CN220136404U - 基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，包括设于明渠渠道两侧的机翼形量水槽以及设于渠道来测量水深的水位传感器，两个机翼形量水槽相对设置且形成矩形或类似矩形的喉口及收缩段、扩散段，两个机翼形量水槽之间安装有闸门装置，闸门装置包括闸门和闸门驱动机构，其中：闸门的闸板处于两个机翼形量水槽形成的喉口位置，闸门驱动机构用于控制闸板的开启高度，从而能够进行流量调节以及借助水位传感器进行流量测定。本实用新型解决了现有技术中缺乏流量调控与流量测定相结合的问题。

Description

基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于机翼形量水槽实现的测控一体化闸门系统，属于渠道量水技术领域。

背景技术

渠道量水技术是灌区实现合理配置灌溉用水，正确执行用水计划，实施按方收费制度的基础，也是推广农业节水灌溉的关键技术措施。同时灌区渠道流量的精准测量也是实现灌区现代化建设和智慧水利的基本条件。可见，测控一体化量水设施可以有效优化灌区管理。目前，各类渠道量水设施已有上百种，但对于已有的槽类量水设施，其流量测定精度较高，但无法实现流量的调控。因此，设计一种将流量调控与流量测定相结合的技术方案，是目前急需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，其解决了现有技术中缺乏流量调控与流量测定相结合的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，其特征在于，包括设于明渠渠道两侧的机翼形量水槽以及设于渠道的水位传感器，两个所述机翼形量水槽相对设置且形成矩形或类似矩形的喉口及收缩段、扩散段，两个所述机翼形量水槽之间安装有闸门装置，所述闸门装置包括闸门和闸门驱动机构，所述水位传感器经由数据采集装置与控制器连接，所述闸门驱动机构与所述控制器连接，其中：所述闸门的闸板处于两个所述机翼形量水槽形成的喉口位置，所述闸门驱动机构用于控制所述闸板的开启高度，从而能够进行流量调节以及借助所述水位传感器进行流量测定。

本实用新型的优点是：

本实用新型集水位测量、闸门开闭控制和上下游过闸流量监测功能为一体，实现了流量调控与流量测定的结合，集成度高，且流量测定结果准确性有保障，易实施，成本低。

附图说明

图1是本实用新型测控一体化闸门系统的示意图。

图2是本实用新型测控一体化闸门系统的测流说明示意图(俯视看渠道)。

图3是机翼形量水槽第一实施例的结构示意图。

图4是机翼形量水槽第一实施例应用于矩形断面渠道的示意图。

图5是机翼形量水槽第二实施例的结构示意图。

图6是机翼形量水槽第二实施例应用于U形断面渠道的示意图。

图7是机翼形量水槽第三实施例的结构示意图。

图8是机翼形量水槽第三实施例应用于梯形断面渠道的示意图。

具体实施方式

如图1和图2，本实用新型提出了一种基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，包括设于明渠渠道90两侧、作为闸墩的机翼形量水槽10以及设于渠道90的水位传感器，两个机翼形量水槽10相对设置且形成矩形或类似矩形的喉口及收缩段、扩散段，两个机翼形量水槽10之间安装有闸门装置，闸门装置包括闸门和闸门驱动机构，水位传感器经由数据采集装置60与控制器80连接，闸门驱动机构与控制器80连接，其中：闸门的闸板34处于两个机翼形量水槽10形成的喉口位置，闸门驱动机构用于控制闸板34的开启高度，从而能够进行流量调节以及在渠道水流处于相应流态下借助水位传感器进行流量测定。

如图2，两个机翼形量水槽10自身入口与喉口之间形成收缩段，两个机翼形量水槽10自身出口与喉口之间形成扩散段，使得水流通过喉口时产生侧向收缩形成临界流，从而使渠道90水流量仅与上游水深具有稳定的函数关系，以此来获得渠道流量数据。

进一步来说，机翼形量水槽10包括紧贴设于渠道90侧壁的机翼形槽体11，槽体11的顶敞口设有封盖13，封盖13用于避免槽体11与渠道90侧壁之间形成允许水流迂回的腔体而影响测量精准性，而槽体11底部因与渠道90渠底接触，故可省略封盖设置，竖直设于渠道90的槽体11从上向下俯视看去呈机翼形状且朝向渠道90内凸出，槽体11朝向渠道90内凸出的外表面沿竖直方向延伸且光滑设置，其中：槽体11与封盖13形成的封闭结构在喉口位置设有用于安装闸门驱动机构或说滑轨32的沟槽14。

结合图2来理解，当俯视看渠道时，槽体11从自身顶部到竖直朝下延伸的底部呈机翼形状，槽体11的底部延伸接触渠道的渠底，其中：当渠道侧壁呈竖直状态时，槽体11从自身顶部到底部呈现大小一致的机翼形状；当渠道侧壁呈倾斜或弯曲状态时，槽体11从自身顶部到底部呈现逐渐缩小的机翼形状，视明渠渠道90断面形状而定。

举例来说，如图4，当应用于矩形断面渠道时，槽体11从上到下呈大小一致的机翼形状，即槽体11呈横截面为机翼形的柱状，如图6，当应用于U形断面(或称抛物线形断面)渠道时，槽体11随渠道90侧壁的弯曲程度从自身机翼形顶部向下逐渐缩小至底部，最终接触渠道90的渠底，如图8，当应用于梯形断面渠道时，类似地，槽体11随渠道90侧壁的倾斜程度从自身机翼形顶部向下逐渐缩小至底部，最终接触渠道90的渠底。总之，不论应用于何种形状断面渠道，从俯视看去，槽体11均呈现机翼形状，槽体11紧贴渠道90侧壁竖直设置，并且槽体11朝向渠道内凸出的外表面沿竖直方向延伸，不倾斜。

进一步地，如图4、图8，当应用于矩形或梯形断面渠道时，相对设置的两个机翼形量水槽10形成喉口的断面呈矩形。如图6，当应用于U形断面(或称抛物线形断面)渠道时，相对设置的两个机翼形量水槽10形成喉口的断面呈类似矩形。

在本实用新型中，槽体11为金属材质或混凝土材质，其中：

当槽体11为金属材质(优选不锈钢材质)时，槽体11的边沿延伸设有用于将槽体11紧贴固定于渠道90侧壁的固定板12，槽体11和固定板12组装成型。如图3至图8，槽体11与固定板12形成类似Ω形状，固定板12上设有用于穿设锚钉来将槽体11固定于渠道侧壁上的固定孔120。固定板12上的固定孔120的排布和数量可根据实际需求来合理设计。

当槽体11为混凝土材质时，槽体11在渠道90侧壁上通过支设模板浇筑混凝土成型。当然，槽体11为现场浇筑混凝土成型时，槽体11可不具有空腔而呈实心。

如图2，槽体11由收缩段曲面111和扩散段曲面112构成，收缩段曲面111与扩散段曲面112的连接位置用于形成喉口并竖直设有沟槽14，其中：收缩段曲面111的曲率远大于扩散段曲面112的曲率；沿渠道长度方向，收缩段曲面111与扩散段曲面112的长度比优选为3：7，由此确定喉口的最佳位置。

如图2，两个相对的收缩段曲面111之间形成收缩段，两个相对的扩散段曲面112之间形成扩散段。收缩段要短于扩散段，且收缩段开口由大变小的速度要大于扩散段开口由小变大的速度。

在实际实施时，槽体11的翼长与翼宽之间应满足一定比例要求，特别是翼宽应根据渠道90的宽度、工程对喉口位置收缩比例的要求来合理确定，若槽体11翼宽过小，则难以在喉口形成临界流，影响测流精度，若槽体11翼宽过大，则上游壅水过高而易导致水头损失增加，影响渠道正常运行。通常槽体11的高度等于渠道90深度。

在本实用新型中，机翼形量水槽10的曲面造型光滑流畅，由收缩段曲面111和扩散段曲面112构成，收缩段曲面111的曲率远大于扩散段曲面112的曲率，这样使得水流经收缩段迅速聚拢后能够在通过喉口和扩散段时表现出更好的流态，从而使渠道上游不易造成泥沙、淤积的壅阻，水头损失小，更好地保证了流量测定的准确性，特别适用于明渠多泥沙、多淤积的过流环境。

在实际实施时，水位传感器包括设于渠道90上游的上游水位传感器21和设于渠道90下游的下游水位传感器22，其中，上游水位传感器21用于测量上游水深来计算流量，下游水位传感器22用于测量下游水深来判断渠道流态，进一步来说，下游水位传感器22用于判断渠道流态处于闸孔出流状态下的闸孔自由出流状态还是淹没出流状态，闸孔出流状态分为闸孔自由出流状态和淹没出流状态。

具体来说，当无需进行流量调节时，调节闸门开度为较大，此时处于堰流状态，机翼形量水槽10作为量水设施进行流量测定，水流通过喉口时产生侧向收缩形成临界流，从而使渠道90水流量仅与上游水深具有稳定的函数关系，以此来获得渠道流量数据。

当需要进行流量调节时，闸门驱动机构控制闸板34的开启高度，调节闸门开度为较小，从而水流受闸门影响，实现流量调节功能，此时处于闸孔出流状态，闸门作为量水设施进行流量测定。进一步来说，若下游水深不影响闸孔出流，则流态处于闸孔自由出流状态，反之流态处于淹没出流状态。

在实际设计中，上游水位传感器21、下游水位传感器22为接触式水位传感器或非接触式水位传感器均可。非接触式水位传感器可通过支撑杆悬空安装在渠道90上方，参见图2所示支撑杆210。

较佳地，上游水位传感器21与两个机翼形量水槽10的入口之间相距的距离设计为5～10倍的渠道宽度，下游水位传感器22与两个机翼形量水槽10的出口之间相距的距离设计为5倍以上的渠道宽度。

接触式水位传感器例如为电子水尺或压力式水位计等，非接触式水位传感器例如为超声波水位计或雷达水位计等，不受局限。

在本实用新型中，水位传感器经由数据采集装置60与控制器80连接，数据采集装置60经由远程传输装置70与远程平台通讯，控制器80、数据采集装置60和远程传输装置70设于渠道90岸边的测流箱内，上游水位传感器21、下游水位传感器22与数据采集装置60之间采用有线或无线方式连接。

进一步来说，数据采集装置60用于实时采集水位传感器测得的水位数据并传送给控制器80，控制器80用于控制闸门驱动机构的运行、接收水位数据来获得渠道90的流量数据等，远程传输装置70用于将水位和流量等数据上传至远程平台。

如图1，闸门包括固定在两个机翼形量水槽10上的门形闸门框31，闸门框31上安装有闸门驱动机构，闸门框31的两侧内壁上通过连接件33(如角钢)竖直安装有滑轨32，滑轨32从闸门框31的内壁向下延伸入沟槽14内，闸板34与闸门驱动机构连接，其中，闸板34在闸门驱动机构的驱动下沿滑轨32能够做上下移动，以实现闸门的开闭。

如图1，滑轨32延伸至渠道90的渠底，渠道90两侧的滑轨32的底部之间连接一密封条板41，密封条板41沿渠底设置，以使闸板34关闭时完全封堵住渠道。密封条板41的形状与渠底形状相适配，例如，当渠底呈U形时，参见图6，密封条板41为与渠底适配的U形。

如图1，闸门驱动机构包括安装于闸门框31顶部的丝杆升降机52，丝杆升降机52的驱动轴521与电机51的出力轴511同轴连接，丝杆升降机52的丝杆522朝下穿过闸门框31后经由固定件35与闸板34连接，其中：丝杆522的底端可旋转地嵌设于固定件35的连接筒351内，丝杆升降机52上安装有用于测量闸板34开度大小的闸门开度传感器(图中未示出)，闸门开度传感器、电机51均与控制器80连接。

在实际设计中，电机51可为伺服电机，不受局限。如图1，闸门框31顶部可设有便于电机51安装的基座311。闸门开度传感器为本领域的已有传感器，例如，闸门开度传感器可为安装在丝杆升降机52丝杆522上的编码器，当然不受局限。

工作时，电机51提供动力来源，将驱动力传递给丝杆升降机52，驱动丝杆522旋转地进行上升或下降动作，于是丝杆522牵拉闸板34沿滑轨32实现上升或下降，即实现闸板34的开启或关闭，并且，借由闸门开度传感器对闸板34开度大小进行实时测量并将测量数据反馈给控制器80，以便控制器80对电机51运行进行控制等。

在实际实施时，闸门驱动机构除了采用上述丝杆驱动方式外，还可采用诸如钢丝驱动、齿轮驱动等形式，不受局限。

在实际设计中，本实用新型测控一体化闸门系统还可设计有诸如具有防雨功能的保护罩等，保护罩可安装在闸门框31上，不受局限。另外，本实用新型可采用太阳能供电方式，不受局限。

本实用新型基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统实施的流量测定过程包括步骤：

1)根据流量调节需求控制闸板34的开启高度，其中：

当无需进行流量调节时，令闸板34的开启高度与上游水深之比大于0.65，即闸门开度较大，流态为堰流状态，此时机翼形量水槽10作为量水设施进行流量测定；

当需要进行流量调节时，令闸板34的开启高度与上游水深之比小于等于0.65，即闸门开度较小，水流受闸门影响，从而实现流量调节功能，流态为闸孔出流状态，即闸板与机翼形量水槽10形成了闸孔，此时闸门作为量水设施进行流量测定；

2)根据渠道水流所处流态，借助水位传感器进行流量测定。

进一步来说，当渠道水流的流态为堰流状态时，可以采用下式1)完成渠道流量Q的测定：

式1)中：

a、n分别为根据渠道断面确定的系数、指数，在这里，渠道断面例如为矩形、U形或梯形断面，

h为以喉口位置或说闸板34的最低点作为基准点(或称零点)，通过水位传感器(实际为上游水位传感器21)获得的上游水深，

B_c为喉口位置处两个机翼形量水槽10之间的距离，即喉口宽度，

g为重力加速度。

下面结合图2，以图3、图4为例说明。如图2，明渠渠道90两侧壁分别紧贴设有一机翼形量水槽10，两者正相对，两个机翼形量水槽10朝向渠道90内凸出，形成了矩形断面喉口，随之两个机翼形量水槽10朝向上游的入口与喉口之间形成收缩段，朝向下游的出口与喉口之间形成扩散段，故，水流在通过喉口时势能减小、动能增加，从而产生侧向收缩，形成临界流。当以机翼形量水槽10作为量水设施进行流量测定时，此时渠道90流量仅与上游水深具有稳定的函数关系，参见上式1)，即，仅通过测量上游水深即可获得渠道水流量(或说过流流量)，换句话说，将流量测定转化为水深测量，且不受下游水流条件影响，流量测定结果不需要人工率定即可满足95％以上准确度要求。

可见，基于上式1)，通过上游水位传感器21获得渠道90上游水深，即可获得流量情况，完成渠道90输水过程的实时监测，从而用于污水排放和灌溉用水等场合时可实现对渠道流量的可靠、准确测定，利于水流量信息化管理，现场易实施，免率定作业，成本低，适于推广普及。

在实际应用中，当渠道水流的流态为闸孔出流状态时，采用已有流量测定公式即可，其中，通过下游水位传感器22获得的下游水深来判断渠道流态处于闸孔出流状态下的闸孔自由出流状态还是淹没出流状态。当判断下游水深不影响闸孔出流时，流态处于闸孔自由出流状态，反之，当判断下游水深影响闸孔出流时，流态处于淹没出流状态。然后通过上游水位传感器21获得的上游水深进行流量的计算。在此，上、下游水位传感器21、22所获得的上、下游水深都是以喉口位置(或说闸板34)的最低点为基准点(或称零点)获得的。

本实用新型一方面通过调节闸门或说闸门的开度实现了流量调节功能，另一方面可对渠道水流处于各种流态下的流量实现准确测定，特别是在水流处于堰流状态下实现了流量的准确测定，换句话说，本实用新型实现了流量调控与流量测定的结合。

以上所述是本实用新型较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本实用新型保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，其特征在于，包括设于明渠渠道两侧的机翼形量水槽以及设于渠道的水位传感器，两个所述机翼形量水槽相对设置且形成矩形或类似矩形的喉口及收缩段、扩散段，两个所述机翼形量水槽之间安装有闸门装置，所述闸门装置包括闸门和闸门驱动机构，所述水位传感器经由数据采集装置与控制器连接，所述闸门驱动机构与所述控制器连接，其中：所述机翼形量水槽包括紧贴设于渠道侧壁的机翼形槽体，所述槽体的顶敞口设有封盖，竖直设于渠道的所述槽体从上向下看去呈机翼形状且朝向渠道内凸出，所述槽体朝向渠道内凸出的外表面沿竖直方向延伸且光滑设置，所述槽体与所述封盖形成的封闭结构在喉口位置设有用于安装所述闸门驱动机构的沟槽；所述闸门包括固定在两个所述机翼形量水槽上的门形闸门框，所述闸门框上安装有所述闸门驱动机构，所述闸门框的两侧内壁上竖直安装有滑轨，所述滑轨从所述闸门框的内壁向下延伸入所述沟槽内，所述闸门的闸板与所述闸门驱动机构连接，所述闸板在所述闸门驱动机构的驱动下沿所述滑轨能够做上下移动；所述闸板处于两个所述机翼形量水槽形成的喉口位置，所述闸门驱动机构用于控制所述闸板的开启高度，从而能够进行流量调节以及借助所述水位传感器进行流量测定；所述滑轨延伸至渠道的渠底，渠道两侧的所述滑轨的底部之间连接一密封条板，所述密封条板沿渠底设置；所述闸门驱动机构包括安装于所述闸门框上的丝杆升降机，所述丝杆升降机的驱动轴与电机的出力轴同轴连接，所述丝杆升降机的丝杆朝下穿过所述闸门框后经由固定件与所述闸板连接，其中，所述丝杆的底端可旋转地嵌设于所述固定件的连接筒内，所述丝杆升降机上安装有用于测量所述闸板开度大小的闸门开度传感器。

2.如权利要求1所述的基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，其特征在于，当俯视看渠道时，所述槽体从自身顶部到竖直朝下延伸的底部呈机翼形状，所述槽体的底部延伸接触渠道的渠底，其中：当渠道侧壁呈竖直状态时，所述槽体从自身顶部到底部呈现大小一致的机翼形状；当渠道侧壁呈倾斜或弯曲状态时，所述槽体从自身顶部到底部呈现逐渐缩小的机翼形状。

3.如权利要求1所述的基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，其特征在于，所述槽体为金属材质或混凝土材质，其中：

当所述槽体为金属材质时，所述槽体的边沿延伸设有用于将所述槽体紧贴固定于渠道侧壁的固定板，所述槽体和所述固定板组装成型；

当所述槽体为混凝土材质时，所述槽体在渠道侧壁上通过支设模板浇筑混凝土成型。

4.如权利要求1所述的基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，其特征在于，所述槽体由收缩段曲面和扩散段曲面构成，所述收缩段曲面与所述扩散段曲面的连接位置用于形成所述喉口并竖直设有所述沟槽，其中：所述收缩段曲面的曲率远大于所述扩散段曲面的曲率；沿渠道长度方向，所述收缩段曲面与所述扩散段曲面的长度比为3:7。

5.如权利要求1所述的基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，其特征在于，所述水位传感器包括设于渠道上游的上游水位传感器和设于渠道下游的下游水位传感器，其中，所述上游水位传感器用于测量上游水深来计算流量，所述下游水位传感器用于测量下游水深来判断渠道流态。

6.如权利要求1所述的基于机翼形量水槽的测控一体化闸门系统，其特征在于，所述数据采集装置经由远程传输装置与远程平台通讯，所述控制器、所述数据采集装置和所述远程传输装置设于渠道岸边的测流箱内。