CN217276309U - 分布式定点渠道断面实时自动测流系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水利测量领域，公开了分布式定点渠道断面实时自动测流系统，包括：测量采集单元，包括支架，支架上的设置有卷扬电机，卷扬电机传动连接有卷盘，卷盘上缠绕有信号线的一端，支架上还设置有防摆横梁，防摆横梁上设置有长度测量装置和偏角补偿装置，信号线的另一端穿过长度测量装置和偏角补偿装置，长度测量装置用于测定信号线的施放长度，偏角补偿装置用于测定信号线的偏转角度，信号线的另一端依次连接有流速仪和水深测量装置；支撑单元,架设在渠道断面处，用于支撑支架；控制单元，分别与卷扬电机、长度测量装置、偏角补偿装置、流速仪和水深测量装置电性连接；供电单元，与控制单元电性连接。本实用新型适用于高含沙量的水环境，能够快速计算出渠道断面的总流量。

Description

分布式定点渠道断面实时自动测流系统

技术领域

本实用新型涉及水利测量领域，特别是涉及分布式定点渠道断面实时自动测流系统。

背景技术

目前水利行业支渠、斗渠流量计量方式中，大多采用非接触式雷达流量计测流，超声波时差法测流或者一体化闸门测流等，这些量测水的方法对于含沙量较多，淤积大且淤积变化较频繁的引黄灌区并不适用。雷达流量计不能测量淤积，从而导致水深测量有误差，直接影响断面流量测量结果；超声波时差法影响精度的参数比较多，配置复杂，而且只适用于清水环境；而一体化闸门对于支渠斗渠来讲建设成本较高，淤积很大的情况下测量精度也是难以保证。

鉴于此，设计一种在测量渠道断面流量时能够不受含沙量影响，且能够快速准确测定渠道断面流量的分布式定点渠道断面实时自动测流系统显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型为克服上述情况不足，旨在提供分布式定点渠道断面实时自动测流系统。

为了能够达到上述目的，本实用新型的技术方案是：分布式定点渠道断面实时自动测流系统，包括：

测量采集单元，包括支架，所述支架上的设置有卷扬电机，所述卷扬电机传动连接有卷盘，所述卷盘上缠绕有信号线的一端，所述支架上还设置有防摆横梁，所述防摆横梁上设置有长度测量装置和偏角补偿装置，所述信号线的另一端穿过所述长度测量装置和偏角补偿装置，所述长度测量装置用于测定信号线的施放长度，所述偏角补偿装置用于测定信号线的偏转角度，所述信号线的另一端依次连接有流速仪和水深测量装置；

支撑单元,架设在渠道断面处，用于支撑所述支架；

控制单元，分别与所述卷扬电机、长度测量装置、偏角补偿装置、流速仪和水深测量装置电性连接；

供电单元，与所述控制单元电性连接。

进一步地，所述长度测量装置包括定滑轮和编码器，所述定滑轮与信号线接触连接，所述编码器的输出轴与定滑轮传动连接，所述编码器与控制单元电性连接。

进一步地，所述偏角补偿装置包括角度传感器、连杆和转动杆，所述角度传感器与控制单元电性连接，所述角度传感器的转动轴固定连接有连杆的一端，所述连杆的另一端转动连接有转动杆，所述转动杆与信号线接触连接。

进一步地，所述防摆横梁上设置有通孔，所述通孔上方设置有限位环，所述信号线的另一端接触所述定滑轮后依次穿过所述限位环和通孔，所述限位环下方设置所述转动杆。

进一步地，所述防摆横梁上还设置有行程限位器，所述行程限位器设置在所述定滑轮远离所述编码器的一侧，所述行程限位器用于限制所述流速仪上提至所述支架上的高程。

进一步地，所述支架的外侧设置有外壳，所述外壳与所述支撑单元固定连接，所述信号线的另一端还连接有铅鱼，所述铅鱼设置在所述水深测量装置上方。

进一步地，所述控制单元包括：

控制模块，与所述供电单元电性连接，用于发送测量指令及接收断面流量信息；

采集控制模块，分别与所述卷扬电机、编码器、角度传感器、流速仪、水深测量装置和供电单元电性连接，用于接收所述测量指令并控制流速仪和水深测量装置施放高度，采集所述编码器、角度传感器、流速仪和水深测量装置的测流参数经分析计算得出断面流量信息发送至通信模块；

通信模块，分别与所述供电单元、控制模块、采集控制模块电性连接，用于将所述控制模块发送的所述测量指令传输至所述采集控制模块，用于将所述采集控制模块发送的所述断面流量信息传输至控制模块。

进一步地，所述控制单元还包括箱体，所述箱体设置在所述采集控制模块、通信模块和控制模块外侧。

进一步地，所述供电单元包括太阳能电池板和蓄电池，所述太阳能电池板与蓄电池电性连接，所述蓄电池分别与控制模块、采集控制模块和通信模块电性连接。

进一步地，所述支撑单元包括桁架和两个墩基础,两所述墩基础分别设置在所述渠道两侧，所述桁架的架设在所述渠道断面上方，所述桁架的两端分别与两所述墩基础连接，所述桁架上端设置有所述支架。

本实用新型与现有技术相比至少具有以下优点：

(1)本实用新型采用传统的探入式流速仪精测法，利用长度测量装置测定信号线的施放长度，配合使用水深测量装置可以测量出进入水中的信号线长度，利用偏角补偿装置测定信号线的偏转角度，利用流速仪测量渠道断面的流速，流速仪适用于高含沙量的水环境，测量简单，无需配置复杂参数，利用水深测量装置测量渠道断面水位，经过测的数据可快速计算出渠道断面总流量，使流速仪测流方式过程自动化。

(2)分布式设计可以实现多个测量采集单元同时测量，实时性好，系统建设成本低，可以根据渠道的宽度不同，选择不同的测量采集单元布设数量，方便灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型分布式定点渠道断面实时自动测流系统结构示意图；

图2为本实用新型拟测量渠道断面示意图；

图3为本实用新型测量采集单元(无外壳)的结构示意图；

图4为本实用新型测量采集单元(无外壳和支架)的结构示意图；

图5为本实用新型测量采集单元(无外壳和支架)的另一方向结构示意图；

图6为本实用新型测量采集单元、控制单元和供电单元的结构示意图。

附图标记：1、渠道；2、支架；3、电机安装梁；4、卷扬电机；5、卷盘；6、防摆横梁；7、信号线；8、流速仪；9、铅鱼；10、水深测量装置；11、定滑轮；12、编码器；13、联轴器；14、角度传感器；15、连杆；16、转动杆；17、通孔；18、限位环；19、行程限位器；20、外壳；21、箱体；22、控制单元；23、太阳能电池板；24、桁架；25、墩基础。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参照图1，本实用新型提供了分布式定点渠道1断面实时自动测流系统，包括测量采集单元、支撑单元、控制单元22和供电单元。

结合参照图3-5，其中，测量采集单元包括支架2，支架2为角铝材质，支架2上设置有电机安装梁3，电机安装梁3上设置有卷扬电机4，卷扬电机4的输出轴传动连接有卷盘5，卷盘5上缠绕有信号线7，信号线7采用钢丝信号线，信号线7为四芯信号线且外部包裹有钢丝，信号线7的一端固定在卷盘5上，支架2上还设置有防摆横梁6，防摆横梁6上设置有长度测量装置和偏角补偿装置，信号线7的另一端穿过长度测量装置和偏角补偿装置，长度测量装置用于测定信号线7的施放长度，偏角补偿装置用于测定信号线7的偏转角度，信号线7的另一端依次连接有流速仪8和水深测量装置10，常态下，信号线7的另一端在重力的作用下保持竖直状态。

支撑单元横跨架设到渠道1断面处，并垂直于水流方向，用于支撑支架2。本实用新型中支撑单元采用桁架24和两个墩基础25的结构,两个墩基础25分别设置渠道1断面两侧，墩基础25可采用混凝土墩，起支撑和固定的作用，桁架24的架设在渠道1断面上方，桁架24的两端分别与两个墩基础25的上表面固定连接，桁架24用于支撑支架2，信号线7的另一端贯穿桁架24设置，流速仪8和水深测量装置10在桁架24下端成自然下垂状态。流速仪8采用旋桨流速仪适用于高含沙量的水环境。

控制单元22分别与卷扬电机4、长度测量装置、偏角补偿装置、流速仪8和水深测量装置10电性连接；控制单元22可选用CPU、PLC等设备，用于制流速仪8和水深测量装置10施放高度，并收集流速仪8和水深测量装置10的测流参数。测流单数包括但不限于下放到水中的信号线7的长度，信号线7的偏转角度、渠道1断面的流速和渠道1断面水位。

供电单元与控制单元22电性连接，用于对卷扬电机4、长度测量装置、偏角补偿装置、流速仪8和水深测量装置10程供给电力。具体地，供电单元包括太阳能电池板23和蓄电池，太阳能电池板23与蓄电池电性连接，太阳能电池板23可在晴天对蓄电池进行充电，蓄电池为卷扬电机4、长度测量装置、偏角补偿装置、流速仪8和水深测量装置10程供给电力。

应当说明的是，本实用新型控制单元和供电单元既可以通过立杆的方式安装在渠道1岸边，也可以与测量采集单元集成一同安装在桁架24上。控制单元通过线缆分别与卷扬电机4、长度测量装置和偏角补偿装置电性连接，通过信号线7分别与流速仪8和水深测量装置10电性连接。

本实用新型中应根据渠道1断面的宽度设置测量采集单元的数量，当渠道1断面宽度较窄时，可仅需布置一个测量采集单元；当渠道1断面宽度较宽时，可布置多个测量采集单元；渠道1断面的宽度窄与宽应根据实际情况进行判定，并适时调整测量采集单元的数量。

使用时，控制单元22控制卷扬电机4转动，并带动卷盘5旋转施放信号线7，使流速仪8和水深测量装置10下放水中，直至到水深测量装置10接触到水底时，控制单元22控制卷扬电机4停止转动。水深测量装置10可以在与水接触时和与渠道1底部淤积接触时将信号反馈到控制单元22，进而测得实际进入水中的信号绳7的长度，此属于现有技术，此处不再赘述。此过程中当水深测量装置10上的水面信号采集触点接触水面开始到水深测量装置10接触水底停止之间信号绳7下放的绳长由长度测量装置采集，该绳长记为H，而实际流速仪8和水深测量装置10下水后会受到水流的冲击，使得信号线7发生偏转，信号绳7发生的偏角由偏角补偿装置进行测量，信号线7发生的偏角记为θ，进而可以计算出实际水深为h＝H*cosθ，流速仪8用于测量渠道1断面的流速。

控制单元22可以根据实际水深h，结合灌溉渠道1系统量水规范GB/T 21303-2017标准来自动判断分层流速采集时流速仪的相对水深位置，随后控制单元22控制卷扬电机4将流速仪8提到待测水深位置进行分层流速采集。最终根据水深以及渠道1断面的水面宽L可以计算出断面的过水面积S_总＝h*L，根据分层流速可以计算出渠道1断面的平均流速V_平均，那么渠道1的瞬时总流量Q_总＝S_总*V_平均。

测量完成，控制单元22控制卷扬电机4反向转动，并带动卷盘5反向旋转，施放的信号线7再次卷绕在卷盘5，完成了测量过程。

当渠道1宽度较宽，需要布设多条测量垂线时，即可安装多台测量采集单元，当测量工作开始后，同样多台测量采集单元独立采集每条垂线的水深以及平均流速。

根据实测情况，按垂线平均流速的计算方法，求出各测线的垂线平均流速Vm1、Vm2、...、Vm(n-1)并计算部分平均流速。部分平均流速为相邻两条测线的垂线平均流速的平均值，即V2＝1/2(Vm1+Vm2)、V3＝1/2(Vm2+Vm3)……。水边部分平均流速(V1或Vn)等于近岸测线的垂境平均流速(Vm1或Vm(n-1))乘以岸边速系数α，即V1＝αVm1，Vn＝αVm(n-1)，岸边流速系数α与渠道1的断面形状、渠岸的糙率、水流条件等有关，α值可以通过实测确定。

参照图2，图2为本实用新型拟测量渠道1断面示意图，渠道1断面可划分成两侧为三角形，中间为多个等腰梯形拼接而成的组合。根据三角形和梯形面积公式计算部分计算部分面积。其中渠道1断面为等腰梯形的部分面积由相邻两条测线处的水深的平均值乘以测线间距而得，即：f2＝1/2(D1+D2)b2，f3＝1/2(D2+D3)b3，……。两侧三角形部分面积为f1＝1/2(D1b1)，fn＝1/2(Dn-1bn)。

由每块部分面积乘以该面积对应的部分平均流速即得部分流量qi。此时各个部分流量qi之和即为断面流量

优选地，再次参照图3-5，长度测量装置包括定滑轮11和编码器12，定滑轮11与信号线7接触连接，编码器12的转动轴通过联轴器13与定滑轮11传动连接，编码器12的转动轴能够与定滑轮11同步转动，进一步计算出定滑轮11旋转角度，编码器12与控制单元22电性连接。信号线7施放过程中带动定滑轮11旋转，定滑轮11旋转过程中带动编码器12转动，编码器12将转动的角度信息发送至控制单元22，根据转动角度乘以定滑轮11的直径即可计算出信号线7的施放长度。

优选地，偏角补偿装置包括角度传感器14、连杆15和转动杆16，角度传感器14与控制单元22电性连接，角度传感器14的转动轴固定连接有连杆15的一端，连杆15的另一端转动连接有转动杆16，转动杆16与信号线7接触连接，转动杆16应设置信号线7沿水流方向的下游侧，信号线7偏移过程中会带动转动杆16偏移，进而带动连杆15绕角度传感器14的转动轴旋转，此时角度传感器14将测出连杆15的偏转角度，进而可得出信号线7发生的偏角θ。

优选地，防摆横梁6上设置有通孔17，通孔17上方设置有限位环18，信号线7的另一端经接触定滑轮11后依次穿过限位环18和通孔17，限位环18下方设置转动杆16。本方案中限位环18为信号线7的偏转顶点，信号线7经限位环18后发生偏转，设置限位环18一方面可以限定信号线7的位置，避免信号线7脱出定滑轮11，另一方面设置限位环18有利于测定信号线7的偏转角度。

为了方便测量，角度传感器14的转动轴与限位环18设置在同一高度，初始位置时，限位环18、通孔17和转动杆16宜设置在同一竖直直线上。施放信号线7使流速仪8和水深测量装置10下水后，流速仪8和水深测量装置10受到水流的冲击，使得信号线7发生偏转，角度传感器14的偏转角度为α，此时信号线7发生的偏角θ＝α。

优选地，防摆横梁6上还设置有行程限位器19，行程限位器19设置在定滑轮11远离编码器12的一侧，行程限位器19用于限制流速仪8上提至支架2上的高程，用于在回收流速仪8过程中，表面由于流速仪8撞击防摆横梁6造成器械损坏，提升了整个测量采集单元装置稳定性。

优选地，支架2的外侧设置有外壳20，外壳20为镀锌板，最终罩住支架2与支架2固定成为一体，起到防雨防腐蚀的作用；外壳20与支撑单元固定连接，信号线7的另一端还连接有铅鱼9，铅鱼9设置在水深测量装置10上方，铅鱼9可以增强流速仪8测量过程中的稳定性。

参照图6，本实用新型中控制单元22包括控制模块(上位机和/或服务器)、采集控制模块、通信模块和控制模块。具体结构为：

控制模块，与供电单元电性连接，用于发送测量指令及接收断面流量信息。

采集控制模块，分别与卷扬电机4、编码器12、角度传感器14、流速仪8、水深测量装置10和供电单元电性连接，用于接收测量指令并控制流速仪8和水深测量装置10施放高度，采集编码器12、角度传感器14、流速仪8和水深测量装置10的测流参数经分析计算得出断面流量信息发送至通信模块；测流参数包括但不限于水深测量装置10上的水面信号采集触点接触水面开始到水深测量装置10接触水底停止之间钢丝绳下放的绳长H、信号线7发生的偏角θ和渠道1断面的流速。由上述数据计算断面流量的方式已在上文记载，此处不再赘述。

通信模块，分别与供电单元、控制模块、采集控制模块电性连接，用于将控制模块发送的测量指令传输至采集控制模块，用于将采集控制模块发送的断面流量信息传输至控制模块。

优选地，控制单元22还包括箱体21，箱体21内设置有采集控制模块、通信模块和控制模块。

本实用新型分布式定点渠道断面实时自动测流系统采用了传统的探入式流速仪精测法，以灌溉渠道系统量水规范GB/T 21303-2017为指导标准，使人工流速仪测流方式过程自动化，测量结果的上传分析保存自动化。其中探入式淤积测量装置解决了水深精准测量问题，同时搭载旋桨流速仪适用于高含沙量的水环境，测量简单，无需配置复杂参数，而且分布式设计可以实现多条垂线同时测量，实时性好，系统建设成本低，可以根据渠道的宽度不同，选择不同的垂线布设数量，方便灵活。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

以上的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，包括：

测量采集单元，包括支架(2)，所述支架(2)上的设置有卷扬电机(4)，所述卷扬电机(4)传动连接有卷盘(5)，所述卷盘(5)上缠绕有信号线(7)的一端，所述支架(2)上还设置有防摆横梁(6)，所述防摆横梁(6)上设置有长度测量装置和偏角补偿装置，所述信号线(7)的另一端穿过所述长度测量装置和偏角补偿装置，所述长度测量装置用于测定信号线(7)的施放长度，所述偏角补偿装置用于测定信号线(7)的偏转角度，所述信号线(7)的另一端依次连接有流速仪(8)和水深测量装置(10)；

支撑单元,架设在渠道(1)断面处，用于支撑所述支架(2)；

控制单元(22)，分别与所述卷扬电机(4)、长度测量装置、偏角补偿装置、流速仪(8)和水深测量装置(10)电性连接；

供电单元，与所述控制单元(22)电性连接。

2.根据权利要求1所述的分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，所述长度测量装置包括定滑轮(11)和编码器(12)，所述定滑轮(11)与信号线(7)接触连接，所述编码器(12)的输出轴与定滑轮(11)传动连接，所述编码器(12)与控制单元(22)电性连接。

3.根据权利要求2所述的分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，所述偏角补偿装置包括角度传感器(14)、连杆(15)和转动杆(16)，所述角度传感器(14)与控制单元(22)电性连接，所述角度传感器(14)的转动轴固定连接有连杆(15)的一端，所述连杆(15)的另一端转动连接有转动杆(16)，所述转动杆(16)与信号线(7)接触连接。

4.根据权利要求3所述的分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，所述防摆横梁(6)上设置有通孔(17)，所述通孔(17)上方设置有限位环(18)，所述信号线(7)的另一端接触所述定滑轮(11)后依次穿过所述限位环(18)和通孔(17)，所述限位环(18)设置在所述转动杆(16)上方。

5.根据权利要求4所述的分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，所述防摆横梁(6)上还设置有行程限位器(19)，所述行程限位器(19)设置在所述定滑轮(11)远离所述编码器(12)的一侧，所述行程限位器(19)用于限制所述流速仪(8)上提至所述支架(2)上的高程。

6.根据权利要求1所述的分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，所述支架(2)的外侧设置有外壳(20)，所述外壳(20)与所述支撑单元固定连接，所述信号线(7)的另一端还连接有铅鱼(9)，所述铅鱼(9)设置在所述水深测量装置(10)上方。

7.根据权利要求5所述的分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，所述控制单元(22)包括：

控制模块，与所述供电单元电性连接，用于发送测量指令及接收断面流量信息；

采集控制模块，分别与所述卷扬电机(4)、编码器(12)、角度传感器(14)、流速仪(8)、水深测量装置(10)和供电单元电性连接，用于接收所述测量指令并控制流速仪(8)和水深测量装置(10)施放高度，采集所述编码器(12)、角度传感器(14)、流速仪(8)和水深测量装置(10)的测流参数经分析计算得出断面流量信息发送至通信模块；

通信模块，分别与所述供电单元、控制模块、采集控制模块电性连接，用于将所述控制模块发送的所述测量指令传输至所述采集控制模块，用于将所述采集控制模块发送的所述断面流量信息传输至控制模块。

8.根据权利要求7所述的分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，所述控制单元(22)还包括箱体(21)，所述箱体(21)设置在所述采集控制模块、通信模块和控制模块外侧。

9.根据权利要求8所述的分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，所述供电单元包括太阳能电池板(23)和蓄电池，所述太阳能电池板(23)与蓄电池电性连接，所述蓄电池分别与控制模块、采集控制模块和通信模块电性连接。

10.根据权利要求1至9任一项所述的分布式定点渠道断面实时自动测流系统，其特征在于，所述支撑单元包括桁架(24)和两个墩基础(25),两所述墩基础(25)分别设置在所述渠道(1)两侧，所述桁架(24)的架设在所述渠道(1)断面上方，所述桁架(24)的两端分别与两所述墩基础(25)连接，所述桁架(24)上端设置有所述支架(2)。

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