一种动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置

技术领域

本发明属于蒸散发测量技术领域，更具体地，涉及一种动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置。

背景技术

水面蒸散发一直以来作为河流湖泊的耗水大户，是进行水文分析规划中的一个不可忽略的因素，而蒸散量作为水文模型中的重要参数，蒸散量的测量对水文模拟，水资源规划等方面都有着重要影响，因此提高蒸散量的测量进度具有十分重要的现实意义。

在利用水面蒸散发测量设备在对河流湖泊进行水面蒸散发测算的过程中，需将水面蒸散发测量设备进入待测河流湖泊中，由于外界干扰因素包括各种水面装置、设备会造成水面波纹，当流体经过水面蒸散发测量设备时，其下游的两侧会有旋涡交替脱落，使其受到的升力和阻力发生周期性变化，这种周期性变化会引起水面蒸散发测量设备的振动，长期振动致使其发生疲劳破坏，影响其水面蒸散发的测算精度。

目前为保证水面蒸散发测量设备不易被外界干扰因素破坏，常用的技术手段是在蒸散发测量设备以支架、杆的形式，防止其受外界干扰因素的影响，实现对测量装置的稳定性控制。这些技术虽在原有技术层面上对蒸散发的测量精度有一定的提升，但设备整体稳定性较差，只能保障设备在较小的环境变化条件下具有有限的稳定性，无法克服水面其他装置产生的水流冲击力对设备的稳定性影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置，旨在提高水面蒸散发测量设备的稳定性，减少外界干扰因素对测量精度的影响，提高测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置，应用于水面蒸散发测量设备中，包括自动平衡组件、波纹消除组件和压力检测组件，其中，

所述水面蒸散发测量设备工作时通过链接杆固定在所述自动平衡组件的上方，所述自动平衡组件用于利用杠杆原理的作用调整所述水面蒸散发测量设备在待测水域中的平衡状态；

所述压力检测组件，用于测量待测水域中水流波纹的冲击力信息；

所述波纹消除组件，包括带控制器的可伸缩式宫格板，所述可伸缩式宫格板套设在所述水面蒸散发测量设备和所述自动平衡组件构成的整体结构外，所述可伸缩式宫格板的底部通过多个间隔分布的第一金属杆与所述自动平衡组件的外侧周边固定相连，所述控制器用于根据所述冲击力信息控制所述可伸缩式宫格板的伸长来消除所述水面纹波在垂直方向上的势能。

相比于传统以支架、杆的形式来提高水面蒸散发测量设备在测量过程中的稳定性，本发明提供的动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置包括自动平衡组件，水面蒸散发测量设备固定在自动平衡组件的上方，自动平衡组件利用杠杆原理的作用来实现对水面蒸散发测量设备在水中作用的平衡状态，从而可有效提高水面蒸散发测量设备的稳定性，确保水面蒸散发测量设备的水上作业；同时，本实施例提供的动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置还包括带有可伸缩式宫格板的波纹消除组件，通过控制可伸缩式宫格板的伸长来消除外界干扰因素产生的水面纹波在垂直方向上的势能，从而消除水面纹波，提高测量精度。

在其中一个实施例中，所述可伸缩式宫格板包括多个伸缩组件及嵌套并紧贴相连的内环形宫格板和外环形宫格板，所述伸缩组件设置在所述内环形宫格板和所述外环形宫格板的紧贴连接处，所述外环形宫格板的底部通过多个间隔分布的第一金属杆与所述自动平衡组件的外侧周边固定相连；

其中，所述内环形宫格板和外环形宫格板均包括若干个由两个波浪状环形膜片组成的环形膜片组，各环形膜片上设置若干个阵列通孔，各环形膜片组中的两个环形膜片紧贴交错相连；所述伸缩组件包括第一电机和彼此啮合的第一齿条和第一齿轮，所述第一齿轮与所述第一电机的输出轴固接，所述第一齿轮设置在所述内环形宫格板的外壁上，所述第一齿条竖直设置在所述外环形宫格板的内壁上，所述第一齿条两端部的齿顶高大于其中间部的齿顶高。

在其中一个实施例中，所述自动平衡组件包括质量分布均匀的圆柱形平衡板，所述平衡板的顶面边缘设有一圆形滑道，所述圆形滑道内放置有一带有水平高度传感器A的球状铁块A，所述滑道外壁上设有感应所述球状铁块A位置信息的位置传感器；所述平衡板的中间围绕圆心环形分布设有多个相同质量的球状铁块B，多个所述球状铁块B对应通过可伸缩式金属杆与所述圆心处固定相连，所述圆心处设有水平高度传感器B和信息处理器；

其中，所述信息处理器用于根据所述水平高度传感器A检测的高度信息h

在其中一个实施例中，所述球状铁块B的数量设为N个，N≥2；所述位置传感器采用角度传感器，所述角度传感器以角度α的形式反馈所述球状铁块A的位置信息，其中，所述角度α是通过将所述圆形滑道划分为N个单元并分别对应定义的，0°<α

在其中一个实施例中，所述球状铁块B的数量设为360个。

在其中一个实施例中，各球状铁块B对应的可伸缩式金属杆伸长的长度为：

式中，l

在其中一个实施例中，所述可伸缩式金属杆包括第二金属杆、一端开口设置的空心套筒、第二电机、第二齿条和第二齿轮，所述空心套筒的一侧内壁上水平设有所述第二齿条，所述第二金属杆的一侧外部紧贴设置在所述空心套筒的另一侧内壁上，位于所述空心套筒内的所述第二金属杆的一端通过所述第二齿轮与所述第二齿条啮合，所述第二齿轮与所述第二电机的输出轴固接，所述第二齿条两端部的齿顶高大于其中间部的齿顶高。

在其中一个实施例中，所述压力检测组件采用压力传感器，所述压力传感器设置在所述链接杆上。

在其中一个实施例中，所述水面蒸散发测量设备采用E601蒸发皿。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的可伸缩式宫格板中的伸缩组件的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的可伸缩式宫格板中的内环形宫格板/外环形宫格板的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的自动平衡组件的结构示意图；

图5是图4中自动平衡组件中的可伸缩式金属杆的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为解决水面蒸散发测量设备在测算河流湖泊水面蒸散发时，存在稳定性差、测量精度低的问题，本发明提供了一种动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置，可有效提高水面蒸散发测量设备的稳定性，并减少外界干扰因素对测量精度的影响，提高测量精度。

图1是本发明一实施例提供的动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置，该装置主要应用于水面蒸散发测量设备50中，比如本领域常用的E601蒸发皿中，用于测量河流湖泊的水面蒸散发。

为提高水面蒸散发测量设备50在测量过程中的稳定性，本实施例提供的动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置包括自动平衡组件10，水面蒸散发测量设备50工作时通过链接杆12固定在自动平衡组件10的上方，本实施例提供的链接杆12优选采用链接金属杆。自动平衡组件10利用杠杆原理的作用调整水面蒸散发测量设备50在待测水域中的平衡状态，在本实施例中，凡是利用杠杆原理的作用设计的自动平衡组件10的结构形式均适用于本发明。

为减少水面纹波产生的冲击力对蒸散发测量精度的影响，本实施例提供的动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置还包括压力检测组件(图中未示出)和波纹消除组件。

在本实施例中，压力检测组件可采用压力传感器，用于测量待测水域中水流波纹的冲击力信息。具体地，该压力传感器可设置在链接杆12上。

波纹消除组件，包括带有控制器的可伸缩式宫格板20，可伸缩式宫格板20套设在水面蒸散发测量设备50和自动平衡组件10构成的整体结构外，控制器用于根据冲击力信息控制可伸缩式宫格板20的伸长或收缩。具体地，当水流纹波的冲击力大于或等于阈值F

为维系水面蒸散发测量设备50测量的功能，并保证整个装置更好地浸入水中并具有较好的平衡能力，本实施例提供的可伸缩式宫格板20的底部采用多个间隔分布的第一金属杆22与自动平衡组件10的外侧周边固定相连。

相比于传统以支架、杆的形式来提高水面蒸散发测量设备50在测量过程中的稳定性，本实施例提供的动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置包括自动平衡组件10，水面蒸散发测量设备50固定在自动平衡组件10的上方，自动平衡组件10利用杠杆原理的作用来实现对水面蒸散发测量设备50在水中作用的平衡状态，从而可有效提高水面蒸散发测量设备50的稳定性，确保水面蒸散发测量设备50的水上作业；同时，本实施例提供的动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置还包括带有可伸缩式宫格板20的波纹消除组件，通过控制可伸缩式宫格板20的伸长来消除外界干扰因素产生的水面纹波在垂直方向上的势能，从而消除水面纹波，提高测量精度。

在一个实施例中，本发明提供的可伸缩式宫格板20可包括多个伸缩组件及嵌套并紧贴相连的内环形宫格板和外环形宫格板，伸缩组件设置在内环形宫格板和外环形宫格板的紧贴连接处。优选地，可伸缩式宫格板20可采用2个伸缩组件，2个伸缩组件对应设置在内环形宫格板和外环形宫格板组成的环形结构中相对的两个紧贴连接处。

其中，可参见图2，本实施例提供的伸缩组件可采用包括第一电机(图中未示出)和彼此啮合的第一齿条24和第一齿轮26的结构形式，第一齿轮24与第一电机的输出轴固接，第一齿轮24设置在内环形宫格板的外壁上，第一齿条竖直设置在外环形宫格板的内壁上。

可参见图3，本实施例提供的内环形宫格板和外环形宫格板均可包括若干个由两个波浪状环形膜片组成的环形膜片组，该波浪线环形膜片即为一折叠为波浪状的长方体薄片，可增大其与波纹的接触面积，达到更快消除波能在垂直方向上的势能。各环形膜片上设有若干个阵列通孔，各环形膜片组中的两个环形膜片紧贴交错相连，使得环形膜片中间凹出形成椭圆状。且本实施例提供的外环形宫格板的底部通过多个间隔分布的第一金属杆22与自动平衡组件10的外侧周边固定相连。

本实施例提供的可伸缩式宫格板20的工作原理为：压力检测组件将实时测量得到的待测水域中水流波纹的冲击力信息发送至可伸缩式宫格板20中的控制器，当控制器判断该水流冲击力为异常水流冲击力时，发出控制信号至可伸缩式宫格板20中的第一电机，通过第一电机带动第一齿轮24在第一齿条26上运动，由于外环形宫格板固定在自动平衡组件10的外周侧壁上，使得外环形宫格板保持不动，内环形宫格板则通过第一电机向水平面方向升起，直至内环形宫格板上表面与水平面同高度，达到伸长可伸缩式宫格板20的目的。当波浪传播到可伸缩式宫格板20时，内环形宫格板和外环形宫格板上的阵列通孔可消除波能在垂直方向上的势能，并使得水平方向上的水流冲击力向不同方向分解，进而降低波纹对测量装置的影响。

在本实施例中，为防止本实施例提供的内环形宫格板从外环形宫格板内升起时脱离外环形宫格板，本实施例提供的第一齿条26两端部的齿顶高可设置为大于其他部位的齿顶高。

在一个实施例中，本发明提供的自动平衡组件10旨在维系水面蒸散发测量设备50在水中作业时的平衡状态，其具体构造可参见图4，包括质量分布均匀的圆柱形平衡板11，平衡板的顶面边缘设有一圆形滑道，圆形滑道内放置有一带有水平高度传感器A的球状铁块A，其质量为m，水平高度传感器A实时动态高度定位为h

平衡板11的中间围绕圆心环形分布设有多个相同质量的球状铁块B，其质量均为M，多个球状铁块B对应通过可伸缩式金属杆12与圆心处固定相连，圆心处设有信息处理器和水平高度传感器B，水平高度传感器B实时动态高度定位为h

其中，信息处理器用于根据水平高度传感器A检测的高度信息h

具体地，可参见图5，本实施例提供的可伸缩式金属杆12可采用包括第二金属杆122、一端开口设置的空心套筒124、第二电机(图中未示出)、第二齿条126和第二齿轮128的结构形式，其中，空心套筒124的一侧内壁上水平设有第二齿条128，第二金属杆122的一侧外部紧贴设置在空心套筒124的另一侧内壁上，位于空心套筒124内的第二金属杆122的一端通过第二齿轮128与第二齿条126啮合，第二齿轮128与第二电机的输出轴固接。当信息处理器计算到各可伸缩式金属杆12伸长的信息时，发送控制信号至各可伸缩式金属杆12中的第二电机，使得第二电机带动第二金属杆122向空心套筒124外移动，以达到伸长的目的。

当然，本实施例提供的可伸缩式金属杆12也可以采用其他的结构形式，本实施例不作限制，只需要满足其能接收信息处理器输出的控制信号实现金属杆伸长的目的即可。进一步地，为防止本实施例提供的第二金属杆122从空心套筒124外伸长时脱离空心套筒124，则本实施例提供的第二齿条126的两端部的齿顶高设置为大于其他部位的齿顶高。

同时为监测整个装置的实时水平稳定状态，并方便后续计算各可伸缩式金属杆12伸长的长度，本实施例提供的位置传感器优选采用角度传感器，该角度传感器以角度α的形式反馈球状铁块A的位置信息，其中，角度α是通过将圆形滑道划分为N个单元并分别对应定义的，0°<α

本实施例提供的自动平衡组件10调整水面蒸散发测量设备50平衡状态的工作原理为：

当外部干扰因素导致平衡板11倾斜时，其倾斜角度β为：

且由装置受力分析可知：

式中，M'表示本装置加上水面蒸散发测量设备的总质量；F表示水流冲击力的等效合力，作用点为装置倾斜时的最高点。

根据杠杆原理，有如下式：

式中，l

将各球状铁块B所需力矩以

因此，对于各球状铁块B所对应的可伸缩式金属杆的伸长长度为：

可伸缩式金属杆12伸长之后，由于杠杆原理的作用，平衡板11高度较高部分所受力矩增加，进一步地使之向平衡状态转换，最后使平衡板11趋于平衡，完成其功能。

本实施例提供的自动平衡组件10通过对平衡板11进行动态水平状态监测，通过持续动态调节各可伸缩式金属杆12的长度，使平衡板11达到平衡态，进而可使固定在平衡板11上的水面蒸散发测量设备达到平衡态，有利于其水上作业，提高其测量进度。

为更清楚地说明本发明提供的动态消除波纹对水面蒸散发测量影响的装置，以下结合具体实施例进行相应说明：

本装置的各参数设定如下：带有压力传感器的链接金属杆长度L＝500mm，平衡板半径R＝500mm，球状铁块A质量m＝1kg，球状铁块B质量M＝1kg，可伸缩式金属杆初始长度r＝100mm，最大伸缩长度r

将水面蒸散发测量设备通过链接金属杆固定在本装置自动平衡组件的上方，然后将其整体置于待测蒸散发的水域中，此时带压力传感器的链接金属杆与平衡板开始工作，二者工作相互影响但分别独立。

关于链接金属杆：当水流因外部干扰因素产生扰动，进而对装置造成水流冲击，且此水流冲击力到达阈值F

关于平衡板：平衡板中小球A与圆心O处的水平高度传感器，随时以频率f实时读取高度位置，以此判断装置的水平状态，当装置水平时，装置无响应，水平高度传感器持续读取高度位置信息。装置倾斜时，其倾斜角度β为：

且有：

当高度不水平时根据球状铁块A位置，根据圆形滑道中各单元(共360个已对应定义单元)划分，通过角度传感器读取球状铁块A在滑道中的位置。进一步地，读取小球位置为α。

然后根据球状铁块A位置α确定单元范围对应的可伸缩式金属杆(或与球状铁块A相距最近的球状铁块B)，编号为n，联立方程并根据以下表达式计算：

代入数据，解得各球状铁块B对应的可伸缩式金属杆伸长距离为l

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。