CN114739629B - 一种泥沙起动流速测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泥沙起动流速测量装置，包括泥沙起动感应部件和流速垂线分布测量部件；流速垂线分布测量部件的流速测量控制电路包括电磁铁控制电路和流速显示电路；电磁铁控制电路包括挡水板、弹簧线圈和铁芯；流速显示电路包括永久磁铁、弹簧、滑动变阻器和电流表。挡水板受到水流冲击时，压缩弹簧线圈后，环绕于铁芯的通电线圈数目增大，继而使电磁铁磁力增大，进而推动永久磁铁压缩弹簧，由此使滑动变阻器的接入电阻减小，对应支路的电流增大；由于流速测量杆上各个位置的流速不同，因而各个电流表显示的电流不同，如此便可将垂向各位置的流速以电信号的形式输出，从而可根据电流与流速的关系推算出泥沙起动流速。

Description

一种泥沙起动流速测量装置

技术领域

本发明涉及水沙运动监测技术领域，具体涉及一种泥沙起动流速测量装置。

背景技术

河床上静止的泥沙颗粒，随着水流强度的增强，到一定条件时会开始运动，这种现象称为泥沙起动。泥沙起动与水运工程中的许多问题密切相关。例如：在航道整治中，欲增加航深，最传统的办法是通过束窄河道来增大流速以冲走多余泥沙。为达到这一目的，我们首先就需要弄清床面泥沙由静止状态转变为运动状态的水流条件，即泥沙起动条件。泥沙起动条件一般用垂线平均流速来表示，称为起动流速。

目前有关泥沙起动流速的测量存在以下三大难点：

(1)由于泥沙起动是一种随机现象，这给确定泥沙起动的临界水流条件带了困难。究竟怎样判断泥沙是否起动，目前尚无统一的方法。在大多数情况下的做法是直接肉眼判断，当观察到床面有泥沙开始运动时，便认为该水流条件即为泥沙的临界起动条件。然而，不同人的判断标准是不可能完全一样的，这使其测量结果存在明显的个体差异。

(2)常规流速测量装置大多在一定时刻只能测量某一点或某一微小水柱的流速(这类流速测量装置属于“点式”型)，这是无法求得该时刻垂线平均流速的；如采用沿垂线同时布置多台“点式”型装置的做法来测量垂线平均流速，其测量结果又常常会因多台测量装置对水流的扰动太大或装置间的相互干扰而致使测量结果不准确；另外，测量装置台数多，其购置成本将增大，其实际测量中的装置布置、安装也会变得困难。

(3)难以在泥沙起动时刻迅速而同步地测得该时刻的垂线平均流速。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种泥沙起动流速测量装置，包括泥沙起动感应部件和流速垂线分布测量部件，其中

泥沙起动感应部件包括面光源控制电路、斜反射镜和光控开关响应电路，面光源控制电路的面光源用于向斜反射镜发射光，斜反射镜用于向光控开关响应电路的光控开关反射面光源发出的光线；

流速垂线分布测量部件包括支架组件和流速测量杆，支架组件用于支撑流速测量杆，流速测量杆包括杆体和多个流速测量控制电路，杆体上沿长度方向布设有若干空腔，若干空腔的开口朝向相同，每一个空腔内都安装有一个流速测量控制电路，流速测量控制电路包括电磁铁控制电路和流速显示电路，电磁铁控制电路包括挡水板、弹簧线圈和铁芯，铁芯固定设置，弹簧线圈绕设在铁芯上，弹簧线圈的一端固定、另一端连接挡水板，挡水板布设在空腔的开口处，弹簧线圈导通外部电源，流速显示电路包括永久磁铁、弹簧、滑动变阻器和电流表；滑动变阻器与电流表串联，并和外部电源导通；永久磁铁滑动设在空腔内，永久磁铁的磁极与弹簧线圈的磁极相对设置，弹簧的一端连接永久磁铁，弹簧的另一端连接空腔的内壁，滑动变阻器的滑片与永久磁铁固定连接。

可选的，面光源为矩形面光源，面光源发出的光线垂直于水流方向且与水平面平行。

可选的，斜反射镜包括第一镜面、玻砖和第二镜面，第一镜面和第二镜面平行设置玻砖的两端，第一镜面和第二镜面都与水平面呈45°夹角。

可选的，流速垂线分布测量部件还包括显示板，显示板垂直设置在第二镜面的一侧，显示板与第二镜面呈45°夹角。

可选的，多个电磁铁控制电路并联设置。

可选的，多个流速显示电路并联设置。

可选的，光控开关响应电路还包括指示灯和响应电源，光控开关、指示灯和响应电源依次串联。

可选的，光控开关响应电路还包括电控相机，电控相机与指示灯并联。

可选的，支架组件包括悬梁、活动平台、支架和活动套筒，悬梁水平布设，活动平台滑动安装在悬梁上，支架固定安装在活动平台上，活动套筒固定安装在支架上，流速测量杆插设在活动套筒内。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

当泥沙在水流作用下起动时，悬扬起的细沙会遮挡住面光源发射出来的部分光，致使斜反射镜向光控开关反射的光强减小，使光控开关闭合，及时响应泥沙起动。

当挡水板受到水流冲击时，挡水板将压缩弹簧线圈；弹簧线圈被压缩后，环绕于铁芯的通电线圈线密度将增大，即沿铁芯纵向单位长度的通电线圈数目增大，这将使弹簧线圈和铁芯组成的电磁铁产生的磁力增大。由于电磁铁的磁极方向和永久磁铁的磁极方向正好相对，因同极相斥，电磁铁产生的磁力将推动永久磁铁压缩弹簧，在此过程中，由于滑动变阻器的滑片与永久磁铁固定连接，滑片也随之移动，使滑动变阻器的接入电阻减小，电流表显示的电流增大；由于流速测量杆上各个位置的流速不同，因而流速测量杆上各个挡水板受到的水流冲击力不同，这使得各个电磁铁产生的磁力不同，继而各个永久磁铁受到的斥力不同、各个弹簧的压缩程度不同、各个滑动变阻器的接入电阻不同，进而各个电流表显示的电流不同，如此便将垂向各位置的流速以电信号的形式输出，从而可根据电流与流速的关系推算出泥沙起动流速。

附图说明

图1为本发明提供的泥沙起动流速测量装置的俯视图；

图2为本发明提供的泥沙起动感应部件的结构示意图；

图3为本发明提供的流速垂线分布测量部件的结构示意图；

图4为本发明提供的多个流速测量控制电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

结合图1至图4所示，本发明的实施例公开的一种泥沙起动流速测量装置包括流速垂线分布测量部件1和泥沙起动感应部件2。

其中，泥沙起动感应部件2包括面光源控制电路21、斜反射镜22和光控开关响应电路23。本实施例的面光源控制电路21的面光源用于向斜反射镜22发射光，面光源控制电路21包括依次电连接的面光源211、响应电源212、第一开关213和第一滑动变阻器214，通过调整第一滑动变阻器214的滑片可以调整面光源211发出的光线的强度。本实施例的面光源211为矩形面光源211，在使用时，面光源211布置在河床底部的一侧，面光源211发出的光线垂直于水流方向且与水平面平行。

进一步地，斜反射镜22用于向光控开关响应电路23的光控开关反射面光源211发出的光线；在使用时，斜反射镜22布置在河床底部的另一侧，与面光源211正对布置。具体来说，斜反射镜22包括第一镜面221、玻砖222和第二镜面223，第一镜面221和第二镜面223平行设置玻砖222的两端，第一镜面221和第二镜面223都与水平面呈45°夹角。那么第一镜面221就放置在河底，玻砖222竖直摆放，保证由面光源211水平射出的光线能够经第一镜面221反射之后垂直向上沿着玻砖222射到第二镜面223上，第二镜面223则将光线像外部水平反射出去，最终照射在光控开关响应电路23的光控开关上，本实施例的光控开关响应电路23包括依次串联的光控开关231、指示灯232、指示电源233和第二开关234，当光控开关231受到强光时处于断开状态，指示灯232不亮，当光控开关231受到的光较弱时则处于闭合状态，此时指示灯232亮。值得注意的是，本实施例的光控开关响应电路23还包括电控相机235，电控相机235与指示灯232并联。本实施例的泥沙起动感应部件2利用光学原理判断泥沙起动时刻，在光控开关响应电路23闭合后，先调节第一滑动变阻器214改变面光源控制电路21的电流强度，使矩形的面光源211位于床面以上的部分射出的、经斜反射镜22反射而投射到光控开关231上的光强刚好使光控开关231处于临界关闭状态，该光强为光控开关231处于断开状态的最小光强，一旦光强再变小，光控开关231就会变成闭合状态。泥沙起动后，其中的细颗粒会被水流扬起，这会使得近床面水体的含沙量增大、透光率减小，进而使得投射到光控开关231上的光强减小，投射到光控开关231上的光强减小将使光控开关231变成闭合状态，继而使光控开关响应电路23导通，指示灯232亮起显示泥沙已经起动。

更进一步的，本实施例的流速垂线分布测量部件1包括支架组件11和流速测量杆12，支架组件11用于支撑流速测量杆12，流速测量杆12包括杆体121和多个流速测量控制电路122，杆体121上沿长度方向布设有若干空腔123，若干空腔123的开口朝向相同，每一个空腔123内都安装有一个流速测量控制电路122，流速测量控制电路122包括电磁铁控制电路和流速显示电路，电磁铁控制电路包括挡水板122a、弹簧线圈122b和铁芯122c，铁芯122c固定设置，弹簧线圈122b绕设在铁芯122c上，弹簧线圈122b的一端固定、另一端连接挡水板122a，挡水板122a设置在空腔123的开口处，弹簧线圈122b和外部电源导通，流速显示电路包括永久磁铁122d、弹簧122e、第二滑动变阻器122f和电流表122g；第二滑动变阻器122f与电流表122g串联，并和外部电源导通；永久磁铁122d滑动布设在空腔123内，永久磁铁122d的磁极与弹簧122e的磁极相对设置，弹簧122e的一端连接永久磁铁122d，弹簧122e的另一端连接空腔123的内壁，第二滑动变阻器122f的滑片与永久磁铁122d固定连接。值得注意的是，多个电磁铁控制电路并联连接一个电磁控制电源，多个流速显示电路并联设置连接一个流速显示电源。

本实施例的流速测量控制电路122主要根据电磁学原理设计，其中电磁铁是较为重要的一个部件。在接通电磁铁控制电路后，由弹簧122e和铁芯122c组成的电磁铁将产生磁力。当挡水板122a受到水流冲击时，挡水板122a将压缩弹簧122e；弹簧122e被压缩后，环绕于铁芯122c的通电线圈线密度将增大，即沿铁芯122c纵向单位长度的通电线圈数目增大，这将使弹簧122e和铁芯122c组成的电磁铁产生的磁力增大。由于电磁铁的磁极方向和永久磁铁122d的磁极方向正好相对，因同极相斥，电磁铁产生的磁力将推动永久磁铁122d压缩弹簧122e，在此过程中，由于第二滑动变阻器122f的滑片与永久磁铁122d固定连接，滑片也随之移动，使第二滑动变阻器122f的接入电阻减小，电流表122g显示的电流将增大；由于流速测量杆12上各个位置的流速不同，因而流速测量杆12上各个挡水板122a受到的水流冲击力不同，这使得各个电磁铁产生的磁力不同，继而各个永久磁铁122d受到的斥力不同、各个弹簧122e的压缩程度不同、各个滑动变阻器的接入电阻不同，进而各个电流表122g显示的电流不同，如此便将垂向各位置的流速以电信号的形式输出，从而可根据电流与流速的关系推算出泥沙起动流速。值得注意的是，由于电流表122g时刻在变化，且电流表122g数量较多，因此需要借助电控相机235来进行拍摄记录电流表122g的读数。那么也即是，在泥沙起动后，光控开关231变成闭合状态，继而使电控相机235支路电路导通，电控相机235便被启动，通过拍照一并记录下该泥沙起动时刻各电流表122g的读数。而在电流表122g读数被记录后，借助已有流速测量仪器，如声学多普勒流速仪(ADV)率定出流速与电流表122g读数的关系，那么所记录的电流表122g读数就可根据所率定的关系换算出来，如此便得到该垂线的流速分布情况。

值得注意的是，每一个空腔123都通过吸排水孔道122h与外部连通，那么流速测量杆12中安装电磁铁的空腔123就不是密闭的，因而在实际测量时，安装有电磁铁的空腔123其内部会存有水。当挡水板122a因受水流冲击而压缩弹簧122e时，如没有吸排水孔道122h，那么空腔123内部的存水是会阻碍挡水板122a移动的，这是会严重影响流速测量精度的。另外，在流速测量过程中，当某一位置的流速减小时，挡水板122a受到的冲击力也将减小，那么弹簧122e将伸长，空腔123体积将增大，随之外部水体将通过吸排水孔道122h被吸入空腔123，在这种情况下，吸排水孔道122h的存在是有助于增强挡水板122a对流速变化感应灵敏度的。

进一步的，本实施例的支架组件11包括悬梁111、活动平台112、支架113和活动套筒114，悬梁111用于水平安装在河床上，活动平台112滑动安装在悬梁111上，支架113固定安装在活动平台112上，活动套筒114固定安装在支架113上，流速测量杆12插设在活动套筒114内。

在制作流速测量杆12时，还需记录各个电流表122g所在支路具体对应哪一垂向位置与该垂向位置距流速测量杆12底端的距离，这样在读得流速电信号的同时实际上也知道各流速电信号对应垂向位置距流速测量杆12件底端的距离了。那么，当流速测量杆12底端刚好触及床面时，各流速电信号对应垂向位置距流速测量杆12底端的距离便等于各流速电信号对应垂向位置距床面的距离。在各垂向位置流速及各位置距床面的距离已知的情况下，对流速沿垂向数值积分再除以水深便算得该垂线的垂线平均流速。其中相应于水面处的电流表122g所标记的对应测点距流速测量杆12件底端的距离即为水深。至于哪一个电流表122g与水面处的测点相对应？这可根据电流表122g的读数加以判断。流速测量杆12件位于水面以上的部分其挡水板122a不受水流的冲击，其对应支路的电阻恒为最大，因此与水面以上测点相对应的电流表122g其读数相等且为最小。换句话说，只要找出那些依次相邻、读数相等、读数最小的电流表122g中其所对应的测点距流速测量杆12件底端距离最小的那个即为刚出水面处的测点相对应的电流表122g，而它所标记的对应测点距流速测量杆12件底端的距离即为水深。

更进一步地，本实施例的流速垂线分布测量部件1还包括显示板13和流速测量杆底端位置显示电路14，显示板13垂直设置在第二镜面223的一侧，显示板13与第二镜面223呈45°夹角。显示板13用于显示流速测量杆12是的底端距床面的距离；流速测量杆底端位置显示电路14与面光源控制电路21结构相同，也具有一个面光源211。那么，底部位置显示的具体原理如下：在闭合流速测量杆底端位置显示电路14后，面光源211位于床面以上的部分射出的光线将经斜反射镜22反射而投影到显示板13上形成一明亮的光照区。该明亮光照区左右边缘和上边缘平整，但下边缘凹凸曲折，其中下边缘的凹凸曲折反映的实际是床面的投影。当将流速测量杆12安装于活动平台112的支架113上时，如流速测量杆12件的底端深入矩形面光源211在床面以上的光照区便会遮挡一部分光线，如此屏幕上就会出现一阴影区，与未安装流速测量杆12件以前屏幕上明亮的光照区相比，此时屏幕上的光照区中部会发生凹陷。当调整流速测量杆12的垂向安装位置使屏幕上阴影区的下边缘与光照区凹凸曲折的下边缘大致接触时，流速测量杆12件底端便大致触及床面了。这可以保证在有水的情况下也能将流速测量杆12件安装成底端刚好触及床面的状态。当流速测量杆12底端刚好触及床面时，各流速电信号对应垂向位置距流速测量杆12件底端的距离便等于各流速电信号所对应的垂向位置距床面的距离了。在同时知道各垂向位置流速及各位置距床面的距离的情况下，是易于计算出相应的垂线平均流速的。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种泥沙起动流速测量装置，其特征在于，包括泥沙起动感应部件和流速垂线分布测量部件，其中

所述泥沙起动感应部件包括面光源控制电路、斜反射镜和光控开关响应电路，所述面光源控制电路的面光源用于向所述斜反射镜发射光，所述斜反射镜用于向所述光控开关响应电路的光控开关反射所述面光源发出的光线；

所述流速垂线分布测量部件包括支架组件和流速测量杆，所述支架组件用于支撑所述流速测量杆，所述流速测量杆包括杆体和多个流速测量控制电路，所述杆体上沿长度方向密布有若干空腔，若干所述空腔的开口朝向相同，每一个所述空腔内都安装有一个所述流速测量控制电路，所述流速测量控制电路包括电磁铁控制电路和流速显示电路，所述电磁铁控制电路包括挡水板、弹簧线圈和铁芯，所述铁芯固定设置，所述弹簧线圈绕设在所述铁芯上，所述弹簧线圈的一端固定、另一端连接所述挡水板，所述挡水板布设在所述空腔的开口处，所述弹簧线圈用于和外部电源导通，所述流速显示电路包括永久磁铁、弹簧、滑动变阻器和电流表；所述滑动变阻器与所述电流表串联，并和外部电源导通；所述永久磁铁滑动布设在所述空腔内，所述永久磁铁的磁极与所述弹簧线圈的磁极相对设置，所述弹簧的一端连接所述永久磁铁，所述弹簧的另一端连接所述空腔的内壁，所述滑动变阻器的滑片与所述永久磁铁固定连接。

2.根据权利要求1所述泥沙起动流速测量装置，其特征在于，所述面光源为矩形面光源，所述面光源发出的光线垂直于水流方向且与水平面平行。

3.根据权利要求2所述泥沙起动流速测量装置，其特征在于，所述斜反射镜包括第一镜面、玻砖和第二镜面，所述第一镜面和所述第二镜面平行设置于所述玻砖的两端，所述第一镜面和所述第二镜面都与水平面呈45°夹角。

4.根据权利要求3所述泥沙起动流速测量装置，其特征在于，所述流速垂线分布测量部件还包括显示板，所述显示板垂直布设在所述第二镜面的一侧，所述显示板与所述第二镜面呈45°夹角。

5.根据权利要求1所述泥沙起动流速测量装置，其特征在于，多个所述电磁铁控制电路并联设置。

6.根据权利要求1所述泥沙起动流速测量装置，其特征在于，多个所述流速显示电路并联设置。

7.根据权利要求1所述泥沙起动流速测量装置，其特征在于，所述光控开关响应电路还包括指示灯和响应电源，所述光控开关、所述指示灯和所述响应电源依次串联。

8.根据权利要求7所述泥沙起动流速测量装置，其特征在于，所述光控开关响应电路还包括电控相机，所述电控相机与所述指示灯并联。

9.根据权利要求1所述泥沙起动流速测量装置，其特征在于，所述支架组件包括悬梁、活动平台、支架和活动套筒，所述悬梁水平布设，所述活动平台滑动安装在所述悬梁上，所述支架固定安装在所述活动平台上，所述活动套筒固定安装在所述支架上，所述流速测量杆插设在所述活动套筒内。

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