一种流线型闸墩平板闸门流量测控装置及系统

技术领域

本发明属于量水领域，具体涉及一种流线型闸墩平板闸门流量测控装置及系统。

背景技术

灌区量水是灌区实行计划用水和准确引水、输水、配水、灌水的重要手段，也是控制用户用水量与水费征收的主要依据。我国已对多种量水设施进行了研究，编制了量水标准和手册。但灌区末级渠道仍然缺乏配套的量水设施，自动化程度有待提高。各类量水设施中，特设量水设施及量水仪表能够达到较高的测流精度，如量水槽测量精度高、不易淤积、水头损失小，在灌区得到广泛应用，但是量水槽无法调节渠道流量，难以实现灌区的分水控制、流量测量、信息自动化管理等目的，与灌区信息化、自动化建设存在较大差距。

利用节制闸、分水闸等渠系建筑物进行流量量测，具有水头损失小、成本低、可控制流量等优点，在闸孔出流条件下具有较高的量测精度，但是在闸门超过一定开度、形成堰流时，不再具备流量量测功能。在渠道输配水过程中，分水闸多为全开，无法进行流量精准量测。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种流线型闸墩平板闸门流量测控装置及系统，解决现有技术存在的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种流线型闸墩平板闸门流量测控装置，包括渠道，还包括闸门与流线型闸墩，流线型闸墩设于渠道内，流线型闸墩与渠道之间能够形成一过流通道，闸门沿竖直方向可活动的设于流线型闸墩上，用于调节过流通道内的过流量；

所述流线型闸墩形状由1/4椭圆和圆弧组成，其中，1/4椭圆方程为：

圆弧方程为：

式中，x、y是坐标，坐标原点是闸墩收缩段起点，P是闸墩厚度，单位：cm；C是流线型闸墩长度，单位：cm；R是圆弧半径，单位：cm；

所述流线型闸墩的收缩比为0.5～0.6。

优选的，所述闸门设于流线型闸墩中心位置，流线型闸墩的两侧分别为上游段与下游段，渠道上方设置第一传感器、第二传感器与第三传感器，第一传感器通过第一支架设于上游段，第二传感器通过第二支架闸门顶部，第三传感器通过第三支架设于下游段。

优选的，所述第一传感器、第二传感器与第三传感器与渠道内的过流液面平行。

优选的，所述第一传感器与第二传感器的距离为2～3倍流线型闸墩高度，第三传感器与第二传感器的距离为3～4倍流线型闸墩高度，第二传感器与闸门之间的距离大于1.2倍闸门高度。

优选的，所述第二支架上还设置闸门驱动机构，闸门驱动机构包括螺杆、滑台与电机，螺杆一端与电机连接，螺杆另一端与滑台螺纹连接，电机设于第二支架上，滑台还与闸门连接。

一种流线型闸墩平板闸门流量测控系统，包括流量测量模块，所述流量测量模块采用所述的流线型闸墩平板闸门流量测控装置，还包括供电模块与控制模块，

供电模块与控制器均与电机、第一传感器、第二传感器与第三传感器电连接，供电模块用于为流线型闸墩平板闸门流量测控系统供电，控制器能够获取第一传感器、第二传感器与第三传感器的测量信息并进行计算，并控制电机工作进一步控制闸门开度，计算当前闸门开度下的流线型闸墩平板闸门流量测控装置及系统的过流量。

优选的，所述供电模块包括太阳能光伏板、电压调节器与蓄电池组，太阳能光伏板用于将太阳能转换的电能进行储存备用；

电压调节器与太阳能光伏板电连接，用于将直流电转化为交流电；

蓄电池组与电压调节器以及电机电连接，用于将交流电进行储存或供给电机。

优选的，所述控制模块包括：控制器、驱动器与显示器，控制器与蓄电池组、电机、驱动器以及第一传感器、第二传感器、第三传感器以及显示器电连接，控制器能够获取第一传感器、第二传感器与第三传感器的测量信息并根据测量信息计算当前过流量，若当前过流量与目标流向相同，控制器不进行下一步工作，若当前过流量与目标流向不同，控制器向驱动器发送不同的脉冲信号频率，驱动器与电机连接，将脉冲信号放大控制电机的旋转，控制器通过输出高低电平信号控制电机的正反转，电机转动带动螺杆升降控制闸门开度，控制器获取该状态下的测量信息并根据测量信息计算当前过流量，直至当前过流量与目标流向相同，控制器停止工作，显示器能够将第一传感器、第二传感器与第三传感器的测量以及流量信息进行显示。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的装置与系统通过设置流线型闸墩与闸门组合能够更精准的测量过流通道的过流量，使得本装置的测得的过流量精度更高更接近真流量，此外，通过闸门可活动的设于流线型闸墩内部，能够控制过流通道内的过流量，以便根据需要的目标流量实施调控闸门实现调节过流通道内过流量的目的，本发明的装置结构简洁，测量精度高且能实施调节过流量，做到按需供水的目的，满足灌溉需求。

(Ⅱ)本发明的装置与系统，闸门的流线型闸墩除了起到固定闸门的作用外，还具备量水功能，将闸墩设置为流线型闸墩。流线型闸墩由1/4椭圆曲线和一段相切的圆弧组成，仅需闸墩长度和厚度即可绘制曲线，施工方便，易于实现标准化。当闸门大开度且形成堰流时，流线型闸墩可作为量水设施，利用临界流原理测量流量，具有较高的测流精度和较小的水头损失，一般闸墩则不具备量水功能。当通过调节闸门开度控制流量时，相比传统的方形闸墩，本发明的流线型闸墩能使水流更平顺地流过闸门，更大程度地降低水头损失。

附图说明

图1是本发明的流线型闸墩平板闸门流量测控装置的整体结构示意图；

图2是本发明流线型闸墩的体形曲线图；

图3是本发明的流线型闸墩平板闸门流量测控装置的俯视图；

图4是本发明的流线型闸墩平板闸门流量测控系统的模块图；

图5是本发明的工作原理图；

图6是本发明的闸门驱动机构的结构示意图。

图中各个标号的含义为：

1-渠道，2-闸门，3-过流通道，4-螺杆，5-滑台，6-电机，7-流线型闸墩，101-第一传感器，102-第二传感器，103-第三传感器，11-第一支架，12-第二支架，13-第三支架。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

本文中所提及到的方向性术语，如“顶部”、“平行”、“上游”和“下游”均与说明书附图中纸面上的具体方向或附图中所示空间的相应方向一致。

实施例：

一种流线型闸墩平板闸门流量测控装置，如图1-6所示，包括渠道1，其特征在于，还包括闸门2与流线型闸墩7，流线型闸墩7设于渠道1内，流线型闸墩7与渠道1之间能够形成一过流通道3，闸门2沿竖直方向可活动的设于流线型闸墩7上，用于调节过流通道3内的过流量；

所述流线型闸墩7形状由1/4椭圆和圆弧组成，其中，1/4椭圆方程为：

圆弧方程为：

本实施例中，根据渠道宽度和相关研究，选择流线型闸墩的收缩比为0.58，确定闸墩厚度P＝12.6cm，闸墩长度C为厚度P的4～6倍，选定C＝60cm，代入方程

得到：1/4椭圆方程为：

圆弧方程为：

其中，流线型闸墩分为上游收缩段、喉口段和下游扩散段，流线型闸墩喉口段断面面积与渠道断面面积之比为收缩比。

本实施例的装置通过设置流线型闸墩与闸门组合能够更精准的测量过流通道的过流量，使得本装置的测得的过流量精度更高更接近真流量，此外，通过闸门可活动的设于流线型闸墩内部，能够控制过流通道内的过流量，以便根据需要的目标流量实施调控闸门实现调节过流通道内过流量的目的，本发明的装置结构简洁，测量精度高且能实施调节过流量，做到按需供水的目的，满足灌溉需求。

作为本实施例的一种优选方案，其特征在于，所述闸门2设于流线型闸墩7中心位置，流线型闸墩7的两侧分别为上游段与下游段，渠道1上方设置第一传感器101、第二传感器102与第三传感器103，第一传感器101通过第一支架11设于上游段，第二传感器102通过第二支架12闸门2顶部，第三传感器103通过第三支架13设于下游段。

其中，本实施例的第一传感器101、第二传感器102与第三传感器103为超声波传感器，可实现非接触式测距，应用广泛，精度较高，第一传感器101与第三传感器103能够测量流线型闸墩内上游段与下游段的水位，第二传感器102能够测量闸门开度信息；

作为本实施例的一种优选方案，所述第一传感器101、第二传感器102与第三传感器103与流线型闸墩1内的过流液面平行，提高传感器的测量精度，进一步提升测流精度。

所述第一传感器101测量的上游水位记为H，第二传感器测量102测量的闸门开度记为e，第三传感器103测量的下游水位记为h。

本实施例中，当流线型闸墩平板闸门流量测控装置及系统安装完成后，先对3个超声波传感器进行校准，校准后将3个传感器的距离值输入系统作为上游水位、闸门开度及下游水位的基准值h

所述e/H>0.8时，按堰流计算，若测得闸门开度e＝9cm，上游水位H＝10.9cm，则流量为Q＝20.4288×1.09

所述e/H≤0.8时，按闸孔出流计算，根据闸门开度e和淹没度h/H判断是自由出流或是淹没出流，当满足以下条件时视为淹没出流：

若测得闸门开度e＝7cm，上游水位H＝21cm，下游水位h＝13.8cm，此时的经过流线型闸墩平板闸门流量测控装置的流量Q为：

否则视为自由出流，若测得闸门开度e＝10cm，上游水位H＝17.4cm，下游水位h＝8.3cm，经过流线型闸墩平板闸门流量测控装置的流量Q为：

其中，Q为经过流线型闸墩平板闸门流量测控装置的流量，单位L/s；e为闸门开度，单位dm，g为重力加速度，g＝98.1dm/s2。

本实施例所用的流线型闸墩平板闸门相比传统闸门扩大了测流范围。形成闸孔出流需要一定的水位和闸门开度，当过流通道过流量较小时，利用闸孔出流测流精度下降。流线型闸墩作为闸门附属设备，同时还具有流量测量功能，在闸门开度较大、流量较小形成堰流时，流线型闸墩束窄水流，利用临界流原理测得流量，精度较高，只需要测定上游水位即可算出流量，弥补了闸孔出流在小流量下测流精度低的不足。在本实施例中，若仅采用平板闸门测流，适宜的过流范围是25～60L/s，测流的最大相对误差7.30％，而采用流线型闸墩之后，过流范围可扩大至10～65L/s，最大相对误差减小至4.70％。此外，本实施例采用的流线型闸墩平板闸门相较于常规闸门改变了闸孔出流和堰流的分界点。一般闸门的闸孔出流和堰流的分界点为0.65，闸门相对开度大于0.65为堰流，反之则为闸孔出流。流线型闸墩因其特殊的体形造成孔堰流分界点发生改变，由0.65增大至0.8左右。

本实施例所用的流线型闸墩的适宜收缩比在0.5～0.6左右。当收缩比超过0.6继续增大时，在同一流量下，闸墩的阻水作用减小，上游傅汝德数增大，研究表明，收缩比为0.67时，上游傅汝德数最大可达0.45，此时上游水位较小，流速较大，水位测量容易产生较大误差，导致测流精度降低，而水位测量处的傅汝德数不宜超过0.5。当收缩比小于0.5时，在同一流量下，闸墩的阻水作用增大，壅高上游水位，导致水头损失增加。例如收缩比为0.45，流量为50L/s时，水头损失超过7cm，上游水位壅达到8cm。在水位增加的同时，上游流速降低，挟沙输水能力下降，容易形成淤积。闸墩的厚度和渠道宽度决定收缩比，在采用流线型闸墩时应根据渠道宽度选择合适的闸墩厚度P，闸墩长度C取厚度的4～6倍，即C＝4～6P。

作为本实施例的一种优选方案，所述第一传感器101与第二传感器102的距离为2～3倍流线型闸墩高度。上游此处水位平稳，波动较小，而且与流量的相关性较好。第三传感器103与二传感器102的距离为3～4倍流线型闸墩高度。下游水位低于上游且存在波动，此处水位恢复平稳。第二传感器102与闸门2之间的距离大于1.2倍闸门高度，可保证覆盖闸门的适宜开度范围，防止误触。

作为本实施例的一种优选方案，所述第二支架上12还设置闸门驱动机构，闸门驱动机构包括螺杆4、滑台5与电机6，螺杆4一端与电机6连接，螺杆4另一端与滑台5螺纹连接，电机6设于第二支架12连接，滑台5与闸门2。

其中，通过设置电机控制螺杆4在第二支架的竖直方向上正反转动，进一步的通过带动滑台5沿着螺杆上升或者下降，使闸门沿着竖直方向运动，实现改变闸门开度的目的，本实施例的闸门驱动机构操作便捷。

本实施例的使用过程：

灌溉水进入流线型闸墩1的过流通道，根据灌溉需求控制闸门2在流线型闸墩上的竖直高度。

实施例2：

一种流线型闸墩平板闸门流量测控系统，包括流量测量模块，所述流量测量模块采用实施例1的流线型闸墩平板闸门流量测控装置，还包括供电模块与控制模块，

供电模块与控制器均与电机、第一传感器101、第二传感器102与第三传感器103电连接，供电模块用于为流线型闸墩平板闸门流量测控装置及系统供电，控制器能够获取第一传感器101、第二传感器102与第三传感器103的测量信息并进行计算，并控制电机工作进一步控制闸门开度，计算当前闸门开度下的流线型闸墩平板闸门流量测控装置及系统的过流量。

作为本实施例的一种优选方案，所述供电模块包括太阳能光伏板、电压调节器与蓄电池组，太阳能光伏板用于将太阳能转换的电能进行储存备用；

电压调节器与太阳能光伏板电连接，用于将直流电转化为交流电；

蓄电池组与电压调节器以及电机电连接，用于将交流电进行储存或供给电机。

作为本实施例的一种优选方案，所述控制模块包括：所述控制模块包括：控制器、驱动器与显示器，控制器与蓄电池组、电机、驱动器以及第一传感器101、第二传感器102、第三传感器103以及显示器电连接，控制器能够获取第一传感器101、第二传感器102与第三传感器103的测量信息并根据测量信息计算当前过流量，若当前过流量与目标流向相同，控制器不进行下一步工作，若当前过流量与目标流向不同，控制器向驱动器发送不同的脉冲信号频率，驱动器与电机连接，将脉冲信号放大控制电机的旋转，控制器通过输出高低电平信号控制电机的正反转，电机转动带动螺杆升降控制闸门开度，控制器获取该状态下的测量信息并根据测量信息计算当前过流量，直至当前过流量与目标流向相同，控制器停止工作，显示器能够将第一传感器、第二传感器与第三传感器的测量以及流量信息进行显示。

本实施例中，控制器采用STC89C51RC单片机，第一传感器、第二传感器与第三传感器均为HC-SR04超声波传感器，尺寸45mm×26mm×15mm，显示器采用LCD1602显示屏，尺寸80.5mm×36.5mm，采用24V蓄电池组，电压调节器为LM2576HV-ADJ，超声波传感器可实2cm～400cm的非接触式距离感测功能，测量精度±3mm，与单片机端口相接传输数据，经计算将水位、开度和流量信息输出到显示屏上。蓄电池组为装置提供动力，太阳能光伏板进行充放电管理，电压调节器输出装置所需的固定电压。