電子機械式流向偏角儀的研制與應用

徐長征，馮文娟，王慶斌

(黃委山東水文水資源局孫口水文站，山東 濟寧 272626)

流量是描述某河流水文要素的重要參數(shù)，也是反映河流水量多少的重要指標。流量測驗的目的是取得天然河流以及水利工程地區(qū)河道經(jīng)過調(diào)節(jié)控制后的各種徑流資料，掌握全河水量的時空分布情況，為流域水利規(guī)劃、防汛抗旱、水利工程管理運用和國民經(jīng)濟建設提供可靠的依據(jù)。

流量的計算是建立在一個以橫斷面為垂直平面、水流表面為水平面、流速為曲面所包圍的體積模型上，通過計算單位時間內(nèi)流過某一過水斷面的水體體積獲得流量數(shù)據(jù)。本文主要闡述影響流量計算精度的一個因素──流向偏角，介紹研制出的讀取流向偏角的儀器-電子機械式流向偏角儀。

一般情況下，對流量測驗影響最大的是沿水流方向的流速變化，而水流的方向和大小又受河道斷面形狀、坡度、水深、風、氣壓等因素的影響，隨時間不斷地變化。在用流速面積法計算流量時，需要用垂直于斷面方向的流速計算水流流速，但是由于水流方向的變化，往往水流方向與垂直于斷面線的方向會有夾角，流向偏角見圖1中θ角。

圖1 流向偏角示意圖

若水流有流向偏角而不改正，將會給流量計算造成很大誤差；偏角在10°時，誤差為1.5%；偏角在25°時，誤差可達10%，因此，當流向偏角超過10°時，應測定流向偏角。

實測流量時，測點流速采用轉數(shù)、歷時計算，或從流速儀計數(shù)器上直接讀取。當實測流向偏角大于10°時，且各測點均有記錄時，在計算垂線平均流速之前，應作偏角改正，并按以下公式計算：

VN=Vcosθ

式中，VN—垂直于斷面的測點流速，m/s；V—實測的測點流速，m/s；θ—流向與斷面垂直線的夾角。

1 流量測驗讀取流向偏角的現(xiàn)狀

以往在黃河下游用測船進行流量測驗時，采用系線浮標法測量流向偏角，方法是用一根20～30m的繩子拴著一個用木頭制作的參照物，俗稱“木魚”漂浮在水面，利用六分儀讀取“木魚”方向與垂直于測驗斷面的夾角，即流向偏角。同時，還需要人牽著木魚的繩子跟著斷面的方向跑。這種測驗方式簡單粗放，費時費力，測量精度低。

隨著測驗設備、儀器智能化的發(fā)展和測報水平能力提升的要求，孫口水文站在流量低于2000m3/s時，采用吊箱進行流量測驗，吊箱測驗相比測船測驗在起點距位置定位上更加準確，也節(jié)省成本。近年來孫口水文站積極進行技術革新，研制出模塊化吊箱進行流量測驗，電子機械式流向偏角儀就是模塊化吊箱中一個讀取流向偏角的模塊。

吊箱測驗在山東測區(qū)已經(jīng)成為常態(tài)，測驗時不再使用六分儀定位和讀取流向偏角，原因有以下三點。

(1)測驗人員直接在操作房內(nèi)，操作吊箱控制柜，直接控制吊箱的行程即起點距，并由控制柜上的顯示屏顯示起點距的數(shù)據(jù)，不用六分儀定位。

(2)吊箱測驗斷面與測船測驗斷面相比，沒有斷面基線標和基線桿，使用六分儀時無法進行位置交匯。

(3)六分儀定位受視線、角度、光線、能見度等外在自然因素影響定位精度，給水文流量測驗帶來了一定差誤差。

用吊箱測驗不能使用六分儀讀取流向偏角，所以吊箱測驗時流向偏角讀取就有了很大的困難，為了解決這一難題，筆者研制出了電子機械式流向偏角儀來解決流向偏角器的讀取問題，并在實際測驗中得到了很好的應用。

2 電子機械式流向偏角儀的研制

2.1 工作原理

電子機械式流向偏角儀的主要部件有電子角度儀、機械式量角器、旋轉圓環(huán)、流向導向器。電子角度儀見圖2，具有使用簡單、顯示屏直讀角度、鎖定角度、任意旋轉角度等優(yōu)點；機械式角度量角器見圖3，能實現(xiàn)0°～180°任意調(diào)節(jié)測量，能夠直接觀讀角度刻盤的數(shù)據(jù)。

圖2 電子角度儀

圖3 機械式角度量角器

電子機械式流向偏角儀制作時，將電子角度儀與機械式量角器通過一些連接件組合在一個整體框架上，用電子角度儀的指針支臂代替機械式量角器的指針，實現(xiàn)指針所指的角度在電子角度儀顯示屏上和機械式角度量角器上同步。當指針指向刻盤0°的時候，電子角度儀按復零鍵復零，此時電子顯示的角度與機械式刻盤的指針讀數(shù)可進行校正。

電子機械式流向偏角儀的結構:電子角度儀顯示屏支臂與機械式量角的橫向支臂通過一個圓管相連接，在圓管的中心位置安裝一個旋轉圓軸，圓軸固定在與圓管一端相連的軸承底座上。

同時，在與電子角度儀指針相連的豎向支桿上安裝牽引圓環(huán)，牽引圓環(huán)的是由一根繩索和一個三角形方管制作的流向導向器，流向導向器用來代替六分儀測驗時所需的“木魚”，并且流向導向器的下部安裝有與水流方向一致的導向片，其特點是：不生銹、重量輕、強度大、導向穩(wěn)定、收取方便。電子機械式流向偏角儀外形圖見圖4。

圖4 電子機械式流向偏角儀外形圖

電子機械式流向偏角儀的應用：測驗時，利用卡扣將電子機械式流向偏角儀安裝在吊箱與斷面平行的一測，把流向導向器放入水中，吊箱運動時，通過繩索拉動導向器往斷面方向運動，水流的方向又影響導向器的運動方向，形成流向偏角。同時，導出器的運動會帶動指針和旋轉圓環(huán)左右運動，此時顯示屏上就會顯示轉動的角度，這樣就可以直接讀出流向偏角，電子機械式流向偏角儀測驗圖見圖5。

圖5 電子機械式流向偏角儀測驗圖

2.2 電子機械式流向偏角器的制作

需要的原材料：電子角度儀一個，304不銹鋼立式SKP內(nèi)徑為φ10mm的帶座軸承一個，機械式角度量角器一個、φ10mm的不銹鋼圓軸一根、導向片、備用不銹鋼材料、支桿和螺絲。

制作過程：為了將電子角度儀鑲嵌在框架里面，防止角度儀活動，在框架兩側做兩個φ6mm的不銹鋼頂絲，用螺絲刀旋緊頂絲，電子角度顯示儀就被緊緊的安裝在不銹鋼方管制作的框架內(nèi)。

然后，制作一個安裝304不銹鋼立式軸承的φ20mm不銹鋼圓管，圓管的一端與電子角度儀、機械式量角器的轉軸中心相連接。不銹鋼圓管的中心點必須與電子角度儀的中心點在一個中心點上，不然將會出現(xiàn)測量誤差。在圓管的中心安裝一根φ10mm的不銹鋼圓軸，將其固定在圓管的中心線上，圓管的另一端通過圓軸固定304不銹鋼立式軸承座。

在軸承座的兩個螺絲孔上安裝兩個φ8mm的橫向支桿，兩個橫向支桿與電子角度儀指針支臂通過一個裝有圓環(huán)的豎向支桿相連接，然后在豎向支桿背對不誘鋼圓軸側安裝牽引圓環(huán)。這樣電子角度儀和機械式量角器通過兩個橫向支桿、一個豎向支桿和旋轉圓軸就組成了一個聯(lián)動整體，最終實現(xiàn)了牽引圓環(huán)下面的導向器運動時，顯示屏顯示的角度和指針指向刻度盤的數(shù)據(jù)一致，組合圖見圖6。

圖6 電子電子角度儀和機械式刻度盤的組合圖

3 電子液晶顯示角度儀技術參數(shù)

(1)鋁合金+ABS工程塑料外殼；

(2)工作電流<80μA；

(3)工作溫度：+5～+45℃；

(4)工作濕度：<85%RH；

(5)防水：IP54；

(6)測量范圍：±180°；

(7)分辨率：0.1°；

(8)具有5min無感應無操作自動關屏節(jié)電功能；

(9)電源：CR2032 3V鋰電池x1粒；

(10)電池壽命2000h以上。

4 操作說明

電子機械式流向偏角儀顯示屏見圖7，輕按ON/OFF鍵，則為關機，液晶屏關掉，再輕按ON/OFF鍵則為開機。HOLD當前數(shù)值鎖定鍵，ZERO/ABS清零鍵/相對絕對測量鍵。

圖7 電子機械式流向偏角儀顯示屏

操作步驟：將儀器置于水平臺上，先進行儀器校正。輕按ZERO鍵數(shù)值歸零，液晶顯示0.0°時，若此時指針指向機械刻度盤上的0°，兩者一致。若兩者不一致，則調(diào)節(jié)電子角度儀上的黑色旋轉圓環(huán)，使兩者讀數(shù)相同。

校正完成后，將儀器安裝在吊箱的平臺上，鎖緊兩邊的卡扣，以防活動和滑脫，進行吊箱流量測驗。測驗完成后，關閉電源，松開卡扣，將儀器拿回室內(nèi)。

5 結語

該成果自從研制成功，一直應用到孫口水文站模塊化吊箱上，它的使用不但提高了測驗精度，而且節(jié)約了人力物力，具有讀數(shù)精準、安裝快捷簡便、操作簡單、低耗電、經(jīng)久耐用等特點，同時它的應用也代替了六分儀讀取數(shù)據(jù)，人拉木魚的歷史，并且該儀器也將進一步改進，使其今后能夠推廣到測船測驗上使用。

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