基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置及测流方法与流程

1.本发明属于明渠流量测量装置技术领域，涉及一种基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置，本发明还涉及采用上述基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置进行测流的方法。


背景技术：

2.水是地球生物赖以存在的物质基础，水资源是维系地球生态环境可持续发展的首要条件，提高水资源利用率，减少水资源浪费迫在眉睫，灌区节约用水显得至关重要，渠道测流作为灌区节约用水、提高灌水质量和灌溉效率的有效措施，精准测流来保证水资源的有效利用是关键，但目前渠道测流装置或多或少存在一些技术上的难点，精准度不高、适用性不强等。目前主要的测流方法主要是流速面积法，主要通过量水建筑物测流法、超声波(时差法)、多普勒法等方法来测得明渠过水断面的平均流速或者某点流速代表断面流速，结合u或者矩形标准测流断面的面积来获得渠道的瞬间流量；但设备对现场安装要求苛刻且成本很高、测流精度低、测流点的流速代表性不强等难题。因此，如何研发出测流精确、价格低廉、性能稳定、携带方便的测流装置对渠道精准测流至关重要，本研究针对这些难点提供一种新的测流装置和方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置，解决了现有技术中存在的测流装置精度低的问题。
4.本发明所采用的技术方案是，基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置，包括u型空心管，在u型空心管的两端固定有水平载物台、底部中心位置设置有压力传感器；在u型空心管的中轴线上均匀分布有多个空心轻质钢球，每个空心轻质钢球通过相互平行设置的轻质弹性钢绳与u型空心管连接为一体；每根轻质弹性钢绳连接u型空心管的端头设置有拉力传感器，拉力传感器以及压力传感器分别通过数据传输信号线与数据采集及传输模块连接，数据采集及传输模块无线连接控制器。
5.本发明的特点还在于，
6.数据传输信号线内置在u型空心管内，向上一端穿过水平载物台与数据采集及传输模块相连。
7.水平载物台上水平设置有两个水平仪、两个水平仪且互相垂直。
8.数据采集及传输模块通过数据传输天线连接控制器。
9.控制器作为控制中心，是智能显示控制器。
10.水平载物台上还设置有竖直方向的调平旋钮。
11.空心轻质钢球有5个。
12.本发明采用的第二种技术方案是，基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置的测流方法，具体过程为：
13.步骤1、将测流装置其放在渠道上方，使得u型空心管的底部接触到渠底，从而通过压力传感器测得水头高度；调平旋钮用来调节测流装置水平载物台水平；接通测流装置电源开始测量，测量所得数据将通过数据采集及传输模块传送到控制器，通过显示器上可查看所测历史数据和实时数据
14.步骤2、根据步骤1采集的数据计算过流断面的瞬时流量值q，具体计算方法如下：
[0015][0016]
其中：an为空心轻质钢球对应的不同断面形状过水断面面积，
[0017][0018][0019]vn
为不同断面形状过水断面面积所对应平均流速，
[0020][0021][0022][0023][0024][0025]
其中：l1、l2、l3、l4、l5分别为5个轻质弹性钢绳不受外力下的初始长度；f
1-1
、f
1-2
；f
2-1
、f
2-2
；f
3-1
、f
3-2
；f
4-1
、f
4-2
；f
5-1
、f
5-2
对应五对拉力传感器在受到水冲击达到稳定后的拉力值；m1＝m2＝m3＝m4＝m5＝m为空心轻质钢球质量；k为轻质弹性钢绳的弹性形变值；h为过流断面水头高度，通过压力传感器获取；
△
h为相邻拉力传感器的垂直距离。
[0026]
本发明的有益效果是：
[0027]
本发明基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置，结构新颖独特，采用一个压力传感器完成了渠道断面水头高度即水位准确检测；同时结合等间距布设的分层多点测流速部件(主要由拉力传感器、空心穿孔轻质钢球、轻质弹性钢绳组成的一系列位置“流速仪”)测定不同点位的流速v
1-n
(n取决于渠道深度所决定布设的层)，进一步通过多层流量累积获取整个过流断面的瞬时流量值，只要把测流装置正确安装到渠道上方，只需接通电源，通过无线控制器实现流量在线远程监控；该装置结构简单，耗电量低，便于携带，安装成本低，能够实现数据的无线传输，可以广泛的应用于现今灌区测流工作。
附图说明
[0028]
图1是本发明基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置的整体结构示意图；
[0029]
图2是本发明基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置的电气结构原理图；
[0030]
图3是本发明的技术原理图整体图；
[0031]
图4是本发明的过流断面层面分割图；
[0032]
图5是本发明的测流力学分布图。
[0033]
图中：1：压力传感器；2：拉力传感器；3：空心轻质钢球；4：轻质弹性钢绳；5：u型空心管；6：水平载物台；7：数据采集及传输模块；8：数据传输信号线；9：数据传输天线；10：水平仪；11：控制器；12：调平旋钮。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0035]
本发明的基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置，其结构如图1-2 所示，包括u型空心管5，在u型空心管5的两端固定有水平载物台6、底部中心位置设置有压力传感器1；在u型空心管5的中轴线上均匀分布有多个空心轻质钢球3，每个空心轻质钢球3通过相互平行设置的轻质弹性钢绳 4与u型空心管5连接为一体；每根轻质弹性钢绳4连接u型空心管5的端头设置有拉力传感器2，拉力传感器2以及压力传感器1分别通过数据传输信号线8与数据采集及传输模块7连接，数据采集及传输模块7无线连接控制器11。
[0036]
数据传输信号线8内置在u型空心管5内，向上一端穿过水平载物台6 与数据采集及传输模块7相连。
[0037]
水平载物台6上水平设置有两个水平仪10、两个水平仪10且互相垂直。
[0038]
数据采集及传输模块7通过数据传输天线9连接控制器11。
[0039]
控制器11作为控制中心，是智能显示控制器，用来接受数据采集及传输模块所采集传感器所测的数据。
[0040]
水平载物台6上还设置有竖直方向的调平旋钮12。
[0041]
空心轻质钢球3有5个。
[0042]
本发明所述的u型空心管、轻质钢球、弹性钢绳水平载物台均为不锈钢材质，在水中能够不发生变形、腐蚀，保证其测流精度。
[0043]
本发明所述的u型空心管、轻质钢球、弹性钢绳其尺寸大小本专业的技术人员在设计、生产时可按照该装置适用的渠道的尺寸来自行定夺。
[0044]
本发明测量原理：本发明的测流装置将过流断面分割成标准等腰三角形、等腰梯形，利用不同层面对应不同流速面积公式，获取多层面流量值，累加后获取整个过流断面瞬间流量值的装置及方法具体使用时，本装置操作简单易学，可适用于非专业人员操作，便于推广。
[0045]
本发明基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置的测流方法，具体操作步骤为：
[0046]
步骤1、将测流装置其放在渠道上方，使得u型空心管的底部接触到渠底，调平旋钮用来调节测流装置水平载物台水平；接通测流装置电源开始测量，测量所得数据将通过数据采集及传输模块无线传送到控制器，在控制器上可以查看所测历史数据和实时数据。
[0047]
步骤2、本装置通过压力传感器感受到的水压经换算得到渠道断面水头高度即水位h；同时结合等间距布设的分层多点测流速部件(主要由拉力传感器、空心穿孔轻质钢球、轻质弹性钢绳组成的一系列位置“流速仪”)测定不同点位的流速v
1-n
(n取决于渠道深度所决定布设的层)，本发明中n＝5，进一步通过多层流量累积获取整个过流断面的瞬时流量值q，如图3-5所示，具体计算方法如下：
[0048][0049]
其中：an为空心轻质钢球对应的不同断面形状过水断面面积，
[0050][0051][0052]vn
为不同断面形状过水断面面积所对应平均流速，
[0053][0054][0055]
[0056][0057][0058]
其中：l1、l2、l3、l4、l5分别为5个轻质弹性钢绳不受外力下的初始长度；f
1-1
、f
1-2
；f
2-1
、f
2-2
；f
3-1
、f
3-2
；f
4-1
、f
4-2
；f
5-1
、f
5-2
对应五对拉力传感器在受到水冲击达到稳定后的拉力值；m1＝m2＝m3＝m4＝m5＝m为空心轻质钢球质量；k为轻质弹性钢绳的弹性形变值；h为过流断面水头高度，通过压力传感器获取；
△
h为相邻拉力传感器的垂直距离。
[0059]
目前国内外的测流装置种类繁多，但由于测量精度不高、安装困难及使用环境的局限性等，使得它们的使用范围受到限制，难以大范围的推广使用。基于水冲量原理的多层面明渠便携式测流装置及方法结构简单，测量精度高、低功耗、操作简单，能够在一定程度上解决目前灌区量水方法存在的弊端，并能实现流量的在线测量和实时监控，因此具有广阔的应用前景。
[0060]
以上描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点，本行业的专业技术人员应该了解，本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本发明范围内。