CN211036896U

CN211036896U - 一种基于自动控制的恒流放水堰

Info

Publication number: CN211036896U
Application number: CN201921987987.5U
Authority: CN
Inventors: 王英; 陈悦丽; 龚家国; 尹迎身; 杨苗; 赵翠平; 冶运涛; 尚毅梓
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2029-11-15

Abstract

本实用新型提供了一种基于自动控制的恒流放水堰，涉及水位控制设施技术领域，其包括滑动设置于底座中的堰板，堰板上连接有升降装置和位移传感器，升降装置通过电机驱动，电机和位移传感器电连接于控制器上，控制器上电连接有水位信号采集器；升降装置包括竖直固定于堰板上的齿条和与齿条啮合的齿轮，齿轮通过电机驱动转动。解决了现有技术中挡水放水设施难以保证出水流量恒定的问题。

Description

一种基于自动控制的恒流放水堰

技术领域

本发明涉及水位控制设施技术领域，特别是涉及一种基于自动控制的恒流放水堰。

背景技术

现有技术中常见的挡水放水设施大多为人工或机械堰板，根据上游来水量以及下游所需水量要求，采用机械设备大致调节堰板开度，控制放水流量，放水过程中，出流过程随着来流过程波动，难以保证出流量过程的恒定。这对于下游流量过程要求较高的应用场景，如城市景观水系、风景区水网、大面积滩区补水洗盐、农田灌溉、污水排放等应用中会存在供需不平衡，水位信息滞后于调节需求，实时调节难等问题。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于自动控制的恒流放水堰，解决了现有技术中挡水放水设施难以保证出水流量恒定的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种基于自动控制的恒流放水堰，其包括滑动设置于底座中的堰板，堰板上连接有升降装置和位移传感器，升降装置通过电机驱动，电机和位移传感器电连接于控制器上，控制器上电连接有水位信号采集器，水位信号采集器的采集点位于稳波盒中；升降装置包括竖直固定于堰板上的齿条和与齿条啮合的齿轮，齿轮通过电机驱动转动。

进一步地，水位信号采集器为超声波水位计。超声波水位计不与水面接触，安装于水面的正上方，对水质无要求，极易安装维护，且测量数据精准，能够提高本恒流放水堰的准确度和使用寿命。

进一步地，水位信号采集器通过支撑架固定于待测水位的上方，支撑架上固定有向水位信号采集器供电的太阳能供电箱。通过太阳能向水位信号采集器供电，自给自足，无需人为定期更换蓄电池，降低了人工维护成本。

进一步地，稳波盒包括置于水中的连通部和位于水面上的挡风部，挡风部的顶面敞开且位于水位信号采集器的下方，连通部的侧壁上设置有供水流入的连通孔。通过连通孔将连通部外侧的水引入内腔中，形成一个连通器，使连通部内部的水位与外部的水位一致，挡风部给连通部内部的水提供屏障，减小风速等自然环境引起的水面波动，减少对堰板的误操作，提高可靠性。

进一步地，水位信号采集器与控制器之间设置有无线通信模块。通过无线通信模块将水位信号采集器采集的水位信号传递给控制器，降低了对控制器与水位信号之间空间布局的要求。

进一步地，水位信号采集器的采集频率为1～50次/秒。

进一步地，控制器控制电机动作的频率为5～10分钟/次。

进一步地，底座设置于堰板的两侧，底座上设置有供堰板插入并竖直滑动的矩形槽，矩形槽与堰板之间设置有滚轮。通过滚轮来降低底座与堰板之间的摩擦力，提高传动效率。

进一步地，堰板的一侧穿过底座并与齿条固定连接。

进一步地，堰板为薄壁堰。薄壁堰是指堰顶厚度与堰上水头的比值小于0.67的堰，薄壁堰的堰顶壁与过堰水流只有一条边线接触，对水流无影响，具有稳定的水头与流量关系，降低上下滑动过程中堰板对水流的影响。

本发明的有益效果为：通过水位信号采集器实时采集水位信息，并将水位信息反馈给控制器，通过控制器的处理和判断后控制电机动作。电机正转时，通过齿轮带动齿条移动来上移堰板，电机反转时带动堰板下降，从而调节堰上水头，控制出水流量，并保持出水流量的恒定。

位移传感器能够将堰板的位移实时反馈给控制器，使控制器能够实时获取堰板被移动的位移，避免过度移动或移动不足的现象出现，提高移动堰板的精准度。

电机与堰板之间采用齿轮带动齿条的传动方式将电机的转动转化为堰板在竖直方向的移动，齿轮齿条传动具有较大的承载力，能够提高传动的可靠性；齿轮齿条的传动速度快，传动比能够精确控制，降低了控制器的控制难度。

附图说明

图1为基于自动控制的恒流放水堰中控制器的电路连接框图。

图2为底座与堰板装配处的俯视图。

图3为图2中A-A处的剖视图。

图4为图2中B-B处的剖视图。

图5为水位信号采集器的安装示意图。

其中，1、底座；11、矩形槽；12、滚轮；2、堰板；3、齿轮；4、齿条；5、水位信号采集器；51、超声波水位计；52、支撑架；53、太阳能供电箱；531、太阳能板；6、位移传感器；7、稳波盒；71、连通部；711、连通孔；72、挡风部。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

该基于自动控制的恒流放水堰包括滑动设置于底座1中的堰板2，堰板2上连接有升降装置和位移传感器，升降装置通过电机驱动，如图1所示，电机和位移传感器电连接于控制器上，控制器上电连接有水位信号采集器5，水位信号采集器的采集点位于稳波盒7中；升降装置包括竖直固定于堰板2上的齿条4和与齿条4啮合的齿轮3，齿轮3通过电机驱动转动。

稳波盒7包括置于水中的连通部71和位于水面上的挡风部72，挡风部72的顶面敞开，连通部71的侧壁上设置有供水流入的连通孔711。连通部71呈圆台状，挡风部72呈圆柱状，连通部71和挡风部72的内部均中空。

稳波盒7内部与外部水体形成连通器，使内、外液面高度相同。通过挡风部72的挡风作用最大程度消除外界风对于水面波动造成的瞬间影响，维持稳波盒内部水位恒定，即维持堰上水头稳定，最大化减少误差。

本发明的工作原理是：通过水位信号采集器实时采集水位信号，即水位的高低，并将采集到的信号模/数转换以后，通过无线通信模块传输到距离水位信号采集器一定距离的控制器中，通过控制器将采集到的水位变化值转化为需要电机转动的转数，并以数字信号的形式输出并通过数模转换传递给电机，电机接受到信号进行转动，通过齿轮3带动齿条4上升或下降，从而带动堰板2上升或下降。将控制器设置在控制室中，控制室位于堰板2旁边的岸上，电机安装在堰板2旁边并从控制室中引出交流电带动电机转动。

下面，结合具体实施例来对本发明做进一步详细说明。

实施例1

一种基于自动控制的恒流放水堰，其包括滑动设置于底座1中的堰板2，堰板2为拦截水或控制水流量的板形件，堰板2的材质通常为PVC、玻璃钢或不锈钢，可通过增加壁厚来承受大流量水域。

堰板2上连接有升降装置和位移传感器，位移传感器优选型号为MPS-M-1500MM-P-AB。升降装置通过电机驱动，电机和位移传感器电连接于控制器上，控制器上电连接有水位信号采集器5。位移传感器采集堰板2的移动位移并传输给控制器，以便于控制器进行下一步的动作，如果堰板2的位移量等于水位的变化量，则停止电机的运转；若堰板2的位移量大于水位的变化量，则控制电机反转并同时位移传感器检测直至位移量等于水位变化量；若堰板2的位移量小于水位的变化量，控制电机继续主动直至位移量等于水位变化量

升降装置为将电机的回转运动转化为堰板2竖直方向上的往复直线运动，在机械领域，能够实现该功能的升降装置通常有双向丝杠机构、曲柄滑块机构、涡轮蜗杆机构和齿轮齿条传动机构，由于堰板2位于水中，为了控制方便，通常将控制室设置在堰板旁边的陆地上，考虑到空间布局和实施可能性和方便性，本实施例中选择齿轮齿条传动机构作为升降装置。

升降装置包括竖直固定于堰板2上的齿条4和与齿条4啮合的齿轮3，齿轮3通过电机驱动转动。通常电机的转速高，在电机与齿轮3之间会连接减速机来降低电机的转速。

实施例2

本实施例基于实施例1做进一步优化，水位信号采集器5为超声波水位计，优选型号为YDZ-YL9系列的超声波水位计。该系列的超声波水位计采用数字化信号处理技术，精度高，能够精确地检测到水位的变化，产生的超声波束覆盖范围较广，能够避免自然环境造成的水波引起的局部水位变化造成误操作，且抗干扰能力强，适应于复杂的测量环境中。

实施例3

本实施例基于实施例2做进一步优化，如图5所示，水位信号采集器5通过支撑架52固定于待测水位的上方，支撑架上固定有向水位信号采集器5供电的太阳能供电箱53，太阳能供电箱53与固定在支撑架52上的太阳能板531连接。太阳能供电箱53中安装有太阳能发电装置和蓄电池，太阳能板531采集太阳光，通过太阳能发电装置将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，蓄电池用于给超声波水位计51供电。

在太阳能供电箱53中留有放置备用蓄电池的空间，用于在太阳能不足的时候通过人工放置已经充好电的蓄电池给超声波水位计51供电，以保证超声波水位计51的连续工作。

实施例4

本实施例基于实施例1或2做进一步优化，水位信号采集器与控制器之间设置有无线通信模块。通过无线通信模块将水位信号采集器采集的水位信号传递给控制器，降低了对控制器与水位信号之间空间布局的要求。控制器采用STM32型单片机，无线通信模块为WIFI模块/GPRS模块中的一种或多种，STM32型单片机是一种嵌入式单片机，成本低，满足设计需求。

实施例5

本实施例基于实施例1做进一步优化，水位信号采集器的采集频率为1～50次/秒，既能够保证采集信号的实时性，又避免过于频繁的信号采集造成的功耗浪费。控制器控制电机动作的频率为5～10分钟/次。避免电机过于频繁的动作引起的不必要的损耗，降低使用寿命。

实施例6

本实施例基于实施例1做进一步优化，如图2～图4所示，底座1设置于堰板2的两侧，底座1上设置有供堰板2插入并竖直滑动的矩形槽11，矩形槽11与堰板2之间设置有滚轮12。底座1只在堰板2的两侧设置，降低了底座1的用材和安装难度。矩形槽11用于对堰板2进行限位。滚轮12转动连接于底座1上，堰板2与矩形槽11相对的面之间通过滚轮12的辊面接触，通过滚轮12将堰板2与矩形槽11之间的滑动摩擦力转化为滚动摩擦力，提高传动效率。

实施例7

本实施例基于实施例6做进一步优化，如与4所示，堰板2的一侧穿过底座1并与齿条4固定连接。将齿条4与齿轮3的连接设置在底座1外，便于电机和位移传感器的安装和观察整个传动过程，方便检修和维护。

实施例8

堰板2为薄壁堰。薄壁堰是指堰顶厚度与堰上水头的比值小于0.67的堰，薄壁堰的堰顶壁与过堰水流只有一条边线接触，对水流无影响，具有稳定的水头与流量关系，降低上下滑动过程中堰板2对水流的影响。

本实施例中堰板2优选直角三角形薄壁堰。如图5所示，即在堰板2的顶端开设有截面呈直角三角形的缺口。直角三角薄壁堰的流量计算公式为：

Q＝1.4H^2.5

式中，Q为流量，H为堰上水头。

堰上水头H恒定，即可保证放水流量Q恒定。

堰板2采用直角三角堰时，上述基于自动控制的恒流放水堰的恒流放水方法包括如下步骤：

S1：根据本放水堰下流的需求水流量Q确定需求堰上水头值H，具体计算方法为：

根据公式Q＝1.4H^2.5计算得到H值，

若H＝0.021～0.200m时，采用该H值；

若H＝0.301～0.350m时，则另外采用公式Q＝1.343H^2.47计算得到的H值；

若H＝0.021～0.300m时，则采用上述两个公式计算的H的平均值。

S2：根据直角三角堰的结构特征，直角三角堰堰口两个坡面的夹角为90°，堰口的竖直高度d与堰口顶端的最大宽度a存在a＝2d的关系；

判断设置一个堰口能否满足H<d，

若不满足，则设置2个堰口进行判断，Q＝∑(Q₁+Q₂)，H₁＝H₂<d

若仍然不满足，则继续增加堰口数量，直至单个堰口上的H_i<d，

每个堰口上的H_i均相等，H_i为水面与堰口底端的高度，堰口底端在堰板2上的位置固定，一个确定的H_i能够唯一得出一个堰板2的初始位置L₀。

S3：安装基于自动控制的恒流放水堰，将稳波盒的顶端通过杆件连接在安装超声波水位计的支撑架上，稳波盒给位于超声波水位计下方的水位提供免受风吹的屏障，稳波盒的内径须大于超声波水位计的检测范围；

手动启动电机，通过电机带动齿轮3转动，将堰板2调节到初始位置L₀处。

S4：通过超声波水位计实时监测位于稳波盒中的当前堰前水位，并传输至控制器；

S5：在控制器侧，根据接收到的当前堰前水位与初始水位值进行比较得到一个水位的变化值，若该值为正数，则控制升降装置带动堰板向上移动水位的变化距离；若水位的变化值为负数，则控制升降装置带动堰板向下移动水位的变化距离。

当水位上升时，堰上水头值大于设定值，需控制器控制电机带动齿轮3顺时针转动(图4中所示方向)，使堰板2向上移动，同时位移传感器实时采集堰板2的位移量，直至堰板2的移动距离等于水位的上升距离，使当前堰上水头始终保持恒定设定值，进而保证放水流量的恒定；

当水位下降时，堰上水头值小于设定值，需控制器控制电机带动齿轮3逆时针转动(图4中所示方向)，使堰板2向下移动，同时位移传感器实时采集堰板2的位移量，直至堰板2的移动距离等于水位的下降距离，使当前堰上水头始终保持恒定设定值，进而保证放水流量的恒定。

Claims

1.一种基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，包括滑动设置于底座中的堰板，所述堰板上连接有升降装置和位移传感器，所述升降装置通过电机驱动，所述电机和所述位移传感器电连接于控制器上，所述控制器上电连接有水位信号采集器，所述水位信号采集器的采集点位于稳波盒中；

所述升降装置包括竖直固定于所述堰板上的齿条和与齿条啮合的齿轮，所述齿轮通过所述电机驱动转动。

2.根据权利要求1所述的基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，所述水位信号采集器为超声波水位计。

3.根据权利要求2所述的基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，所述水位信号采集器通过支撑架固定于待测水位的上方，所述支撑架上固定有向所述水位信号采集器供电的太阳能供电箱。

4.根据权利要求2所述的基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，所述稳波盒包括置于水中的连通部和位于水面上的挡风部，所述挡风部的顶面敞开且位于所述水位信号采集器的下方，所述连通部的侧壁上设置有供水流入的连通孔。

5.根据权利要求1或2所述的基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，所述水位信号采集器与所述控制器之间设置有无线通信模块。

6.根据权利要求1所述的基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，所述水位信号采集器的采集频率为1～50次/秒。

7.根据权利要求1或6所述的基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，所述控制器控制所述电机动作的频率为5～10分钟/次。

8.根据权利要求1所述的基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，所述底座设置于所述堰板的两侧，所述底座上设置有供所述堰板插入并竖直滑动的矩形槽，所述矩形槽与所述堰板之间设置有滚轮。

9.根据权利要求8所述的基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，所述堰板的一侧穿过所述底座并与所述齿条固定连接。

10.根据权利要求1所述的基于自动控制的恒流放水堰，其特征在于，所述堰板为薄壁堰。