CN115164999B - 一种探针式水渠渠道流量探测装置及其探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种探针式水渠渠道流量探测装置及其探测方法，属于渠道监测技术领域，解决了探测水渠流道内水体流量困难且难以实时监测的问题。包括：驱动电机、水位探针、雷达流速仪、测距传感器、触水传感器和压力传感器；驱动电机用于驱动水位探针位移；水位探针垂直于水平面设置；水位探针的侧面安装有测距传感器、触水传感器和压力传感器；测距传感器用于探测渠道宽度；触水传感器和压力传感器均设置在水位探针的底部；触水传感器用于监测水位探针是否接触水面；压力传感器用于监测水位探针是否与渠底接触；雷达流速仪用于监测渠道内的水体流速。本发明通过探测渠道水体的真水水位、宽度和流速，实现了对渠道流量的实时监测。

Description

一种探针式水渠渠道流量探测装置及其探测方法
技术领域
本发明涉及渠道监测技术领域，尤其涉及一种探针式水渠渠道流量探测装置及其探测方法。
背景技术
传统的河道测流方法大部分是依靠测流船、铅鱼等设备通过人工定时读取渠道进、出口处水尺得到水位值，然后通过查有关河道形状、流态等参数对应的曲线取修正参数后，借助于经验公式，通过计算得到流量值。
现有的测量方法不仅费时费力，不能连续或实时计量，而且其准确性也受到人为因素等影响。尤其是对于淤积严重的渠道，出于受到淤积情况的影响，其引水渠道河底形成淤积，往往得不到较为理想的流量曲线，进而影响测量结果，用传统的测流方法无法完成全自动测流。
针对这一情况，需要测得水面距淤泥的水位高度，从而计算出流量，需要提供新的测量设备实现对淤积河道的实时测流。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种探针式水渠渠道流量探测装置及其探测方法，用以解决现有渠道真实水位和流量探测困难，以及渠道流量难以实现实时监测的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种探针式水渠渠道流量探测装置，包括：驱动电机、水位探针、雷达流速仪、测距传感器、触水传感器和压力传感器；
所述驱动电机用于驱动所述水位探针位移；所述水位探针垂直于水平面设置；
所述水位探针的两侧安装有测距传感器、触水传感器和压力传感器；所述测距传感器用于探测渠道宽度；所述触水传感器和所述压力传感器均设置在水位探针的底部；所述触水传感器用于监测水位探针是否接触水面；所述压力传感器用于监测所述水位探针是否与渠底接触；
所述雷达流速仪用于监测渠道内的水体流速。
进一步地，所述测距传感器包括第一测距传感器和第二测距传感器；所述第一测距传感器、第二测距传感器分别用于测量所述水位探针到所述渠道的两侧壁面的距离。
进一步地，所述水位探针包括：探针套筒、驱动螺杆和滑动管。
进一步地，所述滑动管滑动安装在所述探针套筒的内部；所述滑动管内侧设有内螺纹，所述滑动管通过内螺纹与驱动螺杆的外螺纹通过螺纹连接。
进一步地，所述驱动螺杆与所述驱动电机的输出轴固定连接。
进一步地，所述驱动电机带动所述驱动螺杆旋转时，所述滑动管能够相对于探针套筒滑移。
进一步地，所述驱动电机固定安装在安装板的上方。
进一步地，所述探针套筒固定安装在安装板的下方。
进一步地，所述安装板固定安装在测桥上；所述测桥架设在所述渠道的上方。
一种水渠渠道流量探测方法，采用探针式水渠渠道流量探测装置，所述探测方法包括：
步骤S1：通过驱动电机驱动水位探针下移；
步骤S2：通过测距传感器探测不同位置的渠道宽度；通过水位探针的位移量计算真实水位的深度；根据渠道宽度和真实水位的深度计算渠道的水体横截面的面积S；
具体地，通过测距传感器探测水面宽度L1和渠底宽度L2；根据水位探针接触水面时的位移量H1和探测探针接触水底时的位移量H2，计算真实水位的深度h＝H2-H1；计算得出渠道的横截面的面积S＝h(L1+L2)/2。
步骤S3：通过雷达流速仪监测渠道内水体的流速v；进而计算得出渠道流量Q＝Sv。
本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：
1.本发明的探针式水渠渠道流量探测装置，通过与驱动电机固定连接的驱动螺杆带动滑动管上下位移，通过控制驱动电机的转动圈数能够控制滑动管的位移量，实现了对滑动管位移的精确控制，进而能够实现对渠道真实水位的探测。
2.本发明的探针式水渠渠道流量探测装置，通过设置测距传感器，监测探测探针距离渠道两岸的距离，进而能够探测得出渠道内不同位置的宽度，进而能够计算得出渠道内水体的横截面面积。
3.本发明的渠道流量探测方法，通过对水面宽度L1、渠底宽度L2真实水位深度h的探测，计算的出水体的横截面面积，根据雷达测速仪实时监测流体流速，计算得出水体的实时流量。本发明的流量探测方法实现了对渠道内水体流量的实时监测。
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为本发明实施例1的探针式水渠渠道流量探测装置；
图2为本发明实施例1的探针式水渠渠道流量探测装置的水位探测原理示意图；
图3为本发明实施例1的探针式水渠渠道流量探测装置的宽度探测原理示意图；
图4为本发明实施例1的探针式水渠渠道流量探测装置的水位探针；
图5为本发明实施例1的探针式水渠渠道流量探测装置的水位探针的位移原理图；
图6为本发明实施例1的探针式水渠渠道流量探测装置的水位探针的水平方向的剖视图；
图7为本发明实施例1中的水位探针的仰视图；
图8为本发明实施例1中的探针套筒的仰视图；
图9为实施例3的探测方法原理图。
附图标记：
1-控制器；2-驱动电机；3-安装板；4-测桥；5-探针套筒；6-滑动管；7-测距传感器；8-雷达流速仪；
201-驱动螺杆；501-滑槽；502-缝隙；503-卡槽；
601-第一滑块；602-第二滑块；603-第三滑块；604-第四滑块；605-指示销。
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，提供了一种探针式水渠渠道流量探测装置，如图1所示，包括：驱动电机2、水位探针、雷达流速仪8、测距传感器7、触水传感器和压力传感器；所述驱动电机2用于驱动所述水位探针位移；所述水位探针垂直于水平面设置。
所述水位探针的侧面安装有测距传感器7、触水传感器和压力传感器；所述测距传感器7用于探测渠道宽度；所述触水传感器和所述压力传感器均设置在水位探针的底部；所述触水传感器用于监测水位探针是否接触水面；所述压力传感器用于监测所述水位探针是否与渠底接触；所述雷达流速仪8用于监测渠道内的水体流速。
本发明的一种具体实施方式中，驱动电机2为步进电机。驱动电机2通过控制器1进行控制，控制器1能够控制驱动电机2的启动、停止和转速。
进一步地，考虑到水下探测的特殊性，测距传感器7采用超声波距离传感器或者雷达测距仪。
进一步地，压力传感器设置在水位探针的底部，用于在水位探针底部的受力，在水位探针接触渠底时，压力传感器向控制器1发送压力信号，控制器1根据压力信号的大小判断水位探针是否接触渠底淤泥，水位探针触底后，控制器1控制驱动电机2停止。
进一步地，触水传感器采用接触式水浸传感器，利用液体导电原理进行监测。正常工作时，两极探头被空气绝缘；在浸水状态下探头导通，传感器输出干接点信号。水浸传感器采用交变电流采集积水的电感参数，能准确区分是否发生水浸。
进一步地，测距传感器7、压力传感器和触水传感器的线缆和供电电源集成在水位探针的内部。
具体地，如图2所示，当触水传感器接触水面时，记录水位探针的位移量H1，当水位探针接触渠底时，记录水位探针的位移量H2，渠道内水体的真实水位的深度h＝H2-H1。
本发明的一种具体实施方式中，所述测距传感器7包括第一测距传感器和第二测距传感器；所述第一测距传感器、第二测距传感器分别用于测量所述水位探针到所述渠道的两侧壁面的距离。
具体地，如图3所示，第一测距传感器和第二测距传感的间距为c；第一测距传感器测量水位探针距离渠道左岸的距离a，第二测距传感器测量水位探针距离渠道右岸的距离b；随着水位探针的下移，a、b的数值根据渠道的形状发生变化；不同水位高度对应的渠道宽度不同。水位探针接触水面时，第一测距传感器和第二测距传感器测得的间距分别为a1和b1，水面宽度为L1＝a1+c+b1；当水位探针接触渠底时，第一测距传感器和第二测距传感器测得的间距分别为a2和b2，水底宽度L2＝a2+c+b2。
进一步地，可以得出，渠道内水体的横截面面积S＝(L2+L1)/2*h。
本发明的一种具体实施方式中，第一测距传感器和第二测距传感器分别设置在水位探针的两侧，当本发明的渠道流量探测装置制作完成后，通过对已知间距的两侧壁面进行测量，间接可以得出第一测距传感器和第二测距传感器之间的间距c的大小。因此，本发明的探测装置，默认出厂时第一测距传感器和第二测距传感器的间距c是已知的。
本发明的一种具体实施方式中，本发明的渠道流量探测装置通过测桥4架设在渠道的上方。
具体地，测桥4为钢架结构，两端固定在渠道的两岸。
进一步地，所述测桥4架设在所述渠道的上方，所述安装板3固定安装在测桥4上；驱动电机2和水位探针固定安装在安装板3上。
进一步地，安装板3上设有安装孔，安装孔中安装紧固螺栓，安装板3通过紧固螺栓与测桥4固定为一体。
本发明的一种具体实施方式中，所述水位探针包括：探针套筒5、驱动螺杆201和滑动管6。
如图4、图5所示，所述滑动管6滑动安装在所述探针套筒5的内部；所述滑动管6内侧设有内螺纹，所述滑动管6通过内螺纹与驱动螺杆201的外螺纹通过螺纹连接。
进一步地，所述驱动螺杆201与所述驱动电机2的输出轴固定连接。驱动电机2能够带动驱动螺杆201旋转。
本发明的一种具体实施方式中，所述驱动电机2固定安装在安装板3的上方；所述探针套筒5固定安装在安装板3的下方。
也就是说，驱动电机2和探针套筒5之间相对固定，驱动电机2带动驱动螺杆201旋转时，探针套筒5限制滑动管6的转动，使滑动管6仅能相对于探针套筒5滑移；滑动管6相对于探针套筒5滑移时，滑动管6的内螺纹与驱动螺杆201的外螺纹之间相互旋合或解旋，实现滑动管6的上下位移，如图5所示。
由于，驱动螺杆201与滑动管6之间通过螺纹旋接，滑动管6与探针套筒5滑动配合，因此，探针套筒5、驱动螺杆201和滑动管6之间形成丝杠螺母副。所述驱动电机2带动所述驱动螺杆201旋转时，所述滑动管6相对于探针套筒5滑移。
本发明的一种具体实施方式中，通过探针套筒5和滑动管6之间通过滑块和滑槽配合实现滑动连接。
具体地，滑动管6的外侧周向均匀设置四个滑块，且滑块与滑动管6为一体结构。四个滑块分别为第一滑块601、第二滑块602、第三滑块603和第四滑块604；四个滑块均为沿滑动管6的轴线方向延伸的矩形滑块。
进一步地，探针套筒5的内侧周向均匀设置四个滑槽501，滑槽501为沿探针套筒5的轴线方向延伸的矩形槽；滑动管6外侧的四个滑块分别与探针套筒5内侧的四个滑槽滑动配合，实现滑动管6和探针套筒5之间的滑动配合。
本发明的一种具体实施方式中，通过监测滑动管6的位移行程间接计算得出渠道内水体的真实的水位深度h。
对滑动管6的位移行程的监测可以有多种方式：
1)方式一：在探针套筒5上安装位移传感器；通过位移传感器实时监测滑动管6的位移量。
2)方式二：在探针套筒5的内部安装光电测距器；通过光电测距器测量滑动管6与探针套筒5之间的相对间距，进而得出滑动管6的位移量。
3)方式三：
如图4所示，探针套筒5为矩形套筒。
进一步地，如图5、图6所示，第一滑块601上固定设置指示销605。对应地，探针套筒5上设有缝隙502，指示销605设置在缝隙502中，且指示销605从缝隙502中伸出至探针套筒5的外表面。当滑动管6相对于探针套筒5上下滑动时，指示销605沿缝隙502滑移。
进一步地，缝隙502的宽度小于滑槽501的宽度。且缝隙502连通滑槽501和探针套筒5的外表面。
进一步地，缝隙502的两侧设有刻度线；刻度线用于标识尺寸，指示销605沿缝隙502滑移时，通过观察指示销605指示的刻度，即可得知指示销605的位移行程，进而得出滑动管6和测距传感器7的位移行程。
进一步地，如图5所示，第二滑块602和第四滑块604对称设置在滑动管6的两侧。第二滑块602和第四滑块604上均安装有测距传感器7；具体地，第一测距传感器和第二测距传感器分别安装在第二滑块602和第四滑块604的下端。
进一步地，测距传感器7的外部罩设防水薄膜或者防水外壳。
进一步地，如图7、图8所示，探针套筒5的底部设有卡槽503；当滑动管6回缩至探针套筒5内部时，卡槽503能够避让测距传感器7，避免发生碰撞，避免损坏测距传感器7。
进一步地，为了避免触底时水位探针与渠底发生刚性冲击，在水位探针的底部弹性保护垫，压力传感器的探头设置在弹性保护垫上。为了避免影响测量精度，为了减小弹性变形，弹性保护垫可选用高弹性模量的材料和适当加大承载的横截面积。
本发明的一种具体实施方式中，在探测探针的底部设置压力传感器，当探测探针触底时，压力传感器向控制器1发送压力信号，控制器1判断触底并控制驱动电机2停止驱动，探测探针触底时记录滑动管6的位移量H2，进而实现了对渠道内的真实水位的探测。
实施例2
本发明的一具体实施例，提供一种水渠渠道流量探测方法，采用实施例1的探针式水渠渠道流量探测装置，探测方法包括：
步骤S1：通过驱动电机2驱动水位探针下移；
步骤S2：通过测距传感器7探测不同位置的渠道宽度；通过水位探针的位移量计算真实水位的深度；根据渠道宽度和真实水位的深度计算渠道的水体横截面的面积S；
步骤S3：通过雷达流速仪8监测渠道内水体的流速v；进而计算得出渠道流量Q＝Sv。
具体地，所述步骤S1中，驱动电机2驱动水位探针位移的过程为：
步骤S11：驱动电机2带动驱动螺杆201旋转；
步骤S12：驱动螺杆201与滑动管6通过螺纹配合，驱动螺杆201旋转时与滑动管6旋合或解旋；
步骤S13：滑动管6沿探针套筒5的滑槽501上下滑移，实现水位探针的上下位移。
具体地，所述步骤S2中：测距传感器7包括第一测距传感器和第二测距传感器；第一测距传感器测量水位探针距离渠道左岸的距离a，第二测距传感器测量水位探针距离渠道右岸的距离b；第一测距传感器和第二测距传感器的间距为c。
进一步地，所述步骤S2中，随着水位探针的变化，a、b的数值根据渠道的形状发生变化。
本发明中，通过测距传感器探测水面宽度L1和水底宽度L2；根据水位探针接触水面时的位移量H1和探测探针接触水底时的位移量H2，计算真实水位的深度h＝H2-H1；计算得出渠道的横截面的面积S＝h(L1+L2)/2。
具体地，所述步骤S2中，渠道内水体的横截面面积S的测量过程为：
步骤S21：水位探针接触水面时，触水传感器发送触水信号至控制器1；第一测距传感器和第二测距传感器测得的间距分别为a1和b1，水面宽度为L1＝a1+c+b1；同时，记录滑动管6的位移量为H1；
步骤S22：当压力传感器测得的压力大于极限水压时，认为水位探针与渠底接触；水位探针与渠底接触时，第一测距传感器和第二测距传感器测得的间距分别为a2和b2，水底宽度L2＝a2+c+b2；同时，记录滑动管6的位移量H2；
步骤S23：通过计算得出，渠道内水体的真实水位高度为h＝H2-H1，渠道内水体的横截面面积S＝(L2-L1)/2*h。
具体地，所述步骤S3中：雷达流速仪8实时监测水体的流速。
本实施例的探测方法适用于对渠道具有形状规则的横截面的情况；例如：渠道横截面为矩形时，L1＝L2，横截面面积为S＝L1*h；渠道为梯形时，水体的横截面面积S＝(L1+L2)/2*h。
实施例3
本发明的一个具体实施例，对实施例2的流量探测方法进行改进：
具体地，设置驱动螺杆201的外螺纹和滑动管6的内螺纹的螺距均为s；优选地，s＝0.2～0.5cm。
具体地，驱动电机2每旋转一圈，驱动螺杆201也同步旋转一圈，对应地，滑动管6的位移量为s。
进一步地，滑动管6触水后，控制器1控制驱动电机2每旋转一圈，测距传感器7测量一次水体宽度L；L＝a+b+c。
具体地，驱动电机2转过n圈时，测距传感器7测得的水体宽度为Ln；Ln＝an+bn+c。
进一步地，滑动管6触水时，测距传感器7测量一次水体宽度L1；滑动管6触水后，滑动管6每下降高度s，通过测距传感器7测量一次水体宽度，测距传感器7第n次测得的水体宽度为Ln。
当滑动管6接触渠底时，滑动管6深入水下的距离为s*n，测距传感器7测得的水体宽度为Ln，测量完毕。
进一步地，如图9所示，渠道内水体的深度h＝s*(n-1)。
本实施例中，如图9所示，将水体横截面分割为高度为s的多个四边形；进一步地，水体横截面面积S＝S1+S2+…Sn-1；S1＝s*(L1+L2)/2；S2＝s*(L2+L3)/2；…Sn-1＝s*(Ln-1+Ln)。
本实施例的流量探测方法，采用有限分割的方式，将不规则的渠道分割为多个规则的梯形进行水体截面面积的计算。采用这种测量方式，不仅能够对人工修建的渠道进行流量监测，也能够实现对自然环境中不规则形状的河道的流量探测。
本实施例的流量探测方法，探测精度取决于选用的螺距s的大小，探测精度能够根据实际需要确定，当需要较高探测精度时，选用小螺距的驱动螺杆201和滑动管6，当需要快速探测但对探测精度要求不高时，选用大螺距的驱动螺杆201和滑动管6。
与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果之一：
1.本发明通过探针法测淤积计算水流量，有效解决了现有的利用传统设备或人工测量造成的误差大的问题，提高了测量数据的准确性，减少了测量误差。进而能够辅助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。
2.本发明的水渠渠道流量探测方法，能够适用于不规则形状的渠道，进行流体横截面的不同高度对应的宽度进行探测，通过计算可以得出流体横截面的面积，进而实现对渠道的流量探测。
3.本发明的水渠渠道流量探测装置，能够实现对渠道流量的实时监测，通过对渠道流量的实时监测，可以得出渠道内流体的流量变化情况，为供水水量监测、渠道安全监测等实际应用提供依据。
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 (5)

1.一种探针式水渠渠道流量探测装置，其特征在于，包括：驱动电机(2)、水位探针、雷达流速仪(8)、测距传感器(7)、触水传感器和压力传感器；
所述驱动电机(2)用于驱动所述水位探针位移；所述水位探针垂直于水平面设置；
所述水位探针上安装有测距传感器(7)、触水传感器和压力传感器；所述测距传感器(7)用于探测渠道宽度；所述触水传感器和所述压力传感器均设置在水位探针的底部；所述触水传感器用于监测水位探针是否接触水面；所述压力传感器用于监测所述水位探针是否与渠底接触；
所述雷达流速仪(8)用于监测渠道内的水体流速；
所述水位探针包括：探针套筒(5)、驱动螺杆(201)和滑动管(6)；
所述滑动管(6)滑动安装在所述探针套筒(5)的内部；所述滑动管(6)内侧设有内螺纹，所述滑动管(6)通过内螺纹与驱动螺杆(201)的外螺纹通过螺纹连接；
所述驱动螺杆(201)与所述驱动电机(2)的输出轴固定连接；
所述驱动电机(2)带动所述驱动螺杆(201)旋转时，所述滑动管(6)能够相对于探针套筒(5)滑移；
滑动管(6)的外侧周向均匀设置四个滑块，且滑块与滑动管(6)为一体结构；四个滑块分别为第一滑块(601)、第二滑块(602)、第三滑块(603)和第四滑块(604)；四个滑块均为沿滑动管(6)的轴线方向延伸的矩形滑块；
探针套筒(5)的内侧周向均匀设置四个滑槽(501)，滑槽(501)为沿探针套筒(5)的轴线方向延伸的矩形槽；滑动管(6)外侧的四个滑块分别与探针套筒(5)内侧的四个滑槽滑动配合；
所述测距传感器(7)包括第一测距传感器和第二测距传感器；所述第一测距传感器、第二测距传感器分别用于测量所述水位探针到所述渠道的两侧壁面的距离；
第二滑块(602)和第四滑块(604)对称设置在滑动管(6)的两侧；第一测距传感器和第二测距传感器分别安装在第二滑块(602)和第四滑块(604)的下端；
第一测距传感器和第二测距传感的间距为c；第一测距传感器测量水位探针距离渠道左岸的距离a，第二测距传感器测量水位探针距离渠道右岸的距离b；随着水位探针的下移，a、b的数值根据渠道的形状发生变化。
2.根据权利要求1所述的探针式水渠渠道流量探测装置，其特征在于，所述驱动电机(2)固定安装在安装板(3)的上方。
3.根据权利要求2所述的探针式水渠渠道流量探测装置，其特征在于，所述探针套筒(5)固定安装在安装板(3)的下方。
4.根据权利要求3所述的探针式水渠渠道流量探测装置，其特征在于，所述安装板(3)固定安装在测桥(4)上；所述测桥(4)架设在所述渠道的上方。
5.一种水渠渠道流量探测方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项探针式水渠渠道流量探测装置，所述探测方法包括：
步骤S1：通过驱动电机(2)驱动水位探针下移；
步骤S2：通过测距传感器(7)探测不同位置的渠道宽度；通过水位探针的位移量计算真实水位的深度；根据渠道宽度和真实水位的深度计算渠道的水体横截面的面积S；
步骤S3：通过雷达流速仪(8)监测渠道内水体的流速v；进而计算得出渠道流量Q＝Sv。
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