TWM423827U - Multi-functional system for automatic measurement of river hydrology - Google Patents
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M423827 、 五、新型說明: 备 、· > ·: 【新型所屬之技術領域】 本創作係關於一種河川水文的量測,特別指一種河川多 項水文參數的自動量測系統。 【先前技術】 在整個颱風洪水過程中(以下簡稱為全洪程)量測水文 • 參數,如:水位、水流流速、河床面高程、水流含砂濃度等, 疋/可川洪水預警及其它構造物如橋梁安全預警系統等之基 礎。但是目前除水位外’其它水文參數量測多以人工方式進 行。 以量測河床面高程為例,傳統方法細驗或鋼索綁一 重物,再由操作人員垂放人水中直至河底,由橋面高程扣除 繩索長度即得河床面高程。但繩索或鋼索易隨風晃動且不完 • 全垂直河面,會有一弧度,因此放出之繩索長度會超過實際 垂直距離。尤其在趟風期間,受風力及水流沖擊影響,繩索 或鋼索之弧度更大,測量誤差也隨著增大。 在實際操作過程中,因颱風期間風雨交加,且洪水水流 強勁,在考量人員安全或者在橋梁封閉的情況下,難以全天 候實施人工觀測,導致錯失尖峰流量通過的時刻,對於洪水 預警以及事後分析檢討幫助有限。 雖然目前河川管理單位正嘗試恢復推動全洪程觀測,惟 受限於人力及設備,單次人工觀測的時間通常為2小時以上 3 (單次觀測通常要施作4至5條測線),每日能制的數據組 數有限;此外賴、豪雨會導致視線不佳,對人8安全及觀 測準確性有莫大影響’因此亟需—套自動化系絲取代人工 觀測方法。 【新型内容】 本創作之主要目的,係提供—種能同時間量測河川多項 水文參數的自動系統,包含:—水位計,剌電波或音波的 發射及反射計算該水位計到水面的距離,再以水位計所在位 置的高程扣除輯即得水面高程(即雜);-表面流速計 ’應用電波或音波以都普勒原理量測水面流速;-重錘探測 器’由重錘、水壓計、泥砂濃度計、流速計構成:水壓計, 應用水壓量測得到水深;泥砂濃度計,_音_普勒原理 量測泥砂濃度;流料,利職杯式或㈣式或電阻式散熱 速率原理制各種水下深度之流速。泥砂濃度計、流速計與 水壓計同辆作可飾不同水雜置之泥砂濃歧流速。當 水壓·4·床面時,量到的水深即為水面到河床面的距離 ’再由刖面㈣的水面S程(即水位)扣除距離即得河床面 而程。由刊_得到的河床面高軸比較即制河床沖刷 (或淤積)深度。 本案的多功能河川水文自動量測系統之一實例的詳細架 構包含-支撐架,該支撲架位於橋面下,有—立板連接橋面 板下方’立板下為—平板;該支#架用以©定所有量測單元 M423827 / ;-防水輔,跡水_錄支雜之平板JLS,該防水 • 鐵箱内含:—訊號處理機及資料儲存設備位在該防水鐵箱内 ,該訊號處賴及資_存設備可在設定時_,發出訊號 使各種量測儀H分別量_水位及水絲面流速等;—捲揚 機位在該防水鐵箱内,且包含一鋼索,至少一防水電線(傳 輸訊號)及至少一滑輪;其中該鋼索延伸出防水鐵箱,用以 巾放巾工圓柱型重錘獅彳|| ;該鋼索外繞防水電線,該電 Φ 線則用於傳輸各種量測儀器的訊號至訊號處理器;該鋼索可 以升降,所以可取得在不同水_水文參數資料;—水壓計 ’該水壓計位於柱型重錘探測ϋ之中空空間内,用於 畺測水壓,利用公式轉換即可得到水壓計所在位置之水深; 其中斜空u柱形重錘係位於鋼索之末端,該巾空圓柱形重 鐘之中空空_含水壓計,驗將水壓計沉人水巾並到達河 床,當該中空圓柱形重錘沉人水中,内含的水壓計開始量測 鲁水壓,水壓經公式轉換後即得水壓計所在位置之水深;當該 中空圓柱形f剩達河床,水即不再變化,因此可由水壓 疋否達咖定值來判_中空圓柱形重錘是否到達河床。 【實施方式】 有關本案創作為達目的所運用之技術手段,茲謹再配合 圖式一,二及三所示之實施例,詳細說明本案之如下: 本案主要是提出一種河川多項水文參數的自動量測方法 及系統,包含一水位計,應用電波或音波的發射及反射得水 5 M423827 位;一表面流速計,應用電波或音波以都普勒原理量測水面 . 流速;一重錘探測器,由重錘、水壓計、泥砂濃度計、流速 5十構成.水壓計,應用水壓量測得到水深;泥砂濃度計,利 用音波都普勒原理量測泥砂濃度;流速計,量測备種水下深 度之流速。泥砂濃度計、流速計與水壓計同時運作可得到不 同水深位置之泥砂濃度及流速。當水壓計沉到河床面時量 到的水深即為水面到河床面的距離,再由前面得到的水面高 ❿ 程(即水位)扣除距離即得河床面高程。由不同時刻得到的 河床面两程相比較即得到河床沖刷(或於積)深度。 本案之多功能河川水文自動量測系統之結構,如圖一所 示,包含: 支樓条10,該支擇架10位於橋面下,該支樓架包 含一立板11連接橋面板下方,立板u下為一平板12,平板 12上有一防水鐵箱20,平板12下方則安放一水位計3〇及流 鲁速計40。該支撐架1〇用以固定所有量測單元。 一防水鐵箱20,該防水鐵箱20位於支撐架之平板12 上方,内含:訊號處理器21、資料儲存設備22、通訊設備23 、捲揚機24、鋼索25、防水電線(傳輸訊號)26及滑輪27 。該防水鐵箱20内之訊號處理器21及資料儲存設備22可由 σΡ輕便型電胳I元成。而該防水鐵箱内2〇之捲揚器24連接 一鋼索25,該鋼索25延伸出防水鐵箱2〇,用以吊放中空圓 柱型重錘50及超音波式泥砂濃度量測計6〇。 其中該鋼索25 —端連接該防水鐵2〇箱内之捲揚器μ, M423827 另一端延伸出該防水鐵箱20並垂下用以吊放該中空圓柱形重 鍾50。該鋼索25外繞防水電線26,該電線26則用於傳輪泥 沙濃度量測計60及水壓計55訊號至訊號處理器21。因為該 鋼索25可以升降’所以可取得不同水深的水流含砂濃度。 一訊號處理機21及資料儲存設備22,該訊號處理機及 21資料儲存設備22可在設定時間内,發出訊號使水位計3〇 、表面流速計40分別量測出水位高度及水流表面流速。同時 ,訊號處理器21發出訊號啟動捲揚機24,放出鋼索25、防 水電線26、中空圓柱形重錘5〇、水壓計55及泥砂濃度量測 计60。該訊號處理機21可自行設定時間間距自動量測水文參 數,並將資料儲存於資料儲存設備22中。且因為利用電腦控 制量測,所以無人員操作安全之顧慮,量測準確性高於人工 方式’且不受天候、夜間視線不良或橋梁封閉之影響。 本案中的通訊設備23可以是有線及無線的連接,用於將 相關訊號處理機及㈣儲存設備連接猶端的控制端,所以 使用者可以進行遠端的遙控及資料傳送、分析等。人員無需 在現場,甚至能以行練置如平板電腦等㈣伽進行量測 任務。 一水位計30,該水位計30位於支撐架1〇之平板12下方 ’與支撐架10之立板對齊,該水位計3〇為一超音波或雷 達波式水料,彻發出及反狀峨_得水面高程。 -表面流速計40,該流速計40位於支擇架1〇之平板12 下方’雜料40為-雷達波式或·追縱式流速計,利用 7 M423827 發出及反射之訊號或影像比對來測得水流表面流速。 該中空圓柱形重鐘50位於鋼索25之末端,用於將水壓 計55、泥砂濃度量測計60沉入水中並到達河床,該中空圓柱 形重錘50之中空空_含水壓計55。當該中空陳形重鐘 50沉入水中’内含財壓計55開始量測水壓,水壓經公式轉 換後即得水壓計55所在位置之水深^ #該中空圓柱形重鐘5〇 到達河床,水壓即不再變化’因此可由水壓是否達到固定值 來判斷該中空圓柱形重錘50是否到達河床。 該水壓計55位於中空圓柱形重錘5〇之中空空間内,用 於量測水壓,利用公式轉換即可得到水壓計55所在位置之水 深。 -泥沙濃度量顺6G,該泥沙敍量晰.6{)位於鋼索 25之末端’中空圓柱形重錘5〇之上方,$一超音波式泥沙濃 度量測計,另外可視需要加裝電阻式流速計。 本案中在e亥中空圓柱形重鐘處尚可加裝電阻式散熱速 率原理流速计,配合水壓計55的水深讀數,則能得到垂直剖 面的水流流速分佈,對計算平均流速、流量、輸砂量等,能 得到更精確的結果。 因本系統採模組化設計,可視當地條件取消部分模組。 例如某些橋梁已設有水位計3〇,故不必重覆裝設水位計3〇。 又例如受限於經費因素,可取消泥砂濃度量測計6G等,如圖 二所不者。惟本系統之水力參數計算方法及邏輯等,為本發 明創新之主要部分’不應受部分模組被取消而受影響。 8 本創作係利用電腦控制水文之量測,利用訊號處理器設 定在定時間内,啟動捲揚機,放出鋼索、防水電線、泥砂 漢度量測計、水斷、中空m柱形重錘,以及使水位計及表 面/’IL速;7別/貞彳&水位高程及水流表面流速。當重錘沉入水 中’内含的水壓計開始量測水壓,水壓經公讀換後即得水 壓計所在位置之水深。當重錘到達河床,水壓即不再變化, 因此可由水壓是科卿定值來躺重錘是到達河床。由 水壓固紐可权當時總水深(彳旨河床Φ至自由水面之水深) 。將水位計所量取之水位高程扣除總搞後,即可得當時河 床面尚程由别、後時間量測之河床面高程相減,即可得到 當時河床面沖⑼深度。中空圓柱形重錘上方之财濃度量 測計沉人水巾後,同時與水壓制始量麻砂濃度^由水 壓計與泥砂濃度量晰之練_輯,可刺列水深( 度)之泥砂濃度值。此對學術研究提供重要參考。 本系統優點為1.能自行設定咖間距自動制水力參數 。2_無人員操作安全顧慮,量測準確性高於人工方式,且不 文天候、夜間視線不良或橋梁封閉之料。3.能即時獲得量 測結果並喊需人工計算後再彙整喃。4•能遠端遙控 ,人員減在現場’甚至能以行動裝置如平板電腦等控制儀 器進行量靡H因為能即時取得河床面高程,因此更能 精確地利用「斷面流速法」量雕量。6.能即時取得不同水 深的水流含砂濃度’她於目前舰以人王方法取水樣後送 實驗室分析,姐多觀_水面下水深處之含秒濃度而 人β 。方便性及時效性。7.如加裝電阻式流迷計,配 5水料的切讀數,職得_直勤的水流流速分佈', 對计算平均流速、流量、輸砂量等,能制更精確的結果。 8·本系統的重臟測輯有鋼索連結至捲職,但鋼索僅用 於垂放重錘㈣ϋ,其長度㈣於高料算内,目此即使風 吹及水流使鋼索成一弧度,亦不影響高程計算,此為本系統 與傳統河床面高程量測方式最顯著不同之處,且明顯優於傳 統方式。 綜上所陳,僅為本創作之較佳實施例而已’並非用來限 定本創作實施之範圍。即凡依本創作申請專利範圍所做之岣 等變化與修飾,皆為本創作專利範圍所涵蓋。 M423827 【圖式簡單說明】 第一圖為本案之完整設計的示意圖。 第二圖為本案之防水鐵箱的細部元件示意圖。 第三圖為本案之fai化設計的不意圖。 【主要元件符號說明】 10 支撐架 11 立板 12 平板 20 防水鐵箱 21 訊號處理機 22 資料儲存設備 23 通訊設備 24 捲揚機 I 25 鋼索 26 防水電線 27 滑輪 30 水位計 40 表面流速計 50 中空圓柱形重錘 55 水壓計 60 泥砂濃度量測計 11
Claims (1)
- 六、申請專利範圍: 年 1. 一種多功能河川水文自動量測系統,包含 支樓架’該支撐架位於橋面下,有-立板連接橋面板 下方;立板下為一平板;該支撐架用以固定所有量測單元; 一防水鐵箱,該防水鐵箱位於支撐架之平板上方,該防 水鐵箱内含: -瓣u處理機及資料财設備位在該防錢箱内,該訊 籲號處理機及資料儲存設備可在設定時間内,發出訊號使各種 量測儀益分別量測出水位高度及水流表面流速等; -捲揚機位在該防水鐵箱内,且包含—鋼索,至少―防 水廷線(傳輸訊號)及至少—滑輪; 其中該鋼索延伸出防水鐵箱,用以吊放—中空圓柱型重 錄;該鋼索外繞防水電線,該電線則用於傳輸各種量測儀器 的訊號至訊號處理機;該鋼索可以升降,所以可取得不同水 I 深的資料; -水壓計,該水壓計位於中空圓柱形重錘之中空空間内 ’用於量測轉,_公式轉換即可得到水壓計所在位置之 水深; 其中該中空圓柱形重錘係位於鋼索之末端,該中空圓柱 形重鐘之中空空間内含水愿計,用於將核計沉入水中並到 達河床’當該中空圓柱形重錘沉入水中’内含的水觀開始 量測水壓,水驗公式轉換後即得水壓計所在位置之水深·, 當該中空圓柱形重錘到達河床,水屢即不再變化,因此可由 M423.827 .•水壓是科_定值來觸射空圓_翅是_達|^^^ 〇 如申請專利範圍第1項之多功能河川水文自動量測系 統’ ^包含:―泥沙濃度量測計,該泥沙濃度量測計位於鋼索 之末^ ’中空圓柱形重錘内部之上方。 ,3.如中請專利範圍第2項之多功能河川水文自動量測系 ’先ν、中°亥尼沙農度量測計為一超音波式泥沙濃度量測計。 # 4·如申請專利範圍第1項之多功能河川水文自動量測系 、’’克尚包含一流速計;配合水壓計的水深讀數,則能得到垂 直剖面的水流流速分佈,對計算平均流速、流量、輸砂量等 ’能得到更精確的結果。 5·如申請專利範圍第1項之多功能河川水文自動量測系 .統’尚包含: 一表面流速計,該流速計位於支撐架之平板下方,該流 • 速計為一雷達波式或影像追蹤式流速計,利用發出及反射之 ' 訊號或影像比對來測得水流表面流速。 6.如申請專利範圍第1項之多功能河川水文自動量測系 統’尚包含: —水位計,該水位計位於支撐架之平板下方,與支撐架 之立板對齊。 ?·如申請專利範圍第6項之多功能河川水文自動量測系 統,其中該水位計為一超音波或雷達波式水位計,利用發出 及反射之訊號來測得水面高程。 13 M423827 統 石I ί 年月 8.如申請專利範圍第1項之多功能河川水文自動量一-,尚包含: 一通訊設備,該通訊設備為有線或無線的連接,用於將 相關訊號處理機及資料儲存設備連接到遠端的控制端,所以 使用者可以進行遠端的遙控及資料傳送,分析。 斗修正 日補充 M423827 ‘維i2. 〇 7修正年月曰補充25 26 V圖一 M423827 10), 修正 年月曰iM423827 _.12_〇7修正 年月曰轟充
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2011
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