CN113124951B - 一种横向摆杆式明渠自动测流装置 - Google Patents

Abstract

一种横向摆杆式明渠自动测流装置，所述装置包括固定装置、传送装置、摆杆装置及控制系统，其中固定装置为工字形支架，由带有螺纹底座的两纵向支架与带有伸缩结构的横向支架构成，横向支架上方设置有水平仪，下方设置有水位传感器；所述传送装置安装在横向支架下方，由步进电机、螺纹丝杆、联轴器、底板、滑轨及滑块构组成；所述摆杆装置安装在滑块上，由摆杆、扭转弹簧、弹簧槽及角度传感器构成，用以测量摆杆转动角度；所述控制系统由A/D单片机、GPRS模块、显示屏构成，安装在横向支架上方，用于输入指令、读取数据，实现横向摆杆式装置的明渠自动测流，本发明结构简单、测流精度高、省时省力，具有广阔的应用前景。

Description

一种横向摆杆式明渠自动测流装置

技术领域

本发明涉及一种明渠自动测流装置，具体来讲，是一种利用水流冲击摆杆时所转动的角度与断面流速建立关系式，并利用流速面积法来计算过水断面流量的明渠自动测流装置。

背景技术

现有技术：针对本次提出的测流装置，现有相似的测量装置包括悬垂平板式流量测量装置、板柱复合式流量量测装置及摆杆式明渠自动测流装置，悬垂平板式流量测量装置是利用U形测流平板在水流冲击时所发生的偏转角度与流量建立对应关系从而进行测流的方法；此装置所使用的U形测流平板尺寸过大，面积略小于渠道断面，在测量时对渠道中的水流造成阻挡作用，产生水头损失，影响水流正常流态及测量精度。

现有技术：板柱复合式流量量测装置包括横梁、套筒、套杆、角度显示板以及测角板五部分，测流原理是测角板在渠道水流的作用下运动，根据测量测角板的偏转角度以达到流量测量的目的，此种测流装置存在的问题是测流板属于非流线型，对水流的扰动较大，在一定程度上影响原水流流场，从而对装置的测流精度产生一定影响。

现有技术：摆杆式明渠自动测流装置的主要原理是根据明渠过水断面瞬时流量与测流摆杆摆动角度所拟合的曲线进行测流的，这是一种集角度传感器与水位传感器于一体的自动测流装置；此装置存在的问题是测点单一，推算整个断面流量时精度较低，且当渠道处于壅水状态时需要重新推求对应关系，费时费力。

因此，研发一种对水流流态影响较小、测流精度高、适用范围广、价格低廉的自动化测流装置是民用灌区的迫切需要。

发明内容

本发明要解决的具体技术问题是现有测量装置的摆杆对水流流场的扰动较大、测点单一、未能测量多个流层、未能实现自动化的问题；本发明的目的是提供一种横向摆杆式明渠测流装置。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

一种横向摆杆式明渠自动测流装置，所采用的测流方法是通过将摆杆转动角度换算成过水断面水流流速，利用流速面积法来测量渠道过水断面流量；所采用的横向摆杆式自动测流装置包括固定装置、传送装置、摆杆装置及控制系统，其特征在于：所述固定装置是由带有螺纹底座的两纵向支架和带有伸缩结构的横向支架构成，所述两纵向支架放置在渠道两侧，其上设置有相应的中间固定键来固定横向支架；所述带有伸缩结构的横向支架横跨渠道，两端头通过中间固定键固定在纵向支架上，横向支架中间设置有固定旋钮固定其伸缩，并且设置两个水平仪来确保固定装置在横纵方向上保持水平；所述传送装置整体安装在固定装置的横向支架下方，由步进电机、底板、联轴器、螺纹丝杆、滑轨、滑块构成；所述步进电机固定在底板上，通过联轴器与螺纹丝杆相连接；所述滑块一侧嵌在滑轨的轨道之中，另一侧由螺纹丝杆贯穿内部；所述联轴器、螺纹丝杆、滑块、滑轨都安装在两底板之间，与步进电机共同构成整个传送装置；所述摆杆装置是将摆杆、扭转弹簧、角度传感器装配在弹簧槽中构成的整体；所述弹簧槽贴靠在传送装置的滑块上，带动整个摆杆装置上下移动；所述扭转弹簧整体套在摆杆的转动轴上，其中一端扭臂贴靠在弹簧槽中，另一端扭臂贴靠在摆杆上；所述角度传感器安装在摆杆的转动轴上端，与摆杆的转动轴、弹簧槽的摆杆搭放孔保持同一条轴线；所述控制系统安装在横向支架上方，由A/D单片机、GPRS模块、显示屏组成，用于输入指令、读取数据，实现横向摆杆式装置的明渠自动测流；本测流装置结构简单、测流精度高、省时省力，具有广阔的应用前景。

所述的横向摆杆式明渠自动测流装置，其特征在于：

所述自动测流装置的使用方法是将固定装置中的两纵向支架放置在渠道两侧，并将传送装置中的滑轨贴靠在渠道边壁，固定好支架位置；利用横向支架下方的水位传感器测量当前水位，并在控制系统划分测量流层；启动步进电机使得螺纹丝杆转动，从而带动摆杆装置在不同流层处进行多次测量，当渠道通水后，摆杆在水流冲击作用下摆动一角度，同时角度传感器通过控制系统显示此流层对应的角度值，利用摆杆转动角度与过水断面流速之间的关系确立关系式

，其中：K为常数，随后利用流速面积法

计算过水断面流量。

本发明上述利用摆杆在水流的冲击下摆动的角度和过水断面流速的关系来建立数学模型，最后拟合出一个对应公式来计算过水断面流量，与现有技术相比，此测流装置在不同水位处进行多次测量，利用流速面积法计算过水断面流量，此种方法测流精度更高，且可以避免传统当渠道中水流为壅水状态时需要重新推求对应关系的缺点。

本上述发明所提供的测量装置使用方法简单，精度高，可实现全自动化测量，克服了传统测流设备对流场扰动较大、测点单一的缺点，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明自动测流装置的机械结构示意图。

图2是本发明固定装置的结构示意图。

图3是本发明传送装置的结构示意图。

图4是本发明摆杆装置的结构示意图。

图5是本发明测流装置的工作原理图。

图中： 1：螺纹底座；2：中间固定键；3：固定旋钮；4：水平仪；5：水位传感器；6：步进电机；7：底板；8：联轴器；9：螺纹丝杆；10：滑轨；11：滑块；12：角度传感器；13：摆杆；14：扭转弹簧；15：弹簧槽；16：控制系统。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明。

如附图1-附图5所述，本发明上述所提供的一种横向摆杆式明渠自动测流装置是将固定装置中的两纵向支架放置在渠道两侧，通过螺纹底座调整支架的高度，使得水平仪中的气泡居中，此时支架保持水平，在此状态下固定好支架位置，并将传送装置中的滑轨贴靠在渠道边壁；利用横向支架下方的水位传感器测量当前水位，在控制系统划分测量流层；启动步进电机使得螺纹丝杆转动，由控制系统中的A/D单片机发出指令从而带动摆杆装置在不同流层处进行多次测量，当渠道通水后，摆杆在水流冲击作用下摆动一角度，同时角度传感器通过控制系统显示此流层对应的角度值，利用摆杆转动角度与过水断面流速之间的关系确立关系式

，其中：K为常数，随后利用流速面积法

计算过水断面流量。

具体的一种横向摆杆式明渠自动测流装置，包括固定装置、传送装置、摆杆装置及控制系统，其构成如下：

其中的固定装置是由带有螺纹底座1的两纵向支架和带有伸缩结构的横向支架构成，两纵向支架放置在渠道两侧，其上设置有相应的中间固定键2来固定横向支架，带有伸缩结构的横向支架横跨渠道，两端头通过中间固定键固定在纵向支架上，横向支架中间设置有固定旋钮3固定其伸缩，并且设置两个水平仪4来确保固定装置在横纵方向上保持水平；

其中的传送装置是整体安装在固定装置的横向支架下方，由步进电机6、底板7、联轴器8、螺纹丝杆9、滑轨10及滑块11构成；其中，步进电机6是固定在所述底板7上，通过所述联轴器8与所述螺纹丝杆9相连接，滑块11的一侧嵌在所述滑轨10的轨道之中，另一侧由所述螺纹丝杆9贯穿内部，联轴器8、螺纹丝杆9、滑轨10及滑块11均安装在两底板7之间，与步进电机6共同构成整个传送装置；

其中的摆杆装置是将摆杆13、扭转弹簧14及角度传感器12装配在弹簧槽15中构成的整体结构；弹簧槽15是贴靠在传送装置的滑块11上，带动整个摆杆装置上下移动；扭转弹簧14整体套在摆杆13的转动轴上，其中一端扭臂贴靠在弹簧槽15中，另一端扭臂贴靠在摆杆13上；角度传感器12是安装在摆杆13的转动轴上端，与摆杆13的转动轴、弹簧槽15的摆杆搭放孔保持同一条轴线；

其中的控制系统16是安装在横向支架上方，由A/D单片机、GPRS模块及显示屏构成，用于输入指令、读取数据，实现横向摆杆式装置的明渠自动测流；

上述横向摆杆式明渠测流装置具体的操作步骤如下：

步骤一、将两纵向支架放置在渠道两侧，调整支架位置使得传送装置中的滑轨紧贴渠道边壁，调整螺纹底座的高度，使得水平仪中的气泡居中，此时整个支架在横纵方向上均保持水平，在此状态下固定好支架位置；

步骤二、打开位于横向支架下方的水位传感器，结合渠道尺寸测得当前水位，在控制系统输入断面划分流层的尺寸及数量；

步骤三、启动步进电机使得螺纹丝杆转动后，由控制系统中的A/D单片机向传送装置发出指令，控制摆杆系统在不同水位处进行多次测量。当渠道通水后，摆杆在水流冲击作用下摆动一角度，此时摆杆转动角度通过角度传感器传输至控制系统；

步骤四、根据理论计算及量纲分析得到摆杆转动角度与过水断面流速之间的数学关系式

，在控制系统中由A/D单片机将测得的角度转换成流速，并利用流速面积法计算过水断面流量，将最终数据直接传至显示屏或者通过GPRS模块，利用无线远距离传输给计算机，进行实时在线观测和储存。

上述具体实施方案中，该装置的整个工字形支架均是固定旋钮连接，如附图1所示，然后按横向和纵向上的两个水准气泡是否居中来调节底座，使装置横纵向都达到水平，接着安装摆杆系统，将摆杆与扭转弹簧作为整体安装在弹簧槽内，摆杆的转动轴上端连接角度传感器，当感应到摆杆有了一定的角度后，角度传感器将角度值通过液晶显示屏显示出来，以方便读数，摆杆系统是可更换的，可以安装不同材质的、不同直径的或是不同长度的摆杆与弹簧，具体视实际情况而定。

Claims (1)

1.一种横向摆杆式明渠自动测流装置，包括固定装置、传送装置、摆杆装置及控制系统，其特征在于：

所述固定装置是由带有螺纹底座（1）的两纵向支架和带有伸缩结构的横向支架构成；所述两纵向支架放置在渠道两侧，其上设置有相应的中间固定键（2）来固定横向支架；所述带有伸缩结构的横向支架横跨渠道，两端头通过中间固定键固定在纵向支架上，横向支架中间设置有固定旋钮（3）固定其伸缩，并且设置两个水平仪（4）来确保固定装置在横纵方向上保持水平；

所述传送装置是整体安装在固定装置的横向支架下方，由步进电机（6）、底板（7）、联轴器（8）、螺纹丝杆（9）、滑轨（10）及滑块（11）构成；其中，所述步进电机（6）是固定在所述底板（7）上，通过所述联轴器（8）与所述螺纹丝杆（9）相连接；所述滑块（11）的一侧嵌在所述滑轨（10）的轨道之中，另一侧由所述螺纹丝杆（9）贯穿内部；所述联轴器（8）、螺纹丝杆（9）、滑轨（10）及滑块（11）均安装在两底板（7）之间，与步进电机（6）共同构成整个传送装置；

所述摆杆装置是将摆杆（13）、扭转弹簧（14）及角度传感器（12）装配在弹簧槽（15）中构成的整体结构；所述弹簧槽（15）是贴靠在传送装置的滑块（11）上，带动整个摆杆装置上下移动；所述扭转弹簧（14）整体套在摆杆（13）的转动轴上，其中一端扭臂贴靠在弹簧槽（15）中，另一端扭臂贴靠在摆杆（13）上；所述角度传感器（12）是安装在摆杆（13）的转动轴上端，与摆杆（13）的转动轴、弹簧槽（15）的摆杆搭放孔保持同一条轴线；

所述控制系统（16）是安装在横向支架上方，由A/D单片机、GPRS模块及显示屏构成，用于输入指令、读取数据，实现横向摆杆式装置的明渠自动测流；

利用上述所述自动测流装置自动测流时，首先将两纵向支架放置在渠道两侧，调整螺纹底座的高度使得整个支架在横纵方向上均保持水平；调整支架位置使得传送装置中的滑轨紧贴渠道边壁；其次，打开位于横向支架下方的水位传感器（5），结合渠道尺寸测得当前水位，在控制系统（16）输入断面划分流层的尺寸及数量；第三，启动步进电机（6）使得螺纹丝杆（9）转动后，由控制系统中的A/D单片机向传送装置发出指令，控制摆杆系统在不同水位处进行多次测量；

当渠道通水后，摆杆（13）在水流冲击作用下摆动一角度，此时摆杆转动角度通过角度传感器（12）传输至控制系统；第四，根据理论计算及量纲分析得到摆杆转动角度与过水断面流速之间的数学关系式

，在控制系统中由A/D单片机将测得的角度转换成流速，并利用流速面积法计算过水断面流量，将最终数据直接传输至显示屏或者通过GPRS模块，利用无线远距离传输给计算机，进行实时在线观测和储存；

所述摆杆是圆柱形摆杆，其摆动角度是0-90°。

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