具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-11所示，一种智能河道流速测量装置，装置主体分为顶部框架29-1、中部框架29-2、横向连接框架29-3和底部基座30三个部分。

其中：

1)超声波测距仪1，布置在顶部框架29-1上的超声波测距仪1用来监测河道水位的变化，布置在横向连接框架29-3上的超声波测距仪1用来测量横向连接框架相互之间的距离。

2)避雷针2，用于保护智能河道流速测量装置免受雷电的破坏。

3)太阳能电池板3，用于白天吸收太阳能并将太阳能转化为电能并储存在蓄电池中31中，为智能河道流速测量装置供电。

4)灯泡4，白天关闭夜晚开启，用于避免夜晚船只撞击破坏智能河道流速测量装置。

5)反光涂层5，白天反射太阳光，用于避免白天船只撞击破坏智能河道流速测量装置。

6)PLC控制器6，用于自动接收信号、处理数据与发射信号。

7)水位感应器7，用于感应水位的变化并及时发出信号。

8)刻度尺8，便于直观观测河道水位。

9)伸缩杆11，伸缩杆11与牵引块10相连接，并由电机12提供动力进行伸长与收缩，拉动牵引块10上下运动。

10)滑杆13，套杆14套在滑杆13外周，可以沿着滑杆13上下滑动。

11)压力传感装置15，用于测量最上部的测流机构距离水面的距离。

12)半球形位置感应仪16，形成以垂直于河道断面顺水流方向为Y轴，以垂直于Y轴水平朝向河道左岸方向为X轴，以垂直XY轴所在平面竖直向上方向为Z轴，X、Y、Z轴的交点处在半球形位置感应仪的球心的半球形坐标系，用于为摆动球27上所受力提供坐标参考系。

13)感应球17，感应球17与半球形位置感应仪16相接触。

14)转动杆18、转动球23，转动杆18可以绕着竖向转轴19转动能够使得流速仪21上的测流旋桨22在水平面上左右转动，转动球23可以绕着横向转轴20转动能够使得流速仪21上的测流旋桨22在铅垂面上上下转动。

15)流速仪21，采用旋浆式流速仪，用于测量流速的大小。

16)力感应装置25，用于获得摆动杆26上所受力的大小。

17)摆动球27，受到水流的推力而摆动，用于判断水流的方向。

18)基座30，基座30上设有加强肋32，更有利于维持智能河道流速测量装置的稳定。

具体的：

顶部框架29-1为横向矩形结构，布置时，顶部框架29-1处在水面之上的一定高度。在顶部框架29-1上设有超声波测距仪1、避雷针2、太阳能电池板3和PLC控制器6。超声波测距仪1布置在顶部框架29-1上靠近水面的一侧，利用超声波遇到水面回弹反射的原理来监测水面水位的变化。在顶部框架29-1上侧面设有避雷针2和太阳能电池板3，避雷针2的地线与河床相连接，可以防止智能河道流速测量装置遭受雷击的破坏；太阳能电池板3用于白天吸收太阳能并将太阳能转化为电能储存在蓄电池31中，为河道流速测量装置提供能量。PLC控制器6、蓄电池31设在顶部框架29-1内部。在矩形顶部框架29-1的左右两侧表面上各设有一排灯泡4，灯泡4只在夜晚打开，白天关闭，用于防止夜晚船只撞击破坏智能河道流速测量装置。顶部矩形框架的表面还涂有反光涂层5，白天反射太阳光，用于避免白天船只撞击智能河道流速测量装置。

中部框架29-2为竖向矩形结构，布置时，中部框架29-2上部连接顶部框架29-1，下部固定连接在基座30上。中部框架29-2上主要设有牵引机构。在中部框架29-2表面从上到下标有刻度尺8，用于直观观测河道水位，并且在河道设防水位、警戒水位和保证水位处设有水位感应器7，用于感知水位的变化并当河道水位到达这些水位时及时发出预警信号。

在中部框架29-2一侧平行设有若干个横向连接框架29-3，每个横向连接框架29-3上都设有一个测流机构，测流机构分为水流方向感应机构和可转动测速仪两个部分。水流方向感应机构由半球形位置感应仪16、感应球17、转向球24、摆动球27和摆动杆26组成，摆动杆26上还设有力感应装置25。半球形位置感应仪16，形成以垂直于河道断面顺水流方向为Y轴，以水平垂直于Y轴朝向河道左岸方向为X轴，以垂直XY轴所在平面竖直向上方向为Z轴，X、Y、Z轴的交点处在半球形位置感应仪的球心的空间半球形坐标系，用于为摆动球27上所受力提供坐标参考系。感应球17与半球形位置感应仪16相接触。转向球24位于横向连接框架29-3的底板上侧，在横向连接框架29-3的底板上设有通孔，通孔的直径略小于转向球24的直径，通孔的圆周上设有与转向球24相匹配的弧形，可以使得转向球24卡设在底板上，并可以在通孔中转动。转向球24能够使得感应球17在半球形位置感应仪16内自由摆动。摆动球27受到水流的推力带动摆动杆26摆动，用于获得水流的方向。摆动杆26将转向球24、感应球17与摆动球27连接起来，使得感应球17、转向球24和摆动球27三者的球心在一条直线上。可转动测速仪是利用转动杆18绕着竖向转轴19转动使得测流旋桨22可以在水平面上左右转动，转动球23绕着横向转轴20转动使得测流旋桨22可以在铅垂面上上下转动。横向连接框架29-3上还设有压力传感装置15与超声波测距仪1用于测出测流机构处于水下的深度与调节测流机构之间的相对距离。

牵引机构包括钢绞线9、牵引块10、伸缩杆11、电机12、定滑轮28和套杆14，钢绞线9绕着定滑轮28连接牵引块10与套杆14，牵引块10底部与伸缩杆11相连接，伸缩杆11由电机12提供动力进行伸缩，伸缩杆11伸缩带动牵引块10上下运动，牵引块10上下运动通过钢绞线9带动套杆14沿着滑杆13上下运动。牵引机构用于调节测流机构处于水下的深度，使得测流机构可以测量不同水深处的水流流速。

底部基座30上设有加强肋32，更有利于维持智能河道流速测量装置的稳定。

为确定河道断面平均流速，不同宽度的河道的断面采用不同数量的测速垂线，不同水深处的测速垂线上采用不同数量的测速点。以下以宽度为5米的河道采用5条测速垂线为例，并以其中一条测速垂线水深为3米，采用三点法测测速垂线上的平均流速为例对本发明的技术方案与设计原理做进一步说明。

实施例：

进行安装前，智能河道流速测量装置的矩形中部框架29-2的设计高度应高于河道的保证水位，用以避免当河道水位达到河道保证水位时造成智能河道流速测量装置的功能失效。在矩形中部框架29-2的表面从上到下标有刻度尺8，刻度尺8从河道保证水位标到河道最低水位。安装时，应使得智能河道流速测量装置保持竖直。智能河道流速测量装置安装至河道中后，通过刻度尺8可以直观读出河道的水位，并将其作为河道初始水位，此后河道水位变化可以通过矩形顶部框架29-1上设置的超声波测距仪1进行监测，超声波测距仪1与PLC控制器6相连接，将信号输入到PLC控制器6中，经过PLC控制器6分析处理河道水位相对于初始河道水位的变化差值以获得新的水位并将信号发送至远程控制显示端，从而对河道水位进行实时的监测。

矩形顶部框架29-1左右两侧各设有的一排的灯泡4，只在夜晚工作为防止河道中的船只对智能河道流速测量装置造成破坏，灯泡4开关受到PLC控制器6控制。矩形顶部框架29-1的表面还涂有反光涂层5，白天反射太阳光，用于避免白天船只撞击智能河道流速测量装置。矩形顶部框架29-1上侧面设有的太阳能电池板3和设置在矩形顶部框架内部的蓄电池31为超声波测距仪1、灯泡4、PLC控制器6、测流机构和牵引机构提供电能。PLC控制器6布置在矩形顶部框架29-1内，受到顶部框架29-1的保护。

在矩形中部框架29-2表面对应河道设防水位、警戒水位和保证水位的刻度尺8处设有水位感应器7，水位感应器7与PLC控制器6相连接，当河道水位上升至危险水位时及时将信号发送至PLC控制器6，并由PLC控制器6将预警信号发送至远程显示端，能够使得工作人员及时做出应对措施。智能河道流速测量装置的矩形中部框架29-2的一侧平行设有三个横向连接框架29-3，每个横向连接框架29-3上都设有一个测流机构，在中部框架29-2内部设有三个为测流机构调整位置的牵引机构，三个横向连接框架29-3布置时保持水平、垂直河道断面并面对水流方向，三个测流机构能够上下滑动的距离相等且为矩形中部框架29-2高度的

横向连接框架29-3与套杆14相连接，通过套杆14套在滑杆13外周使之与中部框架29-2进行连接。在顶部的横向连接框架29-3上设有压力传感装置15，压力传感装置15与PLC控制器6相连接，用于测量顶部的测流机构位于水下的深度。在中部和底部的横向连接框架29-3上设有超声波测距仪1，超声波测距仪1与PLC控制器6相连接，用于测量与上部相邻的测流机构的距离。测流机构可以根据水流方向自动调整流速仪21上测流旋桨22的角度，使得测流旋桨22一直朝向水流方向，这样可以避免测流旋桨22与水流方向存在角度偏差导致的测流结果不准确。

测流机构分为水流方向感应机构和可转动测速仪两个部分。水流方向感应机构和可转动测速仪都由PLC控制器6控制。水流方向感应机构由半球形位置感应仪16、感应球17、转向球24、摆动球27和摆动杆26组成，摆动杆26上还设有力感应装置25，力感应装置25与PLC控制器6相连接。摆动杆26将感应球17、转向球24和摆动球27连接起来，使得三者的球心位于同一条直线上。摆动球27处在水流中，受到水流的推力Fv作用，摆动球27还受到自重G、浮力F浮与杆的力F的影响，摆动球27会在四个力的作用下摆动到一定的角度后达到平衡状态。摆动球27所受到的杆的力F的大小通过力感应装置25得到，并且杆的力F的方向即为杆的方向，杆的力F的方向通过感应球17与半球形位置感应仪16相接触得到的在半球形位置感应仪16形成的半球形坐标系上的θ与Φ值确定(其中θ为摆动球所受的摆动杆的力F与Z轴正方向的夹角，Φ为从z轴正方向来看自x轴正方向按逆时针方向转到F在xy平面上的投影所转过的角)，因此便可以得到摆动球27所受到杆的力F在球坐标系中表示的过原点的向量为(F，θ，Φ)。摆动球27的重力G大于它所受到的浮力F浮，重力G与浮力F浮的合力方向竖直向下，因此重力G与浮力F浮的合力在球坐标系中表示的过原点的向量为(G-F浮，π，0)。利用向量的合成原理，便可以获得摆动球27所受水流的推力Fv在球坐标系中表示的过原点的向量为(Fv，θ′，Φ′)，其中Φ′＝Φ-π、水流的推力Fv方向代表着水流的方向，从而得到水流的方向。可转动测速仪便可以根据所得到的角度θ′、Φ′通过转动杆18绕着竖向转轴19水平转动的角度，若则水平向右岸方向转动，若则水平向左岸方向转动；转动球23绕着横向转轴竖直转动的角度，若则竖直向下转动，若则竖直向上转动，以此来调整测流旋桨22的测流方向，使得测流旋桨22一直朝向水流方向，以保证所测得的流速大小更加准确。通过旋浆式流速仪21测得流速大小V,便可以得到垂直河道断面的流速大小V′＝V sinθ′sinΦ′，用于计算河道流量。感应球17应足够小，这样可以使得感应球17与半球形位置感应仪16相接触得到的θ与Φ的值与实际杆的力F在球坐标系中的θ与Φ值更加吻合，减少误差。转向球24的表面应足够光滑，这样可以减少转向球24转动时与框架29之间的摩阻力，使得测量结果更加精确。摆动杆26不应太长，这样可以避免摆动球27处所测得的流速方向与测流旋桨22处的流速方向不一致或者误差过大。河道同一断面上的流速，由于水流粘滞力的影响导致靠近底部河床的流速较小，靠近河面的流速较大，因此水流对摆动球27的推力靠近河床底部时较小，靠近河面时较大，所以三个测流机构上的摆动球27的重量应从上往下应逐渐较少，这样能够使得不同深度的测流机构上的摆动球27在水流推力作用下变化足够明显，便于测量。

牵引机构布置在矩形中部框架29-2内，包括钢绞线9、牵引块10、伸缩杆11、电机12、定滑轮28和套杆14,钢绞线9绕着定滑轮28连接牵引块10与套杆14，牵引块10底部与伸缩杆11相连接，伸缩杆11由电机12提供动力进行伸缩，电机12受到PLC控制器6控制，伸缩杆11伸缩带动牵引块10上下运动，牵引块10上下运动通过钢绞绳带动套杆14沿着滑杆13上下运动。采用三点法测断面垂线平均流速，三个测速点一般设在距水面0.2倍、0.6倍和0.8倍水深处。首先由PLC控制器6控制的负责牵引顶部测流机构的牵引机构根据顶部横向连接框架29-3上设有的压力传感装置15来调节其所在的水深，将顶部测流机构设在距水面0.2倍水深处；然后负责牵引中部测流机构的牵引机构根据中部横向连接框架29-3上设有的超声波测距仪1来调整与顶部横向连接框架29-3的距离，使得中部测流机构位于距水面0.6倍水深处；最后负责牵引底部测流机构的牵引机构根据底部横向连接框架29-3上设有的超声波测距仪1来调整与中部横向连接框架29-3的距离，使得底部测流机构位于距水面0.8倍水深处。

智能河道流速测量装置底部基座30上设有加强肋32，当智能河道流速测量装置在河道中受到水流冲击时，用于降低水流冲击力对智能河道流速测量装置的转动弯矩，增强稳定性。

本发明具有稳定性高、智能自动化、可以对河道不同深度水流流速大小进行测量，测量结果更加精确的优点。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。