CN112730879A - 一种智能河道流速测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能河道流速测量装置及测量方法。包括：主体：用于支撑安装测量装置；水流方向感应机构：用于获得水流的方向；可转动测速仪：根据水流方向感应机构获得的水流的方向，进行方向的调整，使可转动测速仪的测流旋浆正对水流流速方向，并测得此处的流速大小；牵引机构：用于调整水流方向感应机构和可转动测速仪在水下的深浅；PLC控制器：与水流方向感应机构，可转动测速仪和牵引机构相连。本发明水流方向感应机构通过测得摆动球上所受杆的力的大小与方向，可以得到水流推力的方向，可转动测速仪根据水流方向调整测流旋桨的方向，使得测得的流速更加精确；且本发明可以对河道不同深度水流流速大小进行测量。

Description

一种智能河道流速测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于河道流速测量领域，具体涉及一种智能河道流速测量装置及测量方法。

背景技术

随着人类经济社会的不断发展，人们对河湖内外用水需求日益增加，同时水污染问题不断加重，使得水资源愈发紧张，同时伴随着气候的恶化，使得洪水等灾害频发，因此对河道的水位、流速和流量监测有着极其重要的必要性。对河道的实时监测有利于掌握可用水资源量、有利于对洪水等灾害提前预警，保证人民生命财产安全。

工程水文学中测量河道断面平均流速的常用方法为首先测得河道断面面积并确定所要设置的测速垂线的数量，在河道断面不同位置设置测速垂线并测得各部分的河道断面面积，通过测得同一条测速垂线不同水深处的流速获得测速垂线上的平均流速，然后利用加权平均值法获得河道断面上的平均流速。但现有流速仪不能自动调整适应不同的水深，在不同水深的河道中也无法保持始终与水流流速方向处在同一条直线上，这样便会造成流速仪的使用限制与测量结果的不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能河道流速测量装置及测量方法，可以改善流速仪现存的问题。该智能河道流速测量装置具有稳定性高、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。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种智能河道流速测量装置，其特征在于，包括：

主体：用于支撑安装测量装置；

水流方向感应机构：用于获得水流的方向；

可转动测速仪：根据水流方向感应机构获得的水流的方向，进行方向的调整，使可转动测速仪的测流旋浆正对水流流速方向，并测得此处的流速大小；

牵引机构：用于调整水流方向感应机构和可转动测速仪在水下的深浅；

PLC控制器：与水流方向感应机构，可转动测速仪和牵引机构相连。

进一步的，所述主体包括框架和基座，所述框架包括顶部框架、中部框架和横向连接框架；所述顶部框架水平设置在中部框架的顶端，所述横向连接框架水平设置在中部框架的一侧，所述顶部框架、中部框架和横向连接框架为矩形结构，所述基座设有加强肋；

所述PLC控制器设置在顶部框架内部，中部框架的一侧平行设有多个横向连接框架，每个横向连接框架上设有测流机构，每个测流机构包括一组可转动测速仪和水流方向感应机构，中部框架内部设有与每组可转动测速仪和水流方向感应机构相匹配的牵引机构。

进一步的，还包括超声波测距仪，太阳能电池板，蓄电池，水位感应器和刻度尺；

所述超声波测距仪设置在顶部框架靠近水面的一侧上，所述太阳能电池板设置在顶部框架的上表面，用于将太阳能转化为电能并储存在蓄电池中中，为装置供电；中部框架另一侧从上到下标有刻度尺，并在河道预警与危险水位处设有水位感应器，所述刻度尺从河道保证水位标到最低水位。

进一步的，还包括避雷针，灯泡，顶部框架的上表面设有避雷针，顶部框架的表面涂有反光涂层，顶部框架的左右两侧各设有一排灯泡。

进一步的，所述牵引机构包括钢绞线，牵引块，伸缩杆，电机，定滑轮和套杆；所述中部框架上设有滑杆；

所述套杆套设在滑杆外周，并可沿滑杆上下滑动，钢绞线绕着定滑轮连接牵引块与套杆，牵引块底部与伸缩杆连接，伸缩杆由电机提供动力进行伸缩，从而带动所述套杆沿着所述滑杆上下滑动；横向连接框架与套杆相连接，使得测流机构与中部框架相连接。

进一步的，水流方向感应机构包括半球形位置感应仪，感应球，转向球，摆动球，摆动杆和动力机构，所述摆动杆上还设有力感应装置；

所述摆动杆将感应球、转向球和摆动球连接起来，使得三者的球心处在同一条直线上；所述摆动球处在水流中，受到水流推力的作用；感应球与半球形位置感应仪相接触；转向球位于横向连接框架的底板上侧；

进一步的，横向连接框架的底板上设有通孔，通孔的直径小于转向球的直径，通孔的圆周上设有与转向球相匹配的弧形，使得转向球卡设在底板上，并可以在通孔中转动。

进一步的，所述可转动测速仪包括转动杆，竖向转轴，转动球，横向转轴，流速仪，测流旋桨，转动杆驱动机构和转动球驱动机构；

转动杆驱动机构与PLC控制器连接，并用于驱动转动杆的转动，转动杆绕着竖向转轴转动使得流速仪上的测流旋桨在水平面上转动；

转动球驱动机构与PLC控制器连接，并用于驱动转动球绕着横向转轴转动，使得流速仪上的测流旋桨在铅垂面上上下转动；

与顶部框架相邻的横向连接框架的上侧面设有压力传感装置，另外的横向连接框架的上侧面设有超声波测距仪。

一种采用上述的装置测量河道流速的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：由PLC控制器根据横向连接框架上安装的压力传感装置或超声波测距仪控制所述牵引机构牵引一组水流方向感应机构和可转动测速仪至所要测量流速大小的水深深度；

步骤(2)：水流方向感应机构上的摆动球在水中受到水流推力的作用，通过测得摆动球上所受杆的力的大小和方向，通过PLC控制器分析处理所述摆动球所受力的大小和方向，合成得到水流推力的方向，即水流的方向；

步骤(3)：由所述PLC控制器根据所得到的水流方向，通过转动所述转动杆和所述转动球来调整所述流速仪上的所述测流旋桨方向，使得所述测流旋桨正对水流流速方向，测得流速的大小。

进一步的，水流方向感应机构上的所述摆动球所受水流的推力Fv在所述半球形位置感应仪形成的半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，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；

所述可转动测速仪可以根据所得到的角度θ′、Φ′通过所述转动杆绕着所述竖向转轴水平转动

的角度，若

则向右岸方向转动，若

则向左岸方向转动；

所述转动球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，以此来调整所述测流旋桨的测流方向，使得所述测流旋桨一直朝向水流方向；

通过所述流速仪测得流速大小V，便可以得到垂直河道断面的流速大小V′＝Vsinθ′sinΦ′，用于计算河道流量。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

1、本发明所述水流方向感应机构通过测得摆动球上所受杆的力的大小与方向，并对摆动球上所受力进行分析，利用向量合成原理可以得到水流推力的方向，即为水流的方向，因此可以实现对水流流速方向的实时获取。

2、本发明中所述的可转动测速仪可以根据水流方向感应机构所获得的水流流速方向自动调整流速仪上的测流旋桨正对河道水流方向，使得对河道流速大小的测量结果更加精确，同时可以获得垂直河道断面水流的流速大小，为河道流量的计算提供依据。

3、本发明中的每一组水流方向感应机构和可转动测速仪都有相应的一个牵引机构控制，每一个牵引机构独立工作，能够实现对不同水深流速大小的测量。

4、本发明采用超声波测距仪对水面水位进行实时测量，并在相应预警与危险水位处设有水位感应器，以达到对河道水位变化的实时监控与对非常水位的及时预警。

5、本发明采用太阳能电池板将太阳能转化为电能为智能河道流速测量装置提供能量，绿色节能；采用避雷针可以避免智能河道流速测量装置遭受雷击的破坏；采用灯泡与反光涂层可以避免在夜晚和白天时船只对智能河道流速测量装置造成撞击破坏。

6、本发明采用PLC控制器，能够实现对河道流速测量装置的智能控制，实现自动化和远程监测的功能。

7、本发明采用设有加强肋的基座，更有利于维持智能河道流速测量装置的稳定性。

附图说明

图1是本发明的智能河道流速测量装置结构示意图；

图2是本发明的智能河道流速测流机构的结构示意图；

图3是本发明的智能河道流速测量装置中牵引机构的结构示意图；

图4是本发明所述水流方向感应机构结构的平面立体图；

图5是本发明所述水流方向感应机构结构剖面图；

图6是本发明半球形坐标系示意图；

图7是本发明所述摆动球上力的分析示意图；

图8是本发明所述摆动球上所受力的向量合成示意图；

图9是本发明的智能河道流速测量装置工作原理图；

图10是本发明的智能河道流速测量装置的河道布置俯视图；

图11是本发明所述的智能河道流速测量装置的河道断面布置示意图。

附图标记说明：

1-超声波测距仪，2-避雷针，3-太阳能电池板，4-灯泡，5-反光涂层，6-PLC控制器，7-水位感应器，8-刻度尺，9-钢绞线，10-牵引块，11-伸缩杆，12-电机，13-滑杆，14.套杆，15-压力传感装置，16-半球形位置感应仪，17-感应球，18-转动杆，19-竖向转轴，20-横向转轴，21-流速仪，22-测流旋桨，23-转动球，24-转向球，25-力感应装置，26-摆动杆，27-摆动球，28-定滑轮，29-1-顶部框架，29-2-中部框架,29-3-横向连接框架，30-基座，31-蓄电池，32-加强肋。

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。

Claims (10)

1.一种智能河道流速测量装置，其特征在于，包括：

主体：用于支撑安装测量装置；

水流方向感应机构：用于获得水流的方向；

可转动测速仪：根据水流方向感应机构获得的水流的方向，进行方向的调整，使可转动测速仪的测流旋浆(22)正对水流流速方向，并测得此处的流速大小；

牵引机构：用于调整水流方向感应机构和可转动测速仪在水下的深浅；

PLC控制器(6)：与水流方向感应机构，可转动测速仪和牵引机构相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主体包括框架(29)和基座(30)，所述框架(29)包括顶部框架(29-1)、中部框架(29-2)和横向连接框架(29-3)；所述顶部框架(29-1)水平设置在中部框架(29-2)的顶端，所述横向连接框架(29-3)水平设置在中部框架(29-2)的一侧，所述顶部框架(29-1)、中部框架(29-2)和横向连接框架(29-3)为矩形结构，所述基座(30)设有加强肋(32)；

所述PLC控制器(6)设置在顶部框架(29-1)内部，中部框架(29-2)的一侧平行设有多个横向连接框架(29-3)，每个横向连接框架(29-3)上设有测流机构，每个测流机构包括一组可转动测速仪和水流方向感应机构，中部框架(29-2)内部设有与每组可转动测速仪和水流方向感应机构相匹配的牵引机构。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括超声波测距仪(1)，太阳能电池板(3)，蓄电池(31)，水位感应器(7)和刻度尺(8)；

所述超声波测距仪(1)设置在顶部框架(29-1)靠近水面的一侧上，所述太阳能电池板(3)设置在顶部框架(29-1)的上表面，用于将太阳能转化为电能并储存在蓄电池中(31)中，为装置供电；中部框架(29-2)另一侧从上到下标有刻度尺(8)，并在河道预警与危险水位处设有水位感应器(7)，所述刻度尺(8)从河道保证水位标到最低水位。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括避雷针(2)，灯泡(4)，顶部框架(29-1)的上表面设有避雷针(2)，顶部框架(29-1)的表面涂有反光涂层(5)，顶部框架(29-1)的左右两侧各设有一排灯泡(4)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述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)；所述中部框架(29-1)上设有滑杆(13)；

所述套杆(14)套设在滑杆(13)外周，并可沿滑杆(13)上下滑动，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)连接，伸缩杆(11)由电机(12)提供动力进行伸缩，从而带动所述套杆(14)沿着所述滑杆(13)上下滑动；横向连接框架(29-3)与套杆(14)相连接，使得测流机构与中部框架(29-2)相连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，水流方向感应机构包括半球形位置感应仪(16)，感应球(17)，转向球(24)，摆动球(27)，摆动杆(26)和动力机构，所述摆动杆(26)上还设有力感应装置(25)；

所述摆动杆(26)将感应球(17)、转向球(24)和摆动球(27)连接起来，使得三者的球心处在同一条直线上；所述摆动球(27)处在水流中，受到水流推力的作用；感应球(17)与半球形位置感应仪(16)相接触；转向球(24)位于横向连接框架的底板上侧。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，横向连接框架(29-3)的底板上设有通孔，通孔的直径小于转向球(24)的直径，通孔的圆周上设有与转向球(24)相匹配的弧形，使得转向球(24)卡设在底板上，并可以在通孔中转动。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述可转动测速仪包括转动杆(18)，竖向转轴(19)，转动球(23)，横向转轴(20)，流速仪(21)，测流旋桨(22)，转动杆驱动机构和转动球驱动机构；

转动杆驱动机构与PLC控制器(6)连接，并用于驱动转动杆(18)的转动，转动杆(18)绕着竖向转轴(19)转动使得流速仪(21)上的测流旋桨(22)在水平面上转动；

转动球驱动机构与PLC控制器(6)连接，并用于驱动转动球(23)绕着横向转轴(20)转动，使得流速仪(21)上的测流旋桨(22)在铅垂面上上下转动；

与顶部框架(29-1)相邻的横向连接框架(29-3)的上侧面设有压力传感装置(15)，另外的横向连接框架(29-3)的上侧面设有超声波测距仪(1)。

9.一种采用权利要求8所述的装置测量河道流速的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：由PLC控制器(6)根据横向连接框架(29-3)上安装的压力传感装置(15)或超声波测距仪(1)控制所述牵引机构牵引一组水流方向感应机构和可转动测速仪至所要测量流速大小的水深深度；

步骤(2)：水流方向感应机构上的摆动球(27)在水中受到水流推力的作用，通过测得摆动球(27)上所受杆的力的大小和方向，通过PLC控制器(6)分析处理所述摆动球(27)所受力的大小和方向，合成得到水流推力的方向，即水流的方向；

步骤(3)：由所述PLC控制器(6)根据所得到的水流方向，通过转动所述转动杆(18)和所述转动球(23)来调整所述流速仪(21)上的所述测流旋桨(22)方向，使得所述测流旋桨(22)正对水流流速方向，测得流速的大小。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，水流方向感应机构上的所述摆动球(27)所受水流的推力Fv在所述半球形位置感应仪(16)形成的半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，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；

所述可转动测速仪(21)可以根据所得到的角度θ′、Φ′通过所述转动杆(18)绕着所述竖向转轴(19)水平转动

的角度，若

则向右岸方向转动，若

则向左岸方向转动；

所述转动球(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，以此来调整所述测流旋桨(22)的测流方向，使得所述测流旋桨(22)一直朝向水流方向；

通过所述流速仪(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′＝Vsinθ′sinΦ′，用于计算河道流量。

Images