基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流装置及方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，涉及基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流装置，还涉及基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流方法。

背景技术

流量是河道及渠道最重要的水文特征值之一，它不仅是水量水体变化的基本数据，还是制约河道及渠道水利工程建设的关键因素。随着节水型农业的不断推进，流量与水量的快速、精细化测量也逐渐应用于大型灌区内，对渠道用水进行实时监测和科学有效地管理是灌区的发展方向，也是推动灌区自动化、信息化发展的重要措施。目前大型灌区明渠渠道测流大多采用传统的流速仪速度面积法，测量方法单一，而且此方法工作量大，耗费时间长，效率低，测量精度无法保证；较为先进的测流装置采用原理与传统基本一致，但存在造价较高，测量精度难以保证的问题。现急需研发出另外一种方式来校对流速大小的准确性，提高流速及流量的测量精度。鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流装置，能够实现对不同灌溉渠道断面过水流量精准测定。

本发明的目的还在于提供基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流装置，包括一对能够横跨固定在渠道两侧的水平设置的伸缩引导杆，伸缩引导杆上滑动套接有T型定位滑块，T型定位滑块上固定有垂直于伸缩引导杆的支撑杆，支撑杆两端分别固定有定位翼板，定位翼板下方固定有竖直方向的运动导柱，两组运动导柱之间设置有一与支撑杆平行的测流管，测流管上联通有两个测定水头高度的毕托管，毕托管向上竖直贯通定位翼板、毕托管顶部设置有超声波探头a；T型定位滑块上部还设置有MCU微控制器，MCU微控制器分别与超声波探头a和无线操作控制器电性相连。

本发明的特点还在于：

定位翼板上开设有定位孔b，毕托管竖直向上穿过定位孔b。

运动导柱上滑动连接有凸型滑块，测流管固定焊接在凸型滑块上，凸型滑块通过驱动模块驱动上下运动。

伸缩引导杆的两端通过连接固定节连接有竖直方向的承重伸缩升降架，承重伸缩升降架的底部固定在三角承重底座上；连接固定节的端头还设置有端头锁定挡块，端头锁定挡块的上表面设置有水平仪。

定位翼板的下方还设置有超声波探头b。

无线操作控制器上设置有电源开关、工作指示灯、故障警报灯、数据记录设置键、用于采集超声波探头a信号的操作区a、用于采集超声波探头b信号的操作区b以及操作显示屏。

超声波探头b与无线操作控制器电性相连。

本发明所采用的第二种技术方案是，基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流方法，首先确定测定横断面，利用网格划分法选取该横断面不同位置处的流速测定控制点，最后利用该装置依次对计划测定控制点进行测定数据并记录分析，首先将该装置架立在该指定横断面位置处，测得渠道断面水深H，根据水深H输入测定控制点参数，然后逐一按顺序将测流管放在测定控制点处，通过水流在管道中的流态分析得出该处流速大小，最后通过对比多组测定数据，再根据计算模型计算断面流量。

具体操作步骤如下：

步骤1：首先对需测定渠道水势进行分析，选取确定测定横断面；

步骤2：预先把装置放到指定横断面位置处，同步调节伸缩引导杆、两侧的承重伸缩升降架高度使之安全平稳架立在渠道两岸，此时测流管位于运动导柱顶端尚未放入水中，保持伸缩引导杆、承重伸缩升降架与该横断面处于同一平面内，手动调节三角承重底座上调平旋钮，同时观测伸缩引导杆两端水平仪气泡是否居中，确保装置保持水平；

步骤3：打开无线操作控制器电源开关，根据MCU微控制器初始状态信息，在无线操作控制器控制T型定位滑块，调整测流部件滑移至测流线位置上，所述测流部件包括测流管、运动导柱、定位翼板、支撑杆；

步骤4：通过两侧定位翼板上的驱动模块超声波探头b测得河道内水深H，根据水深H对该横断面进行网格划分，确定计划测定控制点并做好记录；

步骤5：根据测定控制点参数，在无线操作控制器操作控制凸型滑块带动测流管向下滑移至水下计算高度处，观测测流管上水平仪气泡是否居中，确保测流管在水下测定时保持水平状态；

步骤6：待水流不受装置安装影响恢复平稳后，静置一段时间，观测测流管纵向两侧毕托管液面高度，同时毕托管顶端超声波探头a测定计算数据h，通过线路将数据传输至MCU微控制器内；

步骤7：在该测线位置上，控制凸型滑块滑移改变水下测定不同高度，再次重复步骤5，测定得到该流线位置上多组计算数据；

步骤8：操作控制驱动模块，控制装测流管向上滑移完全处于水面以上后停止，再次操作控制T型定位滑块，调整装置中伸缩引导杆、主测流部件滑移至下一个测流线位置上；所述主测流部件包括测流管与运动导柱；

步骤9：重复步骤5～7，依次完成该横断面上每一个测流线位置上测定工作，计算数据均传输至MCU微控制器内，完成后关闭电源开关；

步骤10：通过计算公式进行分析测定数据，得出测流结果。

步骤10中测流结果计算方法如下：

通过毕托管测得测量管道上下游水头h

(1)沿程水头损失计算

h

式中：

h

h

(2)流速计算

1)当测流管道材质为钢管或铸铁管时

V

当V

式中：

L——管段的长度；

d——管道的内径；

v

f(h

2)当测流管道为石棉水泥管时

式中：

f

(3)测流断面流量Q

其中，n是测点个数；

根据渠道断面将测点分为3列，根据渠道水深H，将竖向测点分为两类，当H≥1.0m时，竖向测点为3行，总测点数为9个；当H＜1.0m时，竖向测点为2行，总测点数为6个；

当H≥1.0m时各测点面积计算公式：

当i≤3，

当3＜i≤6，

当6＜i≤9，

当H＜1.0m时各测点面积计算公式：

当i≤2，

当2＜i≤4，

当4＜i≤6，

式中：

Q——测流断面流量；

A

H——测流断面水深；

B——测流断面上口水面宽度；

m——测流断面坡比。

本发明的有益效果是：

针对现有渠道测速装置采用原理的单一性，本发明提供了一种全新的流速测定方法，除测定原理新颖之外还可实现多点多层定点测量，采用断面分割(网格划分)综合计算，使得测定结果更接近真实值，保证了测量精度。同时传输分析系统可根据流速的不同流态或管道的不同材质选择不同的计算公式，最终根据流速与断面面积的关系得到指定断面的流量。

本测定装置结构便携、造型新颖独特、结构易拆卸组装、安装及维修操作简单；主要支撑结构使用不锈钢材质补刷防锈漆，管道使用防腐蚀设计，运行安全稳定；只需接通电源就可以实现明渠指定位置流量的自动化测定；装置可实现纵向的上下移动，横向的左右移动，多条测线流速的快速、精准测定，测量结束后可秒获取断面流量值，同时能够实现数据的线上传输，形成分析文件，简洁、快速、准确地完成对渠道流量的测定。除此之外本装置的过流管道材质可使用钢管、铁管或石棉水泥管均可，对材质要求较低，装置整体造价低更便于广泛推广。

附图说明

图1是本发明测定装置整体结构图

图2是本发明无线操作控制端控制器结构图。

图3是本发明河道同一测流线上不同测点测定工作状态流程图。

图4是本发明计算流速的流程图。

图5是本发明渠道水深H≥1.0m时测点分布图。

图6是本发明渠道水深H＜1.0m时测点分布图。

图中，1：测流管、2：毕托管、3：超声波探头a、4：运动导柱、5：凸型滑块、6：固定螺丝、7：固定旋钮、8：定位翼板、9：定位孔a、10：定位孔b、11：驱动模块、12：超声波探头b、13：支撑杆、14：T型定位滑块、15：MCU微控制器、16：伸缩引导杆、17：连接固定节、18：端头锁定挡块、19：水平仪、20：承重伸缩升降架、21：三角承重底座、22：底座调平旋钮、23：引线线路、24：无线操作控制器、24-1：电源开关、24-2：工作指示灯、24-3：故障警报灯、24-4：数据记录设置键、24-5：操作区a、24-6：操作区b、24-7：操作显示屏。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明，使本专业的技术人员能够按照本具体实施方式做出不同区域(大江大河等)或者监测断面(过水渠道或排水管口)泥沙含量精准监测装置，而且能够用本发明的装置监测该测点处不同等级粒径的泥沙含量。

实施例1

本发明的基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流装置，如图1-2所示，包括一对能够横跨固定在渠道两侧的水平设置的伸缩引导杆16，伸缩引导杆16上滑动套接有T型定位滑块14，T型定位滑块14上固定有垂直于伸缩引导杆16的支撑杆13，支撑杆13两端分别固定有定位翼板8，定位翼板8下方固定有竖直方向的运动导柱4，两组运动导柱6之间设置有一与支撑杆13平行的测流管1，测流管上联通有两个测定水头高度的毕托管2，毕托管2向上竖直贯通定位翼板8、毕托管2顶部设置有超声波探头a3；T型定位滑块14上部还设置有MCU微控制器15，MCU微控制器15分别与超声波探头a3和无线操作控制器24电性相连。

定位翼板8上开设有定位孔b10，毕托管2竖直向上穿过定位孔b10。

运动导柱4上滑动连接有凸型滑块5，测流管1固定焊接在凸型滑块5上，凸型滑块5通过驱动模块11驱动上下运动。

伸缩引导杆16的两端通过连接固定节17连接有竖直方向的承重伸缩升降架20，承重伸缩升降架20的底部固定在三角承重底座21上；连接固定节17的端头还设置有端头锁定挡块18，端头锁定挡块18的上表面设置有水平仪19；承重伸缩升降架20还通过引线线路23与驱动装置相连实现伸缩；

三角承重底座21下部还设置有底座调平旋钮22，用于对装置进行调平。

定位翼板8的下方还设置有超声波探头b12。

定位翼板8上还设置的定位孔a9，超声波探头b12进入MCU微控制器的线路，以及凸起滑块5进入驱动模块的线路均从定位孔a9穿出来固定。

如图2所示，无线操作控制器24上设置有电源开关24-1、工作指示灯24-2、故障警报灯24-3、数据记录设置键24-4、用于采集超声波探头a信号的操作区a24-5、用于采集超声波探头b信号的操作区b24-6以及操作显示屏24-7。

超声波探头b12与无线操作控制器24电性相连。

实施例2

本发明基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流装置，包括测流管，水体从测流管的一端进入，从另一端流出，测流管上设置有相应的毕托管，测定该位置上的水头高度，通过水头损失来获取该测点的流速；测流管焊接于凸型滑块，凸型滑块与运动导柱实现上下滑动，完成多个测点的流速测定；运动导柱的一端与定位翼板下表面焊接一体，定位翼板一端设置超声波探头b，另一端开通孔使毕托管竖直贯通，定位翼板上表面设置有驱动模块控制凸型滑块；两个定位翼板之间通过支撑杆刚性链接，支撑杆中间部位与伸缩引导杆通过T型定位滑块链接并实现其左右移动；T型定位滑块上表面安置MCU微控制器；MCU微控制器用于控制驱动模块驱动电机实现滑块的线性运动与超声波的启闭以及数据计量；伸缩引导杆两端与承重伸缩升降架链接，承重伸缩升降架可实现整体装置的上下移动(整体向上离开水体、向下进入水体实现多点位测量)，承重伸缩升降架一端设置有三角承重底座，通过底座调平旋钮22实现水平仪气泡居中，装置水平。

本发明的基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流装置，能够使用本发明测定不同区域河道与渠道的过水断面流量值、并实现数据的无线传输和实时监控。本发明所运用的测流管、运动导柱、伸缩引导杆以及承重伸缩升降架材质均为不锈钢。其中测流管半径25mm，长为150cm。本发明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场景条件(渠道等规格)来自行定夺。本装置由纵向移动部分(伸缩引导杆16与T型定位滑块15)、主测流部件(测流管1与运动导柱5)、竖直移动部分(承重伸缩升降架20与三角承重底座)组成，外加传输分析可实现测定结果的实时更新，为渠道水力计算提供技术数据；独特的结构设计能够使装置适应各种监测环境；通体设计便携，装置操作简单，可适用于非专业人员操作；管道材质不受限制。综上，本装置具有较为广阔的应用前景，且便于推广。

另外，本发明的测流管1与运动导柱5、支撑杆13与伸缩引导杆16、承重伸缩升降架20与三角承重底座21均为可拆卸可拼装，便于技术人员携带与安装。

实施例3

本发明基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流方法，包括使用测流管1获取指定位置流速大小；通过凸型滑块5与运动导柱4实现测流管在竖直方向上的移动测定测线上不同测点的流速；结合承重伸缩升降架20使得整个测流部件整体上升即运动导柱4离开水体，然后通过伸缩引导杆16使整个测流部件整体沿纵向左右移动，到达设定好的测线位置；再通过承重伸缩升降架20使得整个测流部件整体下降即运动导柱4进入水体获取不同测线上测点流速，再根据计算模型计算断面流量，具体如下：

首先确定测定横断面，利用网格划分法选取该横断面不同位置处的流速测定控制点，最后利用该装置依次对计划测定控制点进行测定数据并记录分析，首先将该装置架立在该指定横断面位置处，测得渠道断面水深H，根据水深H输入测定控制点参数，然后逐一按顺序将测流管放在测定控制点处，通过水流在管道中的流态分析得出该处流速大小，最后通过对比多组测定数据，再根据计算模型计算断面流量。

实施例4

本发明的基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流方法，如图3所示，具体操作步骤如下：

步骤1：首先对需测定渠道水势进行分析，选取确定测定横断面；

步骤2：预先把装置放到指定横断面位置处，同步调节伸缩引导杆、两侧的承重伸缩升降架高度使之安全平稳架立在渠道两岸，此时测流管位于运动导柱顶端尚未放入水中，保持伸缩引导杆、承重伸缩升降架与该横断面处于同一平面内，手动调节三角承重底座上调平旋钮，同时观测伸缩引导杆两端水平仪气泡是否居中，确保装置保持水平；

步骤3：打开无线操作控制器电源开关，根据MCU微控制器初始状态信息，在无线操作控制器控制T型定位滑块，调整测流部件滑移至测流线位置上，所述测流部件包括测流管、运动导柱、定位翼板、支撑杆；

步骤4：通过两侧定位翼板上的驱动模块超声波探头b测得河道内水深H，根据水深H对该横断面进行网格划分，确定计划测定控制点并做好记录；

步骤5：根据测定控制点参数，在无线操作控制器操作控制凸型滑块带动测流管向下滑移至水下计算高度处，观测测流管上水平仪气泡是否居中，确保测流管在水下测定时保持水平状态；

步骤6：待水流不受装置安装影响恢复平稳后，静置一段时间，观测测流管纵向两侧毕托管液面高度，同时毕托管顶端超声波探头a测定计算数据h，通过线路将数据传输至MCU微控制器内；

步骤7：在该测线位置上，控制凸型滑块滑移改变水下测定不同高度，再次重复步骤5，测定得到该流线位置上多组计算数据；

步骤8：操作控制驱动模块，控制装测流管向上滑移完全处于水面以上后停止，再次操作控制T型定位滑块，调整装置中伸缩引导杆、主测流部件滑移至下一个测流线位置上；所述主测流部件包括测流管与运动导柱；

步骤9：重复步骤5～7，依次完成该横断面上每一个测流线位置上测定工作，计算数据均传输至MCU微控制器内，完成后关闭电源开关；

步骤10：通过计算公式进行分析测定数据，得出测流结果。

本发明基于多点位水头损失原理的高精度渠道测流方法中测流结果的计算具体如下：

通过毕托管测得测量管道上下游水头h

(1)沿程水头损失计算

h

式中：

h

h

(2)流速计算

1)当测流管道材质为钢管或铸铁管时，如图4所示：

V

当V

式中：

L——管段的长度；

d——管道的内径；

v

f(h

3)当测流管道为石棉水泥管时

式中：

f

(3)测流断面流量Q

其中，n是测点个数；

根据渠道断面将测点分为3列，根据渠道水深H，将竖向测点分为两类，当H≥1.0m时，竖向测点为3行，总测点数为9个(如图5所示)；

当H＜1.0m时，竖向测点为2行，总测点数为6个(如图6所示)；

当H≥1.0m时各测点面积计算公式：

当i≤3，

当3＜i≤6，

当6＜i≤9，

当H＜1.0m时各测点面积计算公式：

当i≤2，

当2＜i≤4，

当4＜i≤6，

式中：

Q——测流断面流量；

A

H——测流断面水深；

B——测流断面上口水面宽度；

m——测流断面坡比。

本发明的创新点：

目前国内外的渠道流量测定装置种类繁多，依据原则基本一致，存在测定精度不高、造价昂贵等问题。本装置在总结以上经验的基础上独辟蹊径，现将装置创新点总结如下：

①本装置采用管道内流速与沿程水头损失的数学关系确定流速大小，提供一种全新的流速测定方式，方法及原理新颖；

②本装置可通过纵横向移动装置完成测验断面指定测点的流速测定，根据断面面积与流速的关系确定可实现对断面流量的精准测定；

③能适用多种流态的水流流速测验，使用范围更广。

④流速本质就是一束束流体运动与迁移的直接体现，测流管的设计就是将水体分成一束束细小流体，更能够直接反映水体流动的真实状态，对于圆管且有压流条件下，沿程水头损失与流速的平方成线性函数，在测流管端进出后设置毕托管，能够直接获取该流体断面水头损失即沿程水头损失，进而获取断面流速值且其大小更接近水体流动实际值，精度更高。目前大多数流量计包括接触式和非接触式，其中接触式测点处流体受装置本身结构影响并非实际测点流速；非接触式的大多数是测的水体表面流速，进一步修正计算断面流量；都未考虑流体自生运动特点，测流具有局限性且精度难以完全保证，采用本装置大大减少了这些问题，能够提升测流精度并推广应用，同时也为渠道测流提供一种全新(流态稳定接近真实状态)测流方法。

⑤管流的沿程水头损失与管段长度L、管段内径d，管道过水断面平均流速v，沿程水头损失系数λ有关，其中λ又与管道糙率有关，不同管材其糙率不一样，故同一流速的水流通过不同管材的测量管道将产生不同水头损失，故针对不同管材选择了不同的计算公式。

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，本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。