箱上方安装有电磁锁，两个电磁锁水平安装于过水箱左侧顶部，电磁锁处于开启状态时锁芯伸出，锁芯可插入入水闸门上对应的锁孔内，使得入水闸门保持提升状态，渠内的水可进入到过水箱中，当电磁锁处于关闭状态时锁芯从入水闸门的锁孔内抽出，使得入水闸门落下从而关闭过水箱；控制器固定在过水箱顶部并与压力传感器和电磁锁连接，控制器可接收压力传感器的信号，还能控制电磁锁的开启和关闭；冲击力检测装置包括凹面承水盘、压力传感器和基座，凹面承水盘安装于出水管管口的正下方10cm~15cm处，压力传感器安装于凹面承水盘的正下方，压力传感器固定于基座上，基座与过水箱连接。

2.根据权利要求1所述的一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，其特征在于：所述过水箱为一长方体中空箱体，其左侧开口，右侧封闭，过水箱安装于灌溉渠道靠近田块一侧的沟渠护坡中，过水箱底部内边缘与渠道底部齐平，渠内的水可流入过水箱内。

3.根据权利要求1所述的一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，其特征在于：所述入水闸门安装于过水箱左侧顶部的卡槽内，入水闸门的宽度与过水箱的内宽相同，高度等于过水箱外部高度，入水闸门可在卡槽内垂直上升或下降。

4.根据权利要求1所述的一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，其特征在于：所述出水管安装于过水箱出水侧挡板的中部，为一“L”形管道，出水管的安装高度低于沟渠内的水面。

5.根据权利要求1所述的一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，其特征在于：所述凹面承水盘为一圆形盘体，凹面承水盘的直径为18cm~30cm，上表面为凹面，凹面曲率半径为40cm~50cm。

6.根据权利要求1所述的一种跌水冲击式灌溉水量计量及自动闸门一体化装置，其特征在于：所述控制器与压力传感器通过信号线连接，可接收压力传感器采集的水流冲击力信号并转换为过水量。