CN1570573A - 具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计及其测量方法，测速仪的位置附近连接位移检测器，测速仪和位移检测器固定在伺服跟踪执行机构的推杆前端，其伺服跟踪执行机构由伺服跟踪系统控制的驱动机构连接推杆组成，其伺服跟踪执行机构的驱动机构和转换器、水位仪均固定于安装桥架上。由转换器根据水位仪测出的实际水位，通过伺服跟踪执行机构调节测速仪到实测水位下的给定值点位测速，并把测量信号反馈给转换器，由转换器计算出渠道的流量。解决因渠道漂浮物堆积、缠绕、使渠道流量计不能长期稳定工作的问题；适用于水库、河道水利工程、城市供水、农田灌溉等矩形、梯形渠道的流量测量。

Description

具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种渠道量水设施及其测量方法，特别是一种渠道流量计及其测量方法。

背景技术

现有用于渠道量水的设施大致可以分成三类：量水堰、量水槽、量水器。

一、量水堰和量水槽：在渠道流量量测中，常用的量水堰有三角形堰、矩形堰、全宽堰和梯形堰等，常用的量水槽有巴歇尔量水槽、无喉段量水槽、水跃式量水槽和抛物线形量水槽；国外有梯形量水槽和U形断面量水槽等。渠道中的水体在流经量水堰或量水槽时，因堰、槽的阻力使渠道中的水位在堰、槽的前后产生一个水位变化量，根据这个变化量，通过水力学有关流量公式计算出对应的流量数值。上述两类渠道量水设施虽然结构简单、造价低廉，但存在着很多无法克服的缺陷：

A.缩小了渠道的有效过水断面，降低了渠道的引水能力。

B.对流体产生阻力，造成水头损失。

C.堰前、槽后容易淤积泥沙。

D.测量精度低，测流范围小，无法用于大流量渠道测流。

二、量水器：

1、能够单独直接用于渠道测流的量水器仅有潜水电磁流量计一种，潜水电磁流量计由导电流体在磁场内作切割磁力线运动，在与磁力线方向、流体流动方向相互垂直方向上的一对接触液体的电极上会有电动势感生。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势与流体断面平均流速成正比。潜水电磁流量计及后面提到的电磁测速仪均是根据这一原理工作的。潜水电磁流量计适用于各种形状的渠道测流，目前制造的最大公称通经为DN800mm，采用仿真传感器(分流模型)可扩大量程范围。潜水电磁流量计的测量精度较高，单表±1.5％；与仿真传感器合用时为±2.5％。使用潜水电磁流量计测流时，应选择在渠道断面均匀、水流平稳、顺直长度在渠道宽度五倍以上的位置上设置闸板。流量传感器安装在闸板上，安装时要保证传感器全部潜入水面下。根据潜水电磁流量计的安装方式我们就可以明确的认知，与量水堰和量水槽相比，潜水电磁流量计除测量精度较高。但，量水堰、槽的其它缺陷并未得到改善，由于潜水电磁流量计的口径较小，测流时被水中漂浮物堵塞的几率反而比堰、槽的增大了。因此，潜水电磁流量计在渠道大流量测流中并没有太大的优势。

2、流速-水位运算法流量计：在渠道流速-面积法测流中，广泛采用多线多点法，即在渠道断面上自左至右布置多条垂直测线，又在每条测线上布置多个测点，然后，根据个测点的测量数据算出渠道的部分流量，再将部分流量累加算出渠道的总流量。测量使用旋浆式测速仪测量流速，用水位标尺测量水位。这种方法测流精度仅可满足实际工作的需要，但仍存在不少缺陷：

A.测一次流量持续时间长，测流工作量大。

B.无法进行连续量测。

C.数据记录、计算工作量大。

D.各测速点测速不能同时进行，各点的流速又在不断变化，测量误差很难控制。

3、超声波测速仪：是在渠道两岸上下游设置一对超声波发射、接收换能器，他们的连线和水流成一定的入射角，测量超声波顺流和逆流发射的时间差就可以通过函数关系计算出连线上的平均流速。由于超声波测速仪在渠道测速时受悬浮物、泥沙、气泡影响较大，加之安装施工困难，价格昂贵推广使用较为困难。

4、智能型流速-水位运算法流量计：把具有连续测量功能的测速仪安置在固定测速点y₀位置上，由它和水位仪将流速、水位值转换成电信号传输到内置微电脑的转换器中，微电脑对上述数据和我们已输入的渠道断面几何尺寸进行运算后就可以精确的计算出渠道的流量。如果在渠道上再安装一台泥位传感器，测量渠道底部的积泥厚度，就可进一步提高测流精度。但经过一段时期的运行后，暴露出了一些新的难以解决的技术问题：

A.电磁测速仪安装时需用支撑杆固定，固定在渠底会造成泥沙的淤积，固定在渠道安装桥架上时又会被漂浮物堆积、缠绕均会影响传感器的正常工作。当渠内有较大物体随水体运动时，还会因撞击直接损坏传感器。

B.渠道中的水位很难保证长期恒定，当水位发生变化时测速点与水位的关系式发生变化，尽管使用修正系数进行修正仍会造成测量误差的增大。当h≤y₀流量计将无法工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计及其测量方法，解决测速仪固定安装使渠道测流因渠道漂浮物堆积、缠绕、不便清理、而不能长期稳定工作的问题；解决提高渠道流量计的测流精度，使渠道大流量的自动、长期测量的技术问题；解决要求测量渠道的直线段较短、流量测量范围大、测量时不受水体中漂浮物、泥沙、气泡和水位大幅度变化的影响、流量传感器对渠道不产生阻力的技术难题。

本发明的技术方案：这种具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计，包括由引出电缆分别连接转换器的水位仪和测速仪，其特征在于：测速仪的位置附近连接位移检测器，测速仪和位移检测器固定在伺服跟踪执行机构之动态的推杆前端，其伺服跟踪执行机构由伺服跟踪系统控制的驱动机构连接推杆组成，其伺服跟踪执行机构的驱动机构和转换器、水位仪均固定于安装桥架上。

上述推杆为伸缩推杆，其伺服跟踪执行机构的驱动机构与伸缩推杆螺纹连接。

上述推杆为悬臂推杆，其伺服跟踪执行机构的驱动机构与悬臂推杆顶推接触连接。

上述悬臂推杆由固定杆、主悬臂、付悬臂和安装桥架共同组成一个铰接的平行四边形，主悬臂与固定在安装桥架上的驱动机构顶推接触连接。

上述位移检测器是位移开关、位移传感器、液位开关、液位传感器或液位电极。

上述转换器还与泥位仪连接。

上述伺服跟踪执行机构的驱动机构是电动驱动机构、液动驱动机构或气动驱动机构。

这种具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计的测量方法，其特征在于：将水位仪、转换器和伺服跟踪执行机构的驱动机构置于安装桥架上，把测速仪和位移检测器安装在伺服跟踪执行机构之推杆前端，并由引出电缆将它们与转换器连接，由转换器的微电脑根据水位仪测出的实际水位，通过伺服跟踪系统的伺服跟踪执行机构调节测速仪到实测水位下的给定值点位进行测速，并把测量信号反馈给转换器，然后由转换器的微电脑计算出渠道的流量。

流量计的基本工作原理是：流量计转换器中的微电脑根据水位计测出的实际水位，输出控制信号去驱动伺服跟踪执行机构带动测速仪和位移检测器在渠道中作上、下移动，当位移检测器检测到测速仪已到达设定点位后，位移传感器向转换器反馈一个测速仪到位信号，转换器中的微电脑根据该信号关闭驱动控制信号，伺服跟踪执行机构停止工作，测速仪开始测速。转换器中的微电脑根据实测的水位、瞬时流速值和已置入的渠道几何尺寸，流速垂直、平均修正系数按照预定的数学模型计算出渠道的流量。在测量大型渠道的流量时，为保证测量精度，还可采用多流速仪、多点测量法。

有益效果：本发明在河道、渠道流量测量中，将测速仪和水位仪采用非固定点位安装方式，设置在伺服跟踪系统控制伺服跟踪执行机构的杆臂前端，由驱动机构带动的伺服跟踪执行机构运动，由转换器的微电脑根据水位仪测出的实际水位，通过伺服跟踪系统的伺服跟踪执行机构调节测速仪和位移检测器到实测水位下的给定值点位进行测速，然后由转换器的微电脑根据水力数学模型计算出渠道的流量。本发明具有测量流量范围大；测速仪、泥位仪对渠道不产生阻力；测量时不受支流回水影响；要求测流渠道的直线段短；结构简单、体积小、重量轻、安装方便；设备及施工费用低廉等特点。该种流量计显示、输出、打印功能齐全。可显示水位、泥位、流速、瞬时流量和累计流量等数据，具有RS-232接口给上位机传送数据和定时、随即打印数据功能。提高了测流精度，使渠道大流量的自动、长期测量成为了现实，克服了测速仪固定安装给渠道测流带来的重大缺陷，解决了流量计因渠道漂浮物堆积、缠绕、不便清理、而不能长期稳定工作的问题。适用于水库、河道水利工程、城市供水、农田灌溉等矩形、梯形渠道的流量测量。

附图说明

图1是伸缩式具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计用于渠道测流时的示意图；

图2是图1中A处伺服跟踪执行机构和测速仪连接部位的放大图。

图3是悬臂式具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计用于渠道测流时的示意图。

图4是本发明的结构原理框图。

具体实施方式

实施例一：本发明伸缩式具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计参见图1、2：

由引出电缆7水位仪1连接转换器4，其测速仪2的位置附近连接位移检测器5，测速仪2和位移检测器5固定在伺服跟踪执行机构3之动态的伸缩推杆8的前端，其伺服跟踪执行机构由伺服跟踪系统控制的驱动机构连接伸缩推杆8组成，其伺服跟踪执行机构的驱动机构和转换器、水位仪均固定于安装桥架6上。

水位仪1，测量水位的一次仪表，本发明使用的是大连西格玛公司生产的SEAGMASONIC型超声波水位计，量程5米，输出信号DC4-20mA。

测速仪2是测量流速的一次仪表，本发明使用的是开封流量计厂生产的LC-mag型插入式电磁测速仪，测速范围0-10m/s，输出信号DC4-20mA。

伺服跟踪执行机构3是伸缩式，由电动机、变速装置、伸缩推杆、行程位置反馈信号输出等部件组成。推杆为伸缩推杆，其伺服跟踪执行机构的驱动机构与伸缩推杆螺纹连接，伸缩推杆是螺杆状，电动机正反向转动时可带动伸缩推杆作伸缩运动。由于测速仪2和位移检测器5安装在伸缩推杆的前端，伺服跟踪执行机构垂直安装在渠道上，所以，测速仪跟随伸缩推杆在渠水中作上下运动。根据伺服跟踪执行机构的位置反馈信号，可控制伸缩推杆准确定位于某一点。本发明使用的伺服跟踪执行机构是无锡市南和液压气动有限公司生产的HDG型电动推杆，推力1000千克，行程2米。

转换器4是本发明的二次仪表，由微电脑或单片机、A-D转换、放大驱动、显示、电源等电路组成。本发明使用的转换器4采用开封流量计厂生产的LDM-51转换器。转换器4根据预先置入的渠宽、流量修正系数、运算数学模型和测量水位仪1、测速仪2输入的电信号运算出瞬时流量和累计流量值，并在显示器中显示出水位、流速、流量数据并把这些数据传给上位机。

转换器4根据水位变化信号和定时工作信号输出驱动信号控制伺服跟踪执行机构3的电动机启动，由电动机带动伺服跟踪执行机构的杆臂伸缩使测速仪2产生位移，直至伺服跟踪执行机构3的位置反馈信号指示测速仪2到达新的给定的位置时，转换器4控制伺服跟踪执行机构3停止工作，测速仪2开始测速。如图2、3中：当渠道水位为H时，测速仪2在y点，当水位变化到h1时，伺服跟踪执行机构3将按照转换器4的指令伸出伸缩推杆，使测速仪2移位，当伺服跟踪执行机构3位置反馈信号指示测速仪2到达y1点时，转换器4控制伺服跟踪执行机构3停止工作，测速仪2开始测速。测速仪2的工作点位的移动，靠位移检测器5监测、并将位置反馈信号反馈给伺服跟踪执行机构3，位移检测器5可选用现有市场上销售的各种位移开关、位移传感器、液位开关、液位传感器或液位电极，把检测到的水信号传输给转换器4，控制测速仪1位移到y1点。

转换器4具有RS-232接口给上位机传送数据，具有定时和随即打印数据功能，使显示、输出、打印功能齐全，并可显示水位、泥位、流速、瞬时流量和累计流量等数据，在水位、流速、泥位测量和伺服跟踪系统中均可设有自检、纠错和故障报警功能。在河道、渠道流量量测中，流速测量传感器和泥位仪的工作条件可设定为：水位变化跟踪或定时测量单一控制条件工作方式，也可设定为双条件同时复合控制方式。测速仪的工作点位的移动，可用伺服跟踪执行机构的位置反馈信号确定，也可通过在测速仪位置附近安装位移检测器5测量测速仪所在位置并把测量信号反馈给转换器进行控制。位移检测器5可以选择各种位移开关、位移传感器、液位开关、液位传感器或液位电极。

安装桥架6主要用于设备固定，可用角钢、元钢焊接而成，固定在渠道上方，用于安装水位仪1、伺服跟踪执行机构3。

实施例二，悬臂式具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计参见图3：

水位仪1、测速仪2、转换器4、位移检测器5、安装桥架6的功能均与实施例一相同，仅伺服跟踪执行机构的结构发生了变化。

伺服跟踪执行机构3是悬臂式，伺服跟踪执行机构3的悬臂推杆由固定杆9、主悬臂10、付悬臂11和安装桥架上的两个支点12、13共同组成一个铰接的平行四边形，主悬臂10由伺服跟踪执行机构的驱动机构顶推连接，伺服跟踪执行机构的驱动机构的两个支点，一个在主悬臂上，一个在安装桥架上。当驱动机构运动时，就会推动铰接平行四边形带动的固定杆做上下运动，而固定杆9与水面会始终保持一个不变的角度，从而使测速仪2能稳定的工作。本实施例二的悬臂式伺服跟踪执行机构使用的是无锡市南和液压气动有限公司生产的HDG型电动推杆，推力1000千克，行程0.5米。显而易见，伺服跟踪执行机构3的推杆还可以有许多形式，只要能跟随伺服跟踪执行机构运动，测速仪2与水面始终保持一个不变的角度即可。

本发明实施例二中的转换器4也是根据水位变化信号和定时工作信号输出驱动信号控制伺服跟踪执行机构3的电动机启动，电动机带动伺服跟踪执行机构的推杆悬摆，使固定杆做上下运动带动测速仪2上下位移，直至伺服跟踪执行机构3的位置反馈信号指示测速仪到达新的给定的位置时，伺服跟踪执行机构3停止工作，测速仪2开始测速。如图中：当渠道水位为H时，测速仪2在y点，当水位变化到h1时，伺服跟踪执行机构3将按照转换器4的指令悬臂推杆运动，使测速仪2移位，当伺服跟踪执行机构3位置反馈信号指示测速仪2到达y1点时，伺服跟踪执行机构3停止工作，测速仪2开始测速。测速仪2的工作点位的移动，除了可用伺服跟踪执行机构3的位置反馈信号确定外，还可通过在测速仪2位置同时安装液位开关、液位传感器、液位电极9，把其检测到的水信号传输给转换器4来控制测速仪2位移到y1点。

上述伺服跟踪执行机构的驱动机构可以是电动驱动机构、液动驱动机构或气动驱动机构。

本发明的结构原理参见图4：水位仪1和泥位仪12分别连接转换器4，转换器4内置微电脑，预置渠宽、运算数学模型、流速修正系数，转换器4经伺服跟踪执行机构3与测速仪2和位移检测器5相连，由转换器的微电脑根据水位仪测出的实际水位，通过伺服跟踪系统的伺服跟踪执行机构调节测速仪到实测水位下的给定值点位进行测速，并把测量信号反馈给转换器，然后由转换器的微电脑计算出渠道的流量、流速、液位，将信号显示及输出来。其中泥位仪可根据需要添加或去掉。

Claims (8)

1、一种具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计，包括由引出电缆分别连接转换器的水位仪和测速仪，其特征在于：测速仪的位置附近连接位移检测器，测速仪和位移检测器固定在伺服跟踪执行机构之动态的推杆前端，其伺服跟踪执行机构由伺服跟踪系统控制的驱动机构连接推杆组成，其伺服跟踪执行机构的驱动机构和转换器、水位仪均固定于安装桥架上。

2、根据权利要求1所述的具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计，其特征在于：所述推杆为伸缩推杆，其伺服跟踪执行机构的驱动机构与伸缩推杆螺纹连接。

3、根据权利要求1所述的具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计，其特征在于：所述推杆为悬臂推杆，其伺服跟踪执行机构的驱动机构与悬臂推杆顶推接触连接。

4、根据权利要求3所述的具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计，其特征在于：所述悬臂推杆由固定杆、主悬臂、付悬臂和安装桥架共同组成一个铰接的平行四边形，主悬臂与固定在安装桥架上的驱动机构顶推接触连接。

5、根据权利要求1或2或3所述的具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计，其特征在于：所述位移检测器是位移开关、位移传感器、液位开关、液位传感器或液位电极。

6、根据权利要求1或2或3所述的具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计，其特征在于：所述转换器还与泥位仪连接。

7、根据权利要求1或2或3所述的具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计，其特征在于：所述伺服跟踪执行机构的驱动机构是电动驱动机构、液动驱动机构或气动驱动机构。

8、一种具有伺服跟踪系统的智能化渠道流量计的测量方法，其特征在于：将水位仪、转换器和伺服跟踪执行机构的驱动机构置于安装桥架上，把测速仪和位移检测器安装在伺服跟踪执行机构之推杆前端，并由引出电缆将它们与转换器连接，由转换器的微电脑根据水位仪测出的实际水位，通过伺服跟踪系统的伺服跟踪执行机构调节测速仪到实测水位下的给定值点位进行测速，并把测量信号反馈给转换器，然后由转换器的微电脑计算出渠道的流量。

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