CN114812518B - 一种航道水深与近水面流速测量装置 - Google Patents

一种航道水深与近水面流速测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种航道水深与近水面流速测量装置，包括水深光电定位部件、遮光套筒垂向位置调控部件和水面流速测量部件。激光灯发出光线使光电板产生电流进而使指示灯发光，由于各光电板距离光电板安放筒底端的距离是一定的，故而只需找出发光的指示灯距光电板安放筒底端距离的最大值和最小值并求出其差值则近似等于水深；遮光套筒垂向位置调整部件可以保证遮光套筒的底部始终与水面平齐，能够始终遮挡住水面以上的光线，从而保证水面以上的指示灯不发光；在两根导电升降杆接入各支路的实际导电部分长度不同的情况下，两支路的电流大小不相等，如此便将航道近水面流速转换成电信号，在读取电流值后进行一定的换算便可得到流速值。

Description

一种航道水深与近水面流速测量装置
技术领域
本发明涉及航道水力参数监测技术领域，具体涉及一种航道水深与近水面流速测量装置。
背景技术
航运是以船舶为运输工具，在江河、湖泊、水库等水域沿一定航线载运货物的运输方式。与陆运和空运相比，航运具有运量大、能耗少、成本低等许多优势，因而其在交通运输体系中无可替代。在船舶航行过程中，航道水深和近水面流速对通航安全影响最大。若航道水深不足，行船就有搁浅、触礁之险；若近水面流速过大，下行船舶易因舵效难以发挥而变得操控困难，上行船舶易因推力不足而难以前行，由此引发更多通航事故。受地质运动、气象活动、人类生产等随机因素的影响，天然河道的来水来沙情况是不断变化的，这使得内河航道水深和近水面流速也具有明显的变动性。为保证船舶通航安全，及时监测航道水深和近水面流速是必不可少的。目前，为获取目标航道水深和近水面流速数据，很多情况下还是要求测量人员携带水深、流速测量仪器定时奔赴实地，该做法存在以下不足：
(1)人工测量人力物力消耗大；
(2)人工测量不能保证数据获取的及时性；
(3)航道水深和近水面流速的测量不能同步进行；
(4)人工测量测得的只是测量时刻的数据，无法了解航道水深和近水面流速在一段时间的变化情况。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种航道水深与近水面流速测量装置，包括水深光电定位部件、遮光套筒垂向位置调控部件和水面流速测量部件，其中
水深光电定位部件包括若干激光灯、若干光电板、若干指示灯和遮光套筒，若干激光灯从上至下依次布置，若干光电板与若干激光灯一一对应地正对布置，每一个光电板都串联一个指示灯；
遮光套筒垂向位置调控部件包括第一浮球、升降杆、连杆、固定支座和绝缘绳，升降杆的一端固定连接第一浮球，升降杆的另一端固定连接绝缘绳的一端，绝缘绳的另一端固定连接遮光套筒，固定支座固定设置，连杆一端固定连接固定支座，连杆的另一端开设有滑孔，升降杆滑动插设在滑孔内；
水面流速测量部件包括第一玻璃管、第二玻璃管、第二浮球、第三浮球、两根导电升降杆、两个导电套筒、连接杆、两根固定杆、两个电流表和电源，第一玻璃管和第二玻璃管都竖直布置，且分别通过两根固定杆固定连接遮光套筒；第一玻璃管的下端弯曲90°圆弧；第二浮球位于第一玻璃管内，第三浮球位于第二玻璃管内，连接杆固定设置，连接杆的两端分别固定连接两个导电套筒，一个导电升降杆的一端固定连接第二浮球，一个导电升降杆的另一端滑动插设在一个导电套筒内，另一个导电升降杆的一端固定连接第三浮球，另一个导电升降杆的另一端滑动插设在另一个导电套筒内，一个导电升降杆的另一端、一个电流表、电源和一个导电套筒串联，另一个导电升降杆的另一端、另一个电流表、电源和另一个导电套筒串联。
可选的，水深光电定位部件还包括光电板安放筒，光电板安放筒竖直放置，光电板安放筒上从上至下依次开设有若干光电孔，若干光电板一一对应地安装在若干光电孔内，指示灯布置在光电板安放筒的外部，电流表与光电板的导线穿过光电板安放筒的内部。
可选的，水深光电定位部件还包括激光灯安放筒，激光灯安放筒竖直放置，激光灯安放筒上从上至下依次开设有若干激光孔，若干激光灯一一对应地安装在若干激光孔内，激光灯安放筒外部滑动套设着遮光套筒。
可选的，光电板安放筒和激光灯安放筒的下部通过连杆固定连接。
可选的，若干激光灯并联于电源。
可选的，水深光电定位部件还包括录像机，录像机串联电源，录像机朝向若干指示灯；若干相并联的激光灯与录像机也并联。
可选的，遮光套筒垂向位置调控部件还包括水位监测筒，水位监测筒分为前半筒身和后半筒身，后半筒身开设有若干进出水孔，第一浮球放置在水位监测筒内，固定支座安装在水位监测筒的上端。
可选的，遮光套筒垂向位置调控部件还包括滑轮组，滑轮组固定设置，绝缘绳绕设在滑轮组上。
可选的，第二玻璃管的下端开口小于第三浮球的直径。
可选的，若干光电板的间隔都相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)在使用时，所有激光灯都将发出光线，但床面以下和水面以上的激光灯所发出的光线会因泥沙或遮光套筒的隔挡而无法直射到与其正对的光电板上，这使得与之正对的光电板不产生电流，继而与其相连的指示灯便不会发光；当床面以上和水面以下的激光灯所发出的光线照射到与其正对的光电板上时，光电板将吸收光能并产生电流，继而使与其串联的指示灯发光，由于各光电板距离光电板安放筒底端的距离是一定的，故而只需找出与发光的指示灯所对应的光电板距光电板安放筒底端的距离的最大值和最小值，求出它们的差值则近似等于水深；
(2)当测量水面流速时，第二玻璃管中的液面会与航道水面齐平，但是第一玻璃管因水流动能转化为重力势能导致其内部的液面会升高，这使得两个导电升降杆接入各支路的实际导电部分长度不同，即电阻不同；在并联电路电压相等的情况下，两支路的电流大小不相等，如此便将航道近水面流速以电信号的形式输出了，在读取两支路的电流值后，基于伯努利方程进行一定的换算便可得到流速值。
附图说明
图1为本发明提供的航道水深与近水面流速测量装置的结构示意图。
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做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所示，本发明的实施例公开的一种航道水深与近水面流速测量装置，包括水深光电定位部件1、遮光套筒垂向位置调控部件2和水面流速测量部件3。
进一步地，本实施例的水深光电定位部件1包括若干激光灯11、若干光电板12、若干指示灯13、遮光套筒14、光电板安放筒15、激光灯安放筒16和录像机17，若干激光灯11从上至下依次布置，遮光套筒14可滑动套设在激光灯安放筒16外部，若干光电板12与若干激光灯11一一对应地正对布置，每一个光电板12都串联一个指示灯13。值得注意的是，本实施例的光电板安放筒15竖直放置，光电板安放筒15上从上至下依次开设有若干光电孔，若干光电板12一一对应地安装在若干光电孔内，若干光电板12的间隔都相同；指示灯13布置在光电板安放筒15的外部，电流表与光电板12的导线穿过光电板安放筒15的内部。而激光灯安放筒16则竖直放置，激光灯安放筒16上从上至下依次开设有若干激光孔，若干激光灯11一一对应地安装在若干激光孔内。
更进一步地，本实施例的光电板安放筒15和激光灯安放筒16的下部通过连杆固定连接，若干激光灯11并联于电源。录像机17串联于电源，录像机17朝向若干指示灯13；若干相并联的激光灯11与录像机17也并联。值得注意的是，本实施例的激光灯11和录像机17相并联后所连接的电源为水面流速测量部件3的电源，当然根据实需要也可以设置独立的电源或者连接外部电源。
在使用时，所有激光灯11都将发出光线，但床面以下和水面以上的激光灯11所发出的光线会因泥沙或遮光套筒14的隔挡而无法直射到与其正对的光电板12上，这使得与之正对的光电板12不产生电流，继而与其相连的指示灯13便不会发光；当床面以上和水面以下的激光灯11所发出的光线照射到与其正对的光电板12上时，光电板12将吸收光能并产生电流，继而使与其串联的指示灯13发光，由于各光电板12距离光电板安放筒15底端的距离是一定的，如此只需找出与发光的指示灯13所对应的光电板12距光电板安放筒15底端的距离的最大值和最小值，求出它们的差值则近似等于水深。受地质运动、气象活动、人类生产等随机因素的影响，天然河道的来水来沙情况是不断变化的，这使得航道一定位置的水深也是不断变化的。当上游来流量增大或河床发生冲刷时，水深将增大；当上游来流量减小或航道发生淤积冲时，水深将减小。在将该水深测量单元安装于航道待测位置、将指示灯13连接至监测室后，监测人员便可及时知晓所测位置任意时刻的水深了。此外，由于还布设了录像机17，这使得指示灯13的发光与否能够被连续记录下来，如此根据录像机17的视频记录便可知道实测位置一段时间的水深变化情况了。
进一步地，本实施例的遮光套筒垂向位置调控部件2包括第一浮球21、升降杆22、连杆23、固定支座24、绝缘绳25、水位监测筒26和滑轮组27，升降杆22的一端固定连接第一浮球21，升降杆22的另一端固定连接绝缘绳25的一端，绝缘绳25的另一端固定连接遮光套筒14，固定支座24固定设置，连杆23一端固定连接固定支座24，连杆23的另一端开设有滑孔，升降杆22滑动插设在滑孔内；本实施例的水位监测筒26分为前半筒身和后半筒身，前半筒身为迎水面，后半筒身为背水面，后半筒身开设有若干进出水孔，第一浮球21放置在水位监测筒26内。进出水孔密布于水位监测筒26筒壁的后半筒身背水面，可以避免水流动能转化为势能而使水位监测筒26中的水位偏高。进出水孔的数量较多，可以增加水位监测筒26对河道水位变化的感应灵敏度。水位监测筒26筒壁具有一定的厚度且进出水孔的孔径较小、孔洞细长，可以减弱因河道水位波动而引起的水位监测筒26中的水位震荡。滑轮组27固定设置，绝缘绳25绕设在滑轮组27上。当河道水位发生变化时，第一浮球21随着水位高度变化而变化，从而带动升降杆22和绝缘绳25运动，绝缘绳25则拉动遮光套筒14同步升降，这使得遮光套筒14的底端时时刻刻处于恰好接触水面的状态。
值得注意的是，本实施例的升降杆22的下部沿杆长方向密布有多个小孔，第一浮球21可以与其中一个小孔连接，从而调整第一浮球21的位置，使遮光套筒14恰好接触水面。
更进一步地，本实施例的水面流速测量部件3包括第一玻璃管31、第二玻璃管32、第二浮球33、第三浮球34、两根导电升降杆35、两个导电套筒36、连接杆37、两根固定杆38、两个电流表39和电源310，第一玻璃管31和第二玻璃管32都竖直布置，且分别通过两根固定杆38固定连接遮光套筒14；第一玻璃管31的下端弯曲90°圆弧；第二浮球33位于第一玻璃管31内，第三浮球34位于第二玻璃管32内，连接杆37固定设置，连接杆37的两端分别固定连接两个导电套筒36，一个导电升降杆35的一端固定连接第二浮球33，一个导电升降杆35的另一端滑动插设在一个导电套筒36内，另一个导电升降杆35的一端固定连接第三浮球34，另一个导电升降杆35的另一端滑动插设在另一个导电套筒36内，一个导电升降杆35的另一端、一个电流表39、电源310和一个导电套筒36串联，另一个导电升降杆35的另一端、另一个电流表39、电源310和另一个导电套筒36串联。
值得注意的是，第二玻璃管32的下端开口小于第三浮球34的直径，可以防止第三浮球34坠落。
当测量水面流速时，第二玻璃管32中的液面会与航道水面齐平，但是第一玻璃管31因水流动能转化为重力势能导致其内部的液面会升高，这使得两个导电升降杆35接入各支路的实际导电部分长度不同，即电阻不同；在并联电路电压相等的情况下，两支路的电流大小不相等，如此便将航道近水面流速以电信号的形式输出了，在读取两支路的电流值后，基于伯努利方程进行一定的换算便可得到流速值。具体换算关系如下：
R1＝U/I1(安培定律) (1)
L1＝R1A/ρ(等截面匀质导电杆件电阻计算公式) (2)
R2＝U/I2(安培定律) (3)
L2＝R2A/ρ(等截面匀质导电杆件电阻计算公式) (4)
z1+0+v2/2g≈z2+0+0(伯努利方程，这里忽略了能量损失) (5)
L2-L1＝z2-z1(几何关系) (6)
式中U为电源310电压，I1、I2分别为两支路的电流，R1、R2分别为两导电升降杆35实际接入对应支路的电阻，L1、L2分别为两导电升降杆35实际接入对应支路的导电段的长度，A为导电升降杆35的横截面面积，ρ为导电升降杆35导电段的电阻率，z1、z2分别为两有机玻璃管中的液面高程，g为重力加速度(＝9.8m/s2)，v为近水面流速。联立式(1)～(6)便可换算出近水面的流速，即
Figure BDA0003627260090000061
上述换算只是一种简化的理论推导。实际应用前，需要借助已有流速测量仪器，如声学多普勒流速仪(ADV)对所述近水面流速测量单元进行率定。
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做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 (10)

1.一种航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，包括水深光电定位部件、遮光套筒垂向位置调控部件和水面流速测量部件，其中
所述水深光电定位部件包括若干激光灯、若干光电板、若干指示灯和遮光套筒，若干所述激光灯从上至下依次布置，所述若干光电板与所述若干激光灯一一对应地正对布置，每一个所述光电板都串联一个所述指示灯；
所述遮光套筒垂向位置调控部件包括第一浮球、升降杆、连杆、固定支座和绝缘绳，所述升降杆的一端固定连接所述第一浮球，所述升降杆的另一端固定连接所述绝缘绳的一端，所述绝缘绳的另一端固定连接所述遮光套筒，所述固定支座固定设置，所述连杆一端固定连接所述固定支座，所述连杆的另一端开设有滑孔，所述升降杆滑动插设在所述滑孔内；
所述水面流速测量部件包括第一玻璃管、第二玻璃管、第二浮球、第三浮球、两根导电升降杆、两个导电套筒、连接杆、两根固定杆、两个电流表和电源，所述第一玻璃管和所述第二玻璃管都竖直布置，且分别通过两根所述固定杆固定连接所述遮光套筒；所述第一玻璃管的下端弯曲90°圆弧；所述第二浮球位于所述第一玻璃管内，所述第三浮球位于所述第二玻璃管内，所述连接杆固定设置，所述连接杆的两端分别固定连接两个所述导电套筒，一个所述导电升降杆的一端固定连接所述第二浮球，一个所述导电升降杆的另一端滑动插设在一个所述导电套筒内，另一个所述导电升降杆的一端固定连接所述第三浮球，另一个所述导电升降杆的另一端滑动插设在另一个所述导电套筒内，一个所述导电升降杆的另一端、一个所述电流表、电源和一个所述导电套筒串联，另一个所述导电升降杆的另一端、另一个所述电流表、电源和另一个所述导电套筒串联。
2.根据权利要求1所述的航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，所述水深光电定位部件还包括光电板安放筒，所述光电板安放筒竖直放置，所述光电板安放筒上从上至下依次开设有若干光电孔，所述若干光电板一一对应地安装在所述若干光电孔内，所述指示灯布置在所述光电板安放筒的外部，连接所述电流表与所述光电板的导线穿过所述光电板安放筒的内部。
3.根据权利要求2所述的航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，所述水深光电定位部件还包括激光灯安放筒，所述激光灯安放筒竖直放置，所述激光灯安放筒上从上至下依次开设有若干激光孔，所述若干激光灯一一对应地安装在所述若干激光孔内，所述激光灯安放筒外部滑动套设着遮光套筒。
4.根据权利要求3所述的航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，所述光电板安放筒和所述激光灯安放筒的下部通过连杆固定连接。
5.根据权利要求1所述的航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，所述若干激光灯并联于所述电源。
6.根据权利要求5所述的航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，所述水深光电定位部件还包括录像机，所述录像机串联所述电源，所述录像机朝向所述若干指示灯；若干相并联的所述激光灯与所述录像机也并联。
7.根据权利要求1所述的航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，所述遮光套筒垂向位置调控部件还包括水位监测筒，所述水位监测筒分为前半筒身和后半筒身，所述后半筒身开设有若干进出水孔，所述第一浮球放置在所述水位监测筒内，所述固定支座安装在所述水位监测筒的上端。
8.根据权利要求1所述的航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，所述遮光套筒垂向位置调控部件还包括滑轮组，所述滑轮组固定设置，所述绝缘绳绕设在所述滑轮组上。
9.根据权利要求1所述的航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，所述第二玻璃管的下端开口小于所述第三浮球的直径。
10.根据权利要求1所述的航道水深与近水面流速测量装置，其特征在于，若干光电板的间隔都相同。
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利用光杠杆测量流体压强及流速的微小变化;王小怀;《物理实验》;20181031;全文 *
测定流体流速的一种简易方法;张艳侠;《河北理工学院学报》;20040115;全文 *

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