CN114791313B - 一种用于探测淤积的明渠水位计及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于探测淤积的明渠水位计及其探测方法，属于渠道探测技术领域，解决了现有技术中渠道积淤后的淤积厚度难以探测的问题。本发明的明渠水位计包括：测桥、驱动电机、探测管、传感器支架、位移传感器、浸水传感器和触板；所述测桥架设在渠道上方，作为所述明渠水位计的支撑；所述驱动电机用于带动所述探测管位移；所述传感器支架设置在所述探测管的内部，所述触板固定安装在所述传感器支架的下端；所述浸水传感器安装在所述触板上；所述浸水传感器用于探测水面位置；所述位移传感器用于监测所述探测管的位移量。本发明通过监测探测管的行程，间接获得真实水位和淤泥厚度。

Description

一种用于探测淤积的明渠水位计及其探测方法

技术领域

本发明涉及渠道探测技术领域，尤其涉及一种用于探测淤积的明渠水位计及其探测方法。

背景技术

在我国，大中型灌区的骨干渠道多为土质渠道，淤积是这类渠道的普遍现象。在长期运行过程中，岩坡水土流失和输水中夹带泥沙的沉积是造成渠道淤积的主要因素。淤积使渠道抬高、过水断面减小，久而久之，渠道的过水能力也不断受到限制，工程效益不能充分发挥。因此，定期进行渠道清淤是管理范围的一项常见工作。渠道清淤前，渠底淤积土方量的测量、计算是一项不可少的技术性工作，为领导决策、清淤工程的造价等 提供必要的依据。

但是，传统的大型渠道的淤积测量方法比较复杂，耗费人力、财力和时间都比较多。渠道在非运用期，渠内往往又存在一定量的水不容易排干，给测量工作造成一定困难，甚至是不能施测。由于受渠道宽度比较窄、淤积厚度、测量设备以水准仪和标尺为主等因素限制，还存在作业效率不高、人为误差控制困难等问题，造成不同单位、不同人员在渠道淤积测量时标准不统一、方法不一致、测量结果差别较大等问题。

渠道淤积是一种自然现象。虽然灌区每年都组织大规模的清淤活动，但小的渠道淤积问题总是不能根除。由于渠道的淤积，使得渠道过水能力严重下降，尤其是村砌渠道下降更为严重，也给灌溉配水结算带来了困难，使供水单位与用户常常出现矛盾。

因此，需要提供一种可以测得渠道淤积深度的方法，有效的解决了因为人工作业造成的误差，精准探测淤积的深度，也减轻了对人力、物力、财力的投入。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于探测淤积的明渠水位计及其探测方法，用以解决现有渠道积淤清除前探测淤泥厚度困难的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种用于探测淤积的明渠水位计，包括：测桥、驱动电机、探测管、传感器支架、位移传感器、浸水传感器和触板；所述测桥架设在渠道上方，作为所述明渠水位计的支撑；所述驱动电机用于带动所述探测管位移；所述传感器支架和弹簧设置在所述探测管的内部，所述弹簧设置在探测管内部的顶端，所述传感器支架设置在所述弹簧的下方，且局部套设在弹簧内部；所述传感器支架的外侧设置第一限位块；所述弹簧一端抵在所述第一限位块的上表面，另一端抵在所述探测管的顶端；所述触板固定安装在所述传感器支架的下端；所述浸水传感器安装在所述触板上；所述浸水传感器用于探测水面位置；所述位移传感器用于监测所述探测管的位移量。

进一步地，所述探测管的内部顶端设置行程开关。

进一步地，所述传感器支架为U形结构。

进一步地，所述驱动电机通过传动机构带动所述探测管上下位移。

所述传动机构包括：减速链轮、从动链轮、传动链条和连接块；减速链轮通过驱动电机带动旋转；传动链条套设在减速链轮和从动链轮外部；传动链条上固定安装连接块，且连接块与探测管固定连接。

减速链轮包括：链轮和齿圈；链轮和齿圈同轴线并列设置且为一体结构；驱动电机的电机输出轴的末端固定安装小齿轮；所述小齿轮与齿圈啮合；所述链轮外部设置传动链条。

进一步地，所述探测管的内侧设置第二限位块。

进一步地，所述第二限位块设置在所述第一限位块的下方，且部分重叠；所述第二限位块能够限制所述第一限位块向下位移。

所述驱动电机带动所述减速链轮旋转时，所述减速链轮带动传动链条运动，同时所述连接块作直线运动；所述连接块作直线运动时，所述探测管在竖直方向上直线位移。

所述驱动电机的电机输出轴输出旋转运动时，所述小齿轮与齿圈啮合传动，带动所述齿圈旋转，即带动减速链轮降速旋转，进而通过减速链轮带动连接块缓慢进行直线位移。

进一步地，还包括处理器；所述处理器用于接收所述行程开关、位移传感器、浸水传感器发出的信号，以及控制驱动电机的启停。

一种用于探测淤积的明渠水位计的探测方法，采用所述的明渠水位计探测渠底淤积的厚度，包括以下步骤：

步骤S1：所述驱动电机带动所述探测管下移；

步骤S2：所述位移传感器实时监测所述探测管的位移量；

步骤S3：所述位移传感器测得触板与水面接触时以及触板与淤泥接触时探测管的行程；清除渠底淤泥，测得触板与渠道底板接触时探测管的行程；

步骤S4：计算得到渠道内的实际水位深度以及渠底淤泥的厚度。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

1.本发明的明渠水位计，通过浸水传感器探测水面位置，通过行程开关和位移传感器确定淤积高度，进而通过测算能够得出渠道内的真实水位和淤积厚度。

2.本发明的明渠水位计，通过设置弹簧和行程开关，在触板接触渠底淤积无法继续下移使，传感器支架能够压缩弹簧，进而触发行程开关，行程开关能够控制驱动电机停止驱动，进而记录探测管的位移行程，能够得出淤积表面的深度。

3.本发明的明渠水位计，驱动电机通过传动机构带动探测管下移，传动机构由一组齿轮齿圈机构和一组链轮传动机构组合而成，通过小齿轮与齿圈啮合传递驱动电机输出的动力，同时能够实现对电机转速的减速，实现探测管的缓慢下降，避免冲击力过大损坏浸水传感器。

4.本发明的明渠水位计，通过链轮传动机构的传动链条带动探测管在竖直方向上上下移动，当探测管触底时，传动链条能够缓冲探测管作用到传动机构的反作用力，有利于维持本发明的明渠水位计的结构稳定性和延长使用寿命。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；

图1为本发明的用于探测淤积的明渠水位计探测原理示意图；

图2为本发明的用于探测淤积的明渠水位计的传动系统示意图；

图3为本发明的用于探测淤积的明渠水位计的传动系统的减速链轮结构示意图；

图4为本发明的用于探测淤积的明渠水位计的探测管结构示意图；

图5为探测管内部的探针触碰行程开关时的状态。

附图标记：

1-测桥；2-驱动电机；3-探测管；4-传感器支架；5-弹簧；6-处理器；7-行程开关；8-位移传感器；9-浸水传感器；10-触板；11-第一限位块；12-第二限位块；13-减速链轮；14-从动链轮；15-传动链条；16-连接块；

201-电机输出轴；202-小齿轮；

131-链轮；132-齿圈。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种用于探测淤积的明渠水位计，包括：测桥1、驱动电机2、探测管3、传感器支架4、位移传感器8、浸水传感器9和触板10；测桥1架设在渠道上方，作为明渠水位计的支撑；驱动电机2用于带动探测管3位移；传感器支架4设置在探测管3的内部，触板10固定安装在传感器支架4的下端；浸水传感器9安装在触板10上；浸水传感器9用于探测水面位置；位移传感器8用于监测探测管3的位移量。

本发明的一种具体实施方式中，如图2所示，传感器支架4与探测管3之间设置弹簧5；弹簧5设置在探测管3内部且套设在传感器支架4的外部。

进一步地，探测管3的内部顶端设置行程开关7。

进一步地，如图2所示，传感器支架4为U形结构。使用时，底部的触板10与传感器支架4固定为一体，触板10触底后，探测管3下移则会压缩弹簧5，传感器支架4相对于探测管3上移，直至传感器支架4与行程开关7接触，行程开关7发出触底信号，进而通过处理器6控制驱动电机2停止运行。

本发明中，触板10的作用是保护浸水传感器9的探针探头，同时能够增加水位计与淤泥的接触面积，避免由于水位计底部陷入淤泥内而造成的探测误差，提高了探测的精准度。

本发明的一种具体实施方式中，如图4、图5所示，传感器支架4的外侧设置第一限位块11，探测管3的内侧设置第二限位块12。进一步地，如图4所示，第一限位块11设置在第二限位块12的上方，且部分重叠；第二限位块12能够限制第一限位块11向下位移。

进一步地，如图5所示，弹簧5一端抵在第一限位块11的上表面，另一端抵在探测管3的顶端。本发明通过设置弹簧5，能够缓冲触板10触底时的冲击力，用于保护触板10和浸水传感器9。

触板10触底后，探测管3相对于传感器支架4下移，传感器支架4相对于探测管3上移，传感器支架4上的第一限位块11相对于第二限位块12上移，同时压缩弹簧5。当弹簧5达到最大压缩量时，传感器支架4与探测管3内部顶端的行程开关7接触，并触发行程开关7使其向处理器6发射触底信号。

1）本发明的一种具体实施方式中，驱动电机2为直线电机，能够输出直线位移，驱动电机2与探测管3固定连接，带动探测管3竖直方向直线位移。

2）本发明的另外一种具体实施方式中，驱动电机2通过传动机构带动探测管3上下位移。

进一步地，如图2所示，传动机构包括：减速链轮13、从动链轮14、传动链条15和连接块16；减速链轮13在驱动电机2的驱动下旋转；传动链条15套设在减速链轮13和从动链轮14外部，从动链轮14通过传动链条15带动旋转；传动链条15上固定安装连接块16，且连接块16与探测管3固定连接。

实施时，驱动电机2带动减速链轮13旋转时，减速链轮13带动从动链轮14和传动链条15运动，同时连接块16作直线运动；连接块16作直线运动时，连接块16带动探测管3在竖直方向上直线位移。

进一步地，如图3所示，减速链轮13包括：链轮131和齿圈132；链轮131和齿圈132同轴线并列设置且固定为一体。

具体地，链轮131和齿圈132同轴线设置，即链轮131和齿圈132的旋转轴为同一直线。

具体地，链轮131和齿圈132并列设置且为一体结构；即链轮131和齿圈132并列焊接为一体或者为一体成型的一个零件。

驱动电机2的电机输出轴201的末端固定安装小齿轮202；小齿轮202与齿圈132啮合；驱动电机2的电机输出轴201输出旋转运动时，小齿轮202同步电机输出轴201转动。进一步，小齿轮202与齿圈132啮合传动，带动齿圈132旋转，由于小齿轮202直径小于齿圈132的直径，因此齿圈132的转速小于驱动电机2输出的转速，小齿轮202带动减速链轮13降速旋转，进而通过减速链轮13带动连接块16缓慢进行直线位移。

本发明通过对驱动电机2输出的转速进行降速，进而降低了探测管3的位移速度，保障了探测过程的平缓，避免水位计部件受冲击损坏。同时，本发明通过在减速链轮13上设置齿圈132，进行降速传动，结构紧凑，避免了传动机构尺寸过大，便于安装和移动。

进一步地，还包括处理器6；处理器6用于接收行程开关7、位移传感器8、浸水传感器9发出的信号，以及控制驱动电机2的启停。

具体地，触板10上安装有两个浸水传感器9；且浸水传感器9的末端探针凸出于触板10的下表面。浸水传感器9与水面接触时，两个浸水传感器9的探针形成通电回路，能够向处理器6发出浸水信号，进而处理器6获取此时位移传感器8监测到的探测管3的位移量，即可得出浸水传感器9初始位置距离水面的高度h1。

具体地，当触板10接触淤积时，受淤积阻挡无法继续下移，此时，驱动电机2控制探测管3继续下移，探测管3和传感器支架4压缩弹簧5，传感器支架4与行程开关7接触时，处理器6能够接收到行程开关7发出的触底信号，同时获取位移传感器8探测到的探测管3的位移量，进而控制驱动电机2停止运行。

本发明的明渠水位计，通过行程开关7向处理器6发送信号进而控制驱动电机2停止驱动探测管3下移，实现了通过行程开关7限制浸水传感器9和触板10的运动位置和行程。本发明在实现了对淤积位置的探测的前提下，避免了触底后强制下移导致传感器损坏，实现了即时保护功能。

本发明的弹簧5用于实现触板10触底后的冲击缓冲，行程开关7用于实现弹簧5压缩后对探测管3的行程的限制，弹簧5和行程开关7实现了对水位计的二级行程保护，通过弹簧5缓冲实现一级保护，通过行程开关7限位实现了二级保护，确保了水位计的工作稳定性和安全性。

实施时：

在待测点合适位置安装测桥1。在测桥1上安装本发明的明渠水位计。

首先，测得原始位置时触板10的底部距离渠道底部的距离H。在驱动电机的驱动下，探测管3和触板10开始向下行进，当浸水传感器9首次接触水面时，形成电流回路，此时处理器6接收到浸水传感器9的电通信号，同时记录位移传感器8的数值h1，h1为水位计初始位置与水面的间距。

进一步，触板10继续向下行进，当接触到淤泥时，阻力增大，触板10和浸水传感器9无法继续行并进压缩弹簧5；当传感器支架4触碰到行程开关7时，处理器6接收到触底信号，同时记录位移传感器8监测到的水位计的初始位置与淤泥的间距数值h2，具体地，h2为探测管3的实际下降行程h2’减去弹簧5的最大压缩量△s获得。已知弹簧5的最大压缩量为△s；△s为初始状态时传感器支架4的顶端与行程开关7的间距。在水位计设计之初即可确定，无须再测试即可获得。

进一步，对渠底淤泥进行局部清理，清理后，测得浸水传感器9的原始位置距离渠道底部的距离H。

本实施例通过探针法探测水位以及淤积厚度，有效解决了现有的利用传统设备或人工测量造成的误差较大的问题。提高了测量数据的准确性，减少了测量误差，有效解决了用水量的分配问题，软化了供水单位与用户之间的矛盾，减少了人力投入以及财力投入。解决了渠底淤积厚度难以测量的问题，同时为清淤工作提供了重要数据支撑。

实施例2

一种用于探测淤积的明渠水位计的探测方法，采用实施例1的明渠水位计探测渠底淤积的厚度，包括以下步骤：

步骤S1：驱动电机2带动探测管3下移；

步骤S2：位移传感器8实时监测探测管3的位移量；

步骤S3：位移传感器8测得触板10与水面接触时以及触板10与淤泥接触时探测管3的行程；清除渠底淤泥，测得触板10与渠道底板接触时探测管3的行程。

步骤S4：计算得到渠道内的实际水位深度h=h2-h1；计算可得到渠底淤泥的厚度h3=H-h2。

优选地，驱动电机2通过传动机构带动探测管3下移；具体地，驱动电机2带动探测管3位移的过程为：

步骤S11：驱动电机2输出旋转运动，电机输出轴201带动小齿轮202旋转。

步骤S12：小齿轮202与齿圈132啮合传动，小齿轮202带动齿圈132旋转，且齿圈132的转速小于小齿轮202的转速；链轮131同步齿圈132转动。

步骤S13：链轮131带动从动链轮14和传动链条15运动，传动链条15能够带动连接块16上下运动；探测管3与连接块16固定连接，且探测管3同步连接块16沿竖直方向上下移动。

进一步地，步骤S3包括：

步骤S31：浸水传感器9与水面接触时，浸水传感器9向处理器6发出浸水信号，位移传感器8记录下此时探测管3的行程h1。

具体地，浸水传感器9与水面接触时，两个浸水传感器9之间形成通电回路，浸水传感器9向处理器6发出浸水信号。

由于，浸水传感器9与水面接触时，弹簧5仍处于未压缩状态，因此，浸水传感器9与水面接触时，位移传感器8监测到的探测管3的形程h1即为触板10/浸水传感器9的初始位置与水面之间的距离。

步骤S32：

驱动电机2继续带动探测管3下移；触板10继续下移，传感器支架4触碰行程开关7时，位移传感器8测得触板10与淤泥接触时探测管3的行程h2’。

具体地，触板10与淤积接触时，触板10受阻无法继续下移，同时传感器支架4保持不动；探测管3继续下移，并压缩弹簧5，直至传感器支架4的顶端与行程开关7接触，此时弹簧5的最大压缩量为Δs；传感器支架4与行程开关7接触时，行程开关7向处理器6发出触底信号；处理器6接收到行程开关7的触底信号后，停止驱动电机2的转速输出，同时通过位移传感器8获取触板10与淤泥接触时探测管3的行程h2’。

计算得到浸水传感器9的原始位置距离淤积上表面的距离为h2，h2=h2’-Δs；Δs为弹簧5的最大压缩量。

步骤S33：清除触板10下方淤泥后，重新启动驱动电机2，并通过驱动电机2带动探测管3继续下移；触板10与渠道底板接触时，测得浸水传感器9的原始位置距离渠道底板的距离H。

具体地，探测管3和触板10继续下移，直至触板10与渠道底板接触并且传感器支架4再次接触行程开关7时，通过位移传感器8测得此时探测管3的行程H’，则触板10与浸水传感器9的初始位置距离渠道底板的距离为H，H=H’-△s。

进一步地，步骤S4中，通过以下计算公式即可得出水位△h、淤泥深度h3以及渠道内减去淤泥深度的真实水位h：

△h=H-h1；

h3=H-h2；

h=h2-h1；

如图1所示，其中：

△h——含淤泥的水位高度；

H——触板10的原始位置底部距渠道底部的距离；

h——减去淤泥深度h3的真实水位高度；

h1——触板10的原始位置底部到水面的距离；

h2——触板10的原始位置距离淤泥上表面的距离；

h3——淤泥的深度。

具体地，触板10接触渠底时，位移传感器8监测到的探测管3的行程为h2’；H=h2’-△s，即触板10的原始位置底部距渠道底部的距离H为触板10接触渠底时的行程h2’与弹簧5的最大压缩量△s之差。

具体地，触板10接触淤泥上表面时，位移传感器8监测到的探测管3的行程为好h2’；h2=h2’-△s，即触板10的原始位置距离渠道底部淤泥的距离h2为位移传感器8监测到的探测管3的行程h2’与弹簧5的最大压缩量△s之差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于探测淤积的明渠水位计，其特征在于，包括：测桥（1）、驱动电机（2）、探测管（3）、传感器支架（4）、位移传感器（8）、浸水传感器（9）和触板（10）；所述测桥（1）架设在渠道上方，作为所述明渠水位计的支撑；所述驱动电机（2）用于带动所述探测管（3）位移；所述传感器支架（4）和弹簧（5）设置在所述探测管（3）的内部，所述弹簧（5）设置在探测管（3）内部的顶端，所述传感器支架（4）设置在所述弹簧（5）的下方，且局部套设在弹簧（5）内部；所述传感器支架（4）的外侧设置第一限位块（11）；所述弹簧（5）一端抵在所述第一限位块（11）的上表面，另一端抵在所述探测管（3）的顶端；所述触板（10）固定安装在所述传感器支架（4）的下端；所述浸水传感器（9）安装在所述触板（10）上；所述浸水传感器（9）用于探测水面位置；所述位移传感器（8）用于监测所述探测管（3）的位移量；

所述探测管（3）的内部顶端设置行程开关（7）；

所述传感器支架（4）为U形结构；

所述驱动电机（2）通过传动机构带动探测管（3）上下位移；

所述探测管（3）的内侧设置第二限位块（12）；

所述第二限位块（12）设置在所述第一限位块（11）的下方，且部分重叠；所述第二限位块（12）能够限制所述第一限位块（11）向下位移；

还包括处理器（6）；所述处理器（6）用于接收所述行程开关（7）、位移传感器（8）、浸水传感器（9）发出的信号以及控制驱动电机（2）的启停。

2.根据权利要求1所述的用于探测淤积的明渠水位计，其特征在于，所述传动机构包括：减速链轮（13）、从动链轮（14）、传动链条（15）和连接块（16）；减速链轮（13）通过驱动电机（2）带动旋转；传动链条（15）套设在减速链轮（13）和从动链轮（14）外部；传动链条（15）上固定安装连接块（16），且连接块（16）与探测管（3）固定连接。

3.根据权利要求2所述的用于探测淤积的明渠水位计，其特征在于，减速链轮（13）包括：链轮（131）和齿圈（132）；链轮（131）和齿圈（132）同轴线并列设置且为一体结构；驱动电机（2）的电机输出轴（201）的末端固定安装小齿轮（202）；所述小齿轮（202）与齿圈（132）啮合；所述链轮（131）外部设置传动链条（15）。

4.一种用于探测淤积的明渠水位计的探测方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的明渠水位计探测渠底淤积的厚度，包括以下步骤：

步骤S1：所述驱动电机（2）带动所述探测管（3）下移；

步骤S2：所述位移传感器（8）实时监测所述探测管（3）的位移量；

步骤S3：所述位移传感器（8）测得触板（10）与水面接触时以及触板（10）与淤泥接触时探测管（3）的行程；清除渠底淤泥，测得触板（10）与渠道底板接触时探测管（3）的行程；

步骤S4：计算得到渠道内的实际水位深度以及渠底淤泥的厚度。

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