CN118010132A - 一种水利施工水位检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利施工水位检测技术领域，尤其涉及一种水利施工水位检测装置，包括安装柱、弧形板和阻流柱，所述安装柱的上端通过安装组件安装有连接壳，所述连接壳的内部固定安装有超声波发生器，所述连接壳的外壁固定安装有换能器，所述连接壳的底部固定安装有压电陶瓷，所述弧形板的侧壁设置有导向机构，所述阻流柱的外壁开设有环形开槽。本发明通过利用弧形板和导向机构对进入检测区域的垃圾进行拦截，同时减缓水流进入检测区域的流速，确保检测区域内的水位不受外部干扰，从而提高水位检测的准确性，利用阻流柱形成的卡门涡街效应，使得杂物自然集中在阻流柱的周围，避免搅动除去垃圾导致水位受到影响，从而提高了水位检测的准确度。

Description

一种水利施工水位检测装置

技术领域

本发明涉及水利施工水位检测技术领域，尤其涉及一种水利施工水位检测装置。

背景技术

水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水，达到除害兴利目的而修建的工程。水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源，但其自然存在的状态并不完全符合人类的需要。只有修建水利工程，才能控制水流，防止洪涝灾害，并进行水量的调节和分配，以满足人民生活和生产对水资源的需要。

目前，传统的水利施工水位检测装置在进行水位检测时，人工检测确定水位深度的工作时间长，且准确度低，利用超声波检测水位的准确度高，但是水面漂浮的垃圾等杂物容易对超声波造成影响，当超声波遇到垃圾时，会发生反射、散射和吸收等现象，导致部分超声波能量被垃圾吸收或改变传播方向，从而影响超声波的传播路径和返回时间，导致水位检测的结果不准确，因此需要避免垃圾在检测过程中干扰超声波，但是直接拨出水面的垃圾会导致超声波与水面之间的传播路径发生变化，从而影响超声波的传播速度和返回时间，导致检测结果的不准确性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的超声波检测水位的准确性不佳的缺点，而提出的一种水利施工水位检测装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种水利施工水位检测装置，包括：

安装柱，所述安装柱竖直安装，且安装柱的上端弯曲，所述安装柱的上端通过安装组件安装有连接壳，所述连接壳的内部固定安装有超声波发生器，所述连接壳的外壁固定安装有换能器，所述换能器用于接收反射回来的超声波，所述连接壳的底部固定安装有压电陶瓷；

弧形板，所述弧形板用于拦截流向检测区域的杂物，所述弧形板通过连接组件与安装柱连接在一起，所述弧形板的侧壁设置有导向机构，所述导向机构用于引流；

阻流柱，所述阻流柱通过转动组件设置在弧形板远离安装柱的一端，所述阻流柱的外壁开设有环形开槽，所述阻流柱的外壁固定安装有凸点，所述阻流柱用于形成卡门涡街。

优选地，所述安装组件包括固定安装在安装柱上端的安装板，所述连接壳固定安装在安装板的底部。

优选地，所述压电陶瓷的外壁固定安装有隔温壳，所述隔温壳的内部填充有相变材料。

优选地，所述压电陶瓷为中间窄两端宽的圆筒状，所述压电陶瓷的内壁固定安装有聚焦透镜，且聚焦透镜位于压电陶瓷的中心。

优选地，连接组件包括固定连接在安装柱下端的连接柱，所述连接柱横向安装，所述连接柱的侧壁固定连接有第二支架，所述第二支架远离连接柱的一端与弧形板固定连接。

优选地，所述导向机构包括两块导向板，两块所述导向板对称分布在弧形板的两侧，且分别与弧形板固定连接。

优选地，所述转动组件包括转动连接在连接柱上端的联动轴，所述联动轴的侧壁固定安装有转动叶，所述转动叶用于驱动联动轴转动，所述阻流柱的底部与联动轴的顶部固定连接。

优选地，所述连接柱的上端固定安装有两个电极棒，两个所述电极棒分别位于阻流柱的两侧。

优选地，所述连接柱的侧壁固定连接有支撑柱，所述支撑柱为L形，所述支撑柱远离连接柱的一端固定安装有水力发电机，且水力发电机位于连接柱的上方，所述水力发电机用于向电极棒供电。

优选地，所述安装柱的侧壁固定安装有第一支架，所述第一支架远离安装柱的一端固定安装有太阳能板。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过安装聚焦透镜、隔温壳和压电陶瓷等装置，当环境温度发生变化时，隔温壳内的相变材料会迅速吸热或放热，以调节环境温度，从而保证超声波发生器发射的超声波在经过压电陶瓷发射的过程中，始终保持稳定的温度，避免温度不稳定，导致超声波的传播速度发生变化，从而影响水位检测的准确性，避免温度升高导致超声波发出时的幅度降低、能量损耗增加，温度降低导致超声波的密度减少，使得对反射式或折射法进行测量时测量点的距离误差大，同时利用聚焦透镜对超声波进行聚焦和定向，使超声波在特定方向上传播，增强超声波的方向性和指向性，从而使得装置的检测结果更加准确。

2、本发明通过安装弧形板和导向板等装置，使得流向检测区域的水流在导向板的作用下向检测区域的两侧流动，进而减缓流向检测区域水流的流速，使水的流速更加均匀，确保检测区域内的水位不受外部干扰，从而提高水位检测的准确性，同时拦截跟随水流一起流向检测区域的垃圾，避免垃圾干扰超声波发生器的正常工作，从而使得水位数据的准确性和可靠性提高。

3、本发明通过安装阻流柱、转动叶和联动轴等装置，使得水流经过阻流柱时产生涡旋结构，引起卡门涡街效应，转动叶受到水流的作用力带动阻流柱缓慢转动，从而使得这种卡门涡街的效果更佳，增强了流体对杂物的吸附能力，阻流柱的外壁安装有凸点，同时开设有环形开槽，从而增强了剪切流，剪切流的存在进一步增大了流动的湍流程度，进而促进卡门涡街效应的发生，卡门涡街效应的存在有助于防止杂物进入下游水域，保护水质和环境，同时使得检测区域外的垃圾集中在阻流柱的附近，方便垃圾回收处理的同时避免垃圾影响水位检测的准确度，防止对水面直接进行垃圾处理导致检测区域受到搅动，从而使得检测的结果不可靠。

4、本发明通过安装水力发电机和电极棒等装置，利用水力发电机发电，使得电极棒通电产生电场，电场对带电的流体分子产生作用力，从而改变流体分子的运动轨迹，促使流体分子在流动过程中更加混合和扩散，有助于将杂物从流体中集中在一起，电场同时增强了卡门涡街效应，使得涡流更加稳定，涡流的形成和运动能够带动和集中杂物，增强杂物的吸附和清除能力，从而使得水面的垃圾更加快速的集中在阻流柱周围，使得拦截垃圾进入检测区域的效果更佳，从而提高了水位检测的准确性。

附图说明

图1为本发明提出的一种水利施工水位检测装置的整体轴侧结构示意图。

图2为本发明提出的一种水利施工水位检测装置的整体背面结构示意图。

图3为本发明提出的一种水利施工水位检测装置的压电陶瓷和换能器结构示意图。

图4为本发明提出的一种水利施工水位检测装置的第一支架和太阳能板结构示意图。

图5为本发明提出的一种水利施工水位检测装置的弧形板和导向板结构示意图。

图6为本发明提出的一种水利施工水位检测装置的联动轴和转动叶结构示意图。

图7为本发明提出的一种水利施工水位检测装置的水力发电机和电极棒结构示意图。

图8为本发明提出的一种水利施工水位检测装置的隔温壳、压电陶瓷和连接壳半剖轴结构示意图。

图中：1安装柱、2连接柱、3支撑柱、4第一支架、5太阳能板、6第二支架、7弧形板、8导向板、9安装板、10连接壳、11超声波发生器、12隔温壳、13压电陶瓷、14聚焦透镜、15换能器、16阻流柱、17环形开槽、18凸点、19联动轴、20转动叶、21水力发电机、22电极棒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1至图8，一种水利施工水位检测装置，包括安装柱1，安装柱1竖直安装，安装柱1的底部固定连接有连接柱2，连接柱2横向安装，连接柱2的侧壁通过第二支架6固定连接有弧形板7，连接柱2远离弧形板7的一侧为检测区域，弧形板7的两侧分别固定安装有导向板8，弧形板7和导向板8共同作用，将树枝、垃圾等杂物拦截在检测区域外，同时减缓向检测区域流动的水流的流速，并改变水流的流向，使水流更加平缓稳定，有助于减少水位波动和涌浪，提供稳定的水位环境，有利于水位检测的准确性，提供更加稳定和可靠的水位数据。

安装柱1的侧壁通过第一支架4固定安装有太阳能板5，太阳能板5位于弧形板7的上方，安装柱1的上端弯曲向下，且固定安装有安装板9，安装板9的底部固定安装有连接壳10，连接壳10的内部固定安装有超声波发生器11，超声波发生器11的发射区域为连接柱2远离弧形板7的一侧，太阳能板5转化的电能提供给超声波发生器11使用，连接壳10的侧壁固定安装有换能器15，换能器15启动时将非电量转化为电，利用电的方法和技术进行测量、操纵和控制，此为现有技术，本发明中换能器15接收反射回来的超声波，并将超声波信号转换为电信号，进行水深计算和水位变化检测。

连接壳10的底部固定安装有压电陶瓷13，压电陶瓷13是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，压电陶瓷13具有良好的压电效应，可以将电能转换为机械振动，通过适当设计压电陶瓷13的形状和尺寸，可以实现精确的超声波聚焦，使其能够在特定的区域集中能量，从而实现高精度的操作和控制，压电陶瓷13为中间窄，上下两端宽的圆筒状，压电陶瓷13的内壁固定安装有聚焦透镜14，聚焦透镜14位于压电陶瓷13的中心，压电陶瓷13和聚焦透镜14用于聚焦超声波能量，使其能够更加集中和聚焦在特定的检测区域，从而增强超声波在水体中的传播和穿透能力，提高信号的强度和清晰度，从而提高检测的精度和准确性。

压电陶瓷13的外壁固定安装有隔温壳12，隔温壳12内填充有相变材料，相变材料是指改变物质状态并能提供潜热的物质，转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热，相变材料为结晶水合盐类或者熔融盐，隔温壳12避免了相变过程中的温度受到外界环境的影响，通过相变材料吸收或释放热能，调整超声波发射的温度，从而降低高温或低温对超声波的影响，避免温度升高导致超声波发出时的幅度降低、能量损耗增加，温度降低导致超声波的密度减少，使得对反射式或折射法进行测量时测量点的距离误差大，从而提高了装置的检测准确性。

连接柱2远离导向板8的一端侧壁转动连接有联动轴19，联动轴19竖直安装，联动轴19的侧壁固定安装有转动叶20，转动叶20受到水流的作用力带动联动轴19转动，联动轴19的顶部固定安装有阻流柱16，阻流柱16跟随联动轴19一起转动，阻流柱16位于连接柱2的上方，阻流柱16的侧壁开设有环形开槽17，阻流柱16的侧壁固定安装有凸点18，水流流过阻流柱16形成卡门涡街，卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到，旋转的阻流柱16促进涡街的形成，环形开槽17以及设置的凸点18等不规则的纹理或凸起可以增强湍流，扰动水流的平滑性，使得水流在经过阻流柱16时发生不规则的流动，从而促进卡门涡街效应的产生，有助于将漂浮在水面上的垃圾、杂物等集中到涡旋中心，无需人工干预，防止直接拨动水面除去垃圾会导致检测区域的水位受到影响，同时减少垃圾对水位检测的干扰，提高了测量结果的准确性和稳定性。

卡门涡街效应不需要额外的能量输入，仅仅利用流体自身的动力就能产生涡旋脱落,从而拦截垃圾，而滤网拦截垃圾可能需要额外的设备(如水泵)来提供动力,从而消耗更多的能源，滤网需要定期清洗或更换，否则容易堵塞或失效，而利用卡门涡街效应拦截垃圾则不需要频繁维护，卡门涡街效应可以通过调整障碍物的形状和尺寸来适应不同的流体条件和垃圾类型，而滤网则需要根据具体的垃圾类型和尺寸来设计和制造，灵活性相对较低。

连接柱2的侧壁固定安装有两个电极棒22，且分别位于阻流柱16的两侧，电极棒22竖直安装在连接柱2的上端，连接柱2的侧壁固定连接有支撑柱3，支撑柱3为L形，支撑柱3远离连接柱2的一端固定安装有水力发电机21，水力发电机21转换的电能通过导线传递给电极棒22。电极棒22形成的电场对带电的流体分子产生作用力，从而改变流体分子的运动轨迹，使流体分子在流动过程中更加混合和扩散，增加湍流的发生和发展，从而增强了卡门涡街效应，使得水流带动和集中杂物的能力增强，从而提高了垃圾聚集的效果，有效防止垃圾进入检测区域。

本发明中，传统人工检测确定水位深度的准确度低，耗时长，且无法实时监控水位变化，而普通的超声波深度测试系统，第一：没有聚焦超声波，测量深度有限，且影响准确度；第二，超声波传播的过程中会受到温度影响，没有消除或者减弱温度带来的影响；第三，测量水位下方水面可能有树枝，垃圾，泥沙等物体阻碍超声波传播，影响精度。故本装置对这些问题进行设计改进。

先进行人工测试选点，找到合适的安装位置，安装好装置之后，往隔温壳12内填充相变材料，相变材料高温融化吸热，低温放热固化，气温高的时候相变材料吸热融化，储存较多的热量，减弱超声波发生器11发射的超声波受高温的影响；温度低的时候，相变材料从液态放热固化成固态，减弱超声波发生器11发射的超声波受低温的影响。

超声波发生器11的下方设置了压电陶瓷13，压电陶瓷13为上下同宽中间收缩的圆筒状，从而使得发射出的超声波聚于一点，压电陶瓷13的中间设有聚焦透镜14，其可将超声波聚集成一细束，在焦点处声能集中并大幅度提高声强，减弱在传播过程中超声波的衰减，提高测量的准确度。超声波穿过介质时，会形成声波反射或折射，换能器15接收反射回来的超声波，将声波信号转换为电信号，不仅可以计算出水深，还可以实时检测水位的变化。

弧形板7和导向板8位于超声波发生器11的检测区域前方，上端在水面外，下端插入水中，降低检测水域的水的流速，同时阻挡垃圾、树枝等杂物进入检测区域，防止影响检测精度。

由于连接柱2上设置的阻流柱16的存在，会在阻流柱16的后方产生卡门涡街，卡门涡街是在流体中出现的一种涡旋结构，通常在流体经过突出物或流动障碍物时形成。当流体通过这些突出物时，会形成涡旋，河道水流中的垃圾和树枝等物体会被其吸引卷入涡旋，阻流柱16位于检测区域的左侧，吸附检测区域周边和通过导向板8移动过来的垃圾、树枝等杂物，防止杂物影响检测的精准度。

阻流柱16的表面开设有环形开槽17，设置有凸点18，添加了开槽和凸点18的阻流柱16会增强湍流，这些不规则的纹理或凸起会扰动水流，导致湍流发展，从而增强卡门涡街效应；同时会增强剪切流，纹理和凸起可以增加阻流柱16表面与水流之间的相对速度差，形成剪切流。剪切流会增大流动的湍流程度，促进卡门涡街效应的发生，以此提高涡流吸附杂物的能力。

阻流柱16的下方固定连接有联动轴19，联动轴19被转动叶20在水流冲击的作用下进行旋转，从而带动阻流柱16进行旋转，阻流柱16自旋时，水流在阻流柱16表面产生的加速度效应会增加流动的湍流程度，从而增强卡门涡街效应；同时，自旋阻流柱16会在两侧产生横向压力梯度。这种梯度会产生向中心的压力差，从而形成向中心的流动，增强卡门涡街效应，以此提高涡流吸附杂物的能力。

阻流柱16的前方设有水力发电机21，水流在流经水力发电机21的扇叶时会被迫改变方向并旋转，形成涡旋。这些涡旋在流经阻流柱16时会与卡门涡街相互作用，进一步增强了涡街效应。水力发电机21将产生的电力通过导线传输到阻流柱16左右两侧的电极棒22上，通过在流体中施加电场，可以对电荷带电的流体分子施加电场作用力。这种作用力可以引起流体分子的运动和扰动，进而增强湍流和卡门涡街效应，以此提高涡流吸附杂物的能力。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水利施工水位检测装置，其特征在于，包括：

安装柱（1），所述安装柱（1）竖直安装，且安装柱（1）的上端弯曲，所述安装柱（1）的上端通过安装组件安装有连接壳（10），所述连接壳（10）的内部固定安装有超声波发生器（11），所述连接壳（10）的外壁固定安装有换能器（15），所述换能器（15）用于接收反射回来的超声波，所述连接壳（10）的底部固定安装有压电陶瓷（13）；

弧形板（7），所述弧形板（7）用于拦截流向检测区域的杂物，所述弧形板（7）通过连接组件与安装柱（1）连接在一起，所述弧形板（7）的侧壁设置有导向机构，所述导向机构用于引流；

阻流柱（16），所述阻流柱（16）通过转动组件设置在弧形板（7）远离安装柱（1）的一端，所述阻流柱（16）的外壁开设有环形开槽（17），所述阻流柱（16）的外壁固定安装有凸点（18），所述阻流柱（16）用于形成卡门涡街。

2.根据权利要求1所述的一种水利施工水位检测装置，其特征在于，所述安装组件包括固定安装在安装柱（1）上端的安装板（9），所述连接壳（10）固定安装在安装板（9）的底部。

3.根据权利要求1所述的一种水利施工水位检测装置，其特征在于，所述压电陶瓷（13）的外壁固定安装有隔温壳（12），所述隔温壳（12）的内部填充有相变材料。

4.根据权利要求1所述的一种水利施工水位检测装置，其特征在于，所述压电陶瓷（13）为中间窄两端宽的圆筒状，所述压电陶瓷（13）的内壁固定安装有聚焦透镜（14），且聚焦透镜（14）位于压电陶瓷（13）的中心。

5.根据权利要求1所述的一种水利施工水位检测装置，其特征在于，连接组件包括固定连接在安装柱（1）下端的连接柱（2），所述连接柱（2）横向安装，所述连接柱（2）的侧壁固定连接有第二支架（6），所述第二支架（6）远离连接柱（2）的一端与弧形板（7）固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种水利施工水位检测装置，其特征在于，所述导向机构包括两块导向板（8），两块所述导向板（8）对称分布在弧形板（7）的两侧，且分别与弧形板（7）固定连接。

7.根据权利要求5所述的一种水利施工水位检测装置，其特征在于，所述转动组件包括转动连接在连接柱（2）上端的联动轴（19），所述联动轴（19）的侧壁固定安装有转动叶（20），所述转动叶（20）用于驱动联动轴（19）转动，所述阻流柱（16）的底部与联动轴（19）的顶部固定连接。

8.根据权利要求5所述的一种水利施工水位检测装置，其特征在于，所述连接柱（2）的上端固定安装有两个电极棒（22），两个所述电极棒（22）分别位于阻流柱（16）的两侧。

9.根据权利要求8所述的一种水利施工水位检测装置，其特征在于，所述连接柱（2）的侧壁固定连接有支撑柱（3），所述支撑柱（3）为L形，所述支撑柱（3）远离连接柱（2）的一端固定安装有水力发电机（21），且水力发电机（21）位于连接柱（2）的上方，所述水力发电机（21）用于向电极棒（22）供电。

10.根据权利要求1所述的一种水利施工水位检测装置，其特征在于，所述安装柱（1）的侧壁固定安装有第一支架（4），所述第一支架（4）远离安装柱（1）的一端固定安装有太阳能板（5）。