CN212206270U - 一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计。该装置由支撑桩和浮尺两部分构成，浮尺内安装有电路控制总成，浮尺上安装有水轮电机和测量筒，测量筒内安装有浮板，测量筒和浮板分别安装有定栅传感器II和动栅传感器II，所述浮尺安装在浮板支架上，浮板支架通过支撑梁安装在固装模块上，固装模块由同轴安装的支撑桩I和支撑桩II支撑，在支撑桩I和支撑桩II上分别安装有动栅传感器I和定栅传感器I。本实用新型结构简单，无需人造能源供给；安装后实现了自主矫正姿态并观测水位及流速的多项功能，能够根据水流流速变化实现水位变频测量；本实用新型具有双精度测量，为数据修正和多方应用提供了基础。

Description

一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计

技术领域

本实用新型创造属于水文测量技术领域，尤其涉及一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计。

背景技术

江河流域的水位监测是水文资料测算的重要工作之一，水位资料与人类社会生活和生产密切相关，是水利工程规划、设计、施工和管理的重要依据。其检测精度和频率，对于防汛抗旱尤为重要。

一般利用水位尺和水位计测定。观测时间和观测次数随水文预报和水文情报需求而不同，一般情况下，日测1-2次，在雨季洪期根据测量需求，增加观测次数，是的观测结果能够完整地反映水位变化的过程。目前使用广泛的是红蓝双色水文尺，精度在厘米级，一般以1米为一节。在使用过程中，需要测量人员实地测量肉眼识别水位高程，该项工作消耗极大的人力物力，此外，在水位波动剧烈的情况下，人为视测的均值也增加了数据的误差。

为了满足水利安全与水资源开发、管理的迫切需求，提高对水文资料的精度，降低获取难度，各种水位传感器应用而生，包括：浮子式水位传感器、压阻式压力水位传感器、导热式水位传感器、导电式水位传感器、超声式水位传感器、光线光栅传感器。此外，基于摄像头和水尺的组合，图像识别技术也在水位测量领域有了运用发展。但目前的测量方法均存在自身的弊端，共有的缺点在于测量时记录的数据受水位波动影响较大，整体数据集偏离实际值的方差大，数据集样本单一，不便于算法修正。此外，测量设备等受漂浮物撞击容易异位倾斜，由此可造成测量数据失效。

此外，水位计的安装离不开固定装置，现有水位计固定装置形式各异，但大致均可分为支架、上端固定装置、基座固定装置三部分。现有水位计安装时，需要在指定位置安装基座固定装置，然后将支架固定在基座固定装置上，最后通过上端固定装置将水尺固定在其上。在固定过程中，在满足牢固的要求下，很难避免水尺安装基座以及水尺保持竖直状态，这将增加水尺观测的误差。此外，在险滩激流条件下，很难有良好的工作面能够完全保障水尺固装的工程标准。

发明内容

本实用新型的目的就是针对上述现有技术存在的问题，设计一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计，通过容栅传感器(包括定栅传感器和动栅传感器)实现了两套相对精度不同水位测量，通过电机和六轴陀螺仪在单片机控制单元的协调作用下，可以实现自动调整水位计竖直姿态，使得面对任何复杂地形都无需担心水尺的竖直状态，也无需为调整其竖直状态而花费精力。本发明结构简单，无需人造能源供给，操作简易方便，安装后实现了自主矫正姿态并观测水位及流速的多项功能，能够节省人工，提高测量效率。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计包括浮尺和支撑桩，所述浮尺上预留有贯穿浮尺的导流洞，在所述导流洞内安装有水轮电机，所述浮尺内安装有电路控制总成，在所述浮尺后侧固装有测量筒，测量筒内安装有可以上下移动的浮板；所述支撑桩包括支撑桩I、支撑桩II、固定模块、支撑梁和浮板支架，所述支撑桩II内同轴安装有支撑桩I，所述支撑桩I顶端固装有固定模块，所述固定模块上有预留孔，支撑梁可以穿过预留孔，并由固定模块顶端的固定螺丝固定其位置，在所述支撑梁与电机I的转子相固装，所述电机I固装在浮板支架上，在所述浮板支架的一端通过电机II与测量筒相连接，另一侧通过所安装的轴承与测量筒连接。测量筒内壁安装有定栅传感器II，浮板内安装有动栅传感器II，所述动栅传感器II与定栅传感器II相互配合测定浮板位置。所述支撑桩II与支撑桩I的接触面均为自润滑材料，能够使得支撑桩II与支撑桩I相对滑动，在所述支撑桩II壁内安装有定栅传感器I，在所述支撑桩I底部内安装有动栅传感器I，所述定栅传感器I和动栅传感器I相互配合测定支撑桩II与支撑桩I的相对位移。电路控制总成包括单片机控制单元、电机驱动模块、六轴陀螺仪、A/D转换和无线传输模块，所述单片机控制单元分别与电机驱动模块、六轴陀螺仪、A/D转换和无线传输模块连接，所述单片机控制单元通过A/D转换分别与动栅传感器I、定栅传感器I、动栅传感器II、定栅传感器II连接和六轴陀螺仪连接，单片机控制单元通过电机驱动模块与电机I和电机II。在支撑梁4内安装有电池；动栅传感器I、定栅传感器I、动栅传感器II、定栅传感器II的测量频率与水轮电机测量得到的流速成正相关；动栅传感器I和定栅传感器I的测量数据为H₁、动栅传感器II和定栅传感器II的测量数据为H₂，则水位数据为H＝H₁-H₂+L，其中，L为支撑桩I的长度。

本实用新型结构新颖、合理、简单，具备如下优点：

(1)可以自动矫正水位计的竖直姿态。降低了对水位计支撑结构的竖直姿态的要求，可以极大的方便测量人员在复杂地形下进行快速高效的固定工作。

(2)水位数据可便于后期修正。受浮尺自重影响，位于支撑桩上的容栅传感器(包括定栅传感器和动栅传感器)测定的数据H₁是相对稳定的水位变化，其瞬时波动小，其计量的水位变化值作为长跨度时间序列资料更具有参考价值；而位于浮尺的测量筒和浮板上的容栅传感器(包括定栅传感器和动栅传感器)测定的数据H₂是相对敏锐的水位变化，其随水位波动较大，能够明锐捕捉洪峰前后水位短时间内的瞬息变化。此外，两者相互配合可测得水位高程。后期可根据数据波动特性应用相关统计学算法进行修正，为实现多种水文测算提供了数据支撑。

(3)水位数据变频测量。水位数据的采集频率与流速呈正相关，当洪水来临后，随着流速增大，测量频率提高，能够更为准确及时地提供洪水过程数据，为防洪抗洪提供及时充足的数据支持。当处于非汛期时，则保持较低的测量频率，避免了能源浪费和数据冗余。

(4)水流自供电力，无需外部人造能源输入。

附图说明

图1是一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计整体结构示意图；

图2是一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计整体结构示意轴侧图；

图3是一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计内部结构纵剖面示意图；

图4是支撑桩局部结构纵剖面示意图；

图5支一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计水平剖面结构示意图；

图6支电路控制总成结构示意图；

图中件号说明：

1、浮尺；2、支撑桩；3、固定模块；4、支撑梁；5、水轮电机；6、浮板支架；7、浮板；8、固定螺丝；9、电路控制总成；10、电机I；11、定栅传感器II；12、支撑桩I；13、支撑桩II；14、动栅传感器I；15、定栅传感器I；16、测量筒；17、电池；18、电机II；19、动栅传感器II；20、单片机控制单元；21、电机驱动模块；22、六轴陀螺仪；23、A/D转换；24、无线传输模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施方案进行详细描述。本实用新型的技术方案是这样实现的：一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计包括浮尺1和支撑桩2，所述浮尺1上预留有贯穿浮尺1的导流洞，在所述导流洞内安装有水轮电机5，所述浮尺1内安装有电路控制总成9，在所述浮尺1后侧固装有测量筒16，测量筒16内安装有可以上下移动的浮板7；所述支撑桩2包括支撑桩I 12、支撑桩II 13、固定模块3、支撑梁4和浮板支架6，所述支撑桩II13内同轴安装有支撑桩I 12，所述支撑桩I 12顶端固装有固定模块3，所述固定模块3上有预留孔，支撑梁4可以穿过预留孔，并由固定模块3顶端的固定螺丝8固定其位置，在所述支撑梁4与电机I 10的转子相固装，所述电机I 10固装在浮板支架6上，在所述浮板支架6的一端通过电机II 18与测量筒16相连接，另一侧通过所安装的轴承与测量筒16连接。测量筒16内壁安装有定栅传感器II 11，浮板7内安装有动栅传感器II 19，所述动栅传感器II 19与定栅传感器II 11相互配合测定浮板7位置。所述支撑桩II 13与支撑桩I 12的接触面均为自润滑材料，能够使得支撑桩II 13与支撑桩I 12相对滑动，在所述支撑桩II 13壁内安装有定栅传感器I 15，在所述支撑桩I 12底部内安装有动栅传感器I 14，所述定栅传感器I15和动栅传感器I 14相互配合测定支撑桩II 13与支撑桩I 12的相对位移。电路控制总成9包括单片机控制单元20、电机驱动模块21、六轴陀螺仪22、A/D转换23和无线传输模块24，所述单片机控制单元20分别与电机驱动模块21、六轴陀螺仪22、A/D转换23和无线传输模块24连接，所述单片机控制单元20通过A/D转换23分别与动栅传感器I 14、定栅传感器I 15、动栅传感器II 19、定栅传感器II 11连接和六轴陀螺仪22连接，单片机控制单元20通过电机驱动模块21与电机I 10和电机II 18。在支撑梁4内安装有电池17；动栅传感器I 14、定栅传感器I 15、动栅传感器II 19、定栅传感器II 11的测量频率与水轮电机5测量得到的流速成正相关；动栅传感器I 14和定栅传感器I 15的测量数据为H₁、动栅传感器II 19和定栅传感器II 11的测量数据为H₂，则水位数据为H＝H₁-H₂+L，其中，L为支撑桩I 12的长度。

在实际使用中，将上述实施方式提供的一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计的支撑桩2在选定的位置无需校准竖直即可砸入地下并使之固定，通过将支撑梁4***固定模块3的预留孔内，将浮尺1安装在支撑桩2上，将支撑桩I 12从支撑桩II 13内提高一定高度并通过限位器固定，使得此时浮尺1处于水面以上，通过浮尺1自重作用使其姿态接近垂直并稳定后，旋紧固定螺丝8使得支撑梁4不发生相对位移或转动。此时，上位机通过无线传输模块24发送启动指令给单片机控制单元20，单片机控制单元20通过A/D转化23接收并处理六轴陀螺仪22的数据，通过计算倾角，来控制电机I 10和电机II 18做相应的姿态调整，直到六轴陀螺仪22测定的数据满足于浮尺1处于竖直姿态。撤销限位器的固定状态，使得浮尺1浸入水中并受自身浮力的作用悬浮在水体中，其中，水轮电机5受水力的推动旋转，一方面为整个***供电，多余的电量储存在电池17里，另一方面可通过A/D23转化，将流速数据传回到单片机控制单元20，由无线传输模块24传递予上位机。浮尺1有一定的自重，不会随小波浪而大幅度沉浮，但会随着水位的升降而升降，相应发生的时，支撑桩I 12与支撑桩II 13也会随之发生相对位移，而位于其上的动栅传感器I 14与定栅传感器I 15将相对位移数据H₁通过A/D转化23发送给单片机控制单元20，同时，位于测量筒16内的浮板7也会随着水位发生变化，相对于支撑桩I 12与支撑桩II 13，浮板7对水位的变化更为敏锐，与之相应的动栅传感器II 19和定栅传感器II 11将相对位移数据H₂通过A/D转化23发送给单片机控制单元20，最终通过无线传输模块24将H₁和H₂传输到上位机。当水轮电机5测得的流速达到不同阈值时，数据H₁和H₂的测量频率相应做出改变，流速越快，测量频率越高。

此外，当所述的一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计受到人为或自然扰动(包括漂浮物撞击)发生偏移后，单片机控制单元20通过A/D转化23接收并处理六轴陀螺仪22的数据，通过计算倾角，来控制电机I 10和电机II 18做相应的姿态调整，直到六轴陀螺仪22测定的数据满足于浮尺1处于竖直姿态。

Claims (6)

1.一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计，其特征在于：一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计包括浮尺(1)和支撑桩(2)，所述浮尺(1)上预留有贯穿浮尺(1)的导流洞，在所述导流洞内安装有水轮电机(5)，所述浮尺(1)内安装有电路控制总成(9)，在所述浮尺(1)后侧固装有测量筒(16)，测量筒(16)内安装有可以上下移动的浮板(7)；所述支撑桩(2)包括支撑桩I(12)、支撑桩II(13)、固定模块(3)、支撑梁(4)和浮板支架(6)，所述支撑桩II(13)内同轴安装有支撑桩I(12)，所述支撑桩I(12)顶端固装有固定模块(3)，所述固定模块(3)上有预留孔，支撑梁(4)可以穿过预留孔，并由固定模块(3)顶端的固定螺丝(8)固定其位置，在所述支撑梁(4)与电机I(10)的转子相固装，所述电机I(10)固装在浮板支架(6)上，在所述浮板支架(6)的一端通过电机II(18)与测量筒(16)相连接，另一侧通过所安装的轴承与测量筒(16)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计，其特征在于：测量筒(16)内壁安装有定栅传感器II(11)，浮板(7)内安装有动栅传感器II(19)，所述动栅传感器II(19)与定栅传感器II(11)相互配合测定浮板(7)位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计，其特征在于：所述支撑桩II(13)与支撑桩I(12)的接触面均为自润滑材料，能够使得支撑桩II(13)与支撑桩I(12)相对滑动，在所述支撑桩II(13)壁内安装有定栅传感器I(15)，在所述支撑桩I(12)底部内安装有动栅传感器I(14)，所述定栅传感器I(15)和动栅传感器I(14)相互配合测定支撑桩II(13)与支撑桩I(12)的相对位移。

4.根据权利要求1所述的一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计，其特征在于：电路控制总成(9)包括单片机控制单元(20)、电机驱动模块(21)、六轴陀螺仪(22)、A/D转换(23)和无线传输模块(24)，所述单片机控制单元(20)分别与电机驱动模块(21)、六轴陀螺仪(22)、A/D转换(23)和无线传输模块(24)连接，所述单片机控制单元(20)通过A/D转换(23)分别与水轮电机(5)、动栅传感器I(14)、定栅传感器I(15)、动栅传感器II(19)、定栅传感器II(11)连接和六轴陀螺仪(22)连接，单片机控制单元(20)通过电机驱动模块(21)与电机I(10)和电机II(18)。

5.根据权利要求1所述的一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计，其特征在于：在支撑梁(4)内安装有电池(17)。

6.根据权利要求1所述的一种基于水力自动矫姿的双精度变频水位计，其特征在于：动栅传感器I(14)、定栅传感器I(15)、动栅传感器II(19)、定栅传感器II(11)的测量频率与水轮电机(5)测量得到的流速成正相关；动栅传感器I(14)和定栅传感器I(15)的测量数据为H₁、动栅传感器II(19)和定栅传感器II(11)的测量数据为H₂，则水位数据为H＝H₁-H₂+L，其中，L为支撑桩I(12)的长度。

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