本發明涉及一種多模式集合多用途的水文纜道測流裝置及方法，屬于水文儀器領域。

背景技術：

水文測驗過程中涉及的測流的方法眾多，主要存在兩種測流手段：第一，機械式測流，包括常規旋槳（或旋杯）式流速儀測流、機械轉子流速儀測流等；第二，自動式測流，包括多普勒流速儀測流、電磁流量計測流、聲學點流速儀測流、電波流速儀測流、光學流速儀測流等。

流速流量測量是水文模型試驗基礎數據中必不可少的一部分，而上述兩類測流方法也均存在著各種短板和不足。如：常規旋槳（或旋杯）式流速儀采集的流速數據通過通訊電纜傳送至水文站房內的工作臺數據處理中心。這就需要布置一定數量的傳輸電纜，此外，當傳輸距離比較遠時，信號衰減嚴重，數據出錯率比較高，要保證數據有效性需要加輔助設備對信號進行有效的放大處理；機械轉子流速儀，這種流速儀存在著測速范圍較窄，起動流速大，不能測弱流，懼怕泥沙水草等漂浮物，破壞流場，傳感器易損壞，測量精度低，不能滿足長期自動監測的需求等缺陷；多普勒流速儀是采用超聲換能器，用超聲波探測流速，精度雖高但是成本較高；電磁流量計是應用電磁感應原理，根據導電流體通過外加磁場時干生的電動勢來測量導電流體流量，用于間接測量流速，存在測量效率不高的問題。

以上缺陷和不足都是進過無數水文工作者總結出來的，在總結過程中，人們也相應對其中的短板進行了改進。

中國實用新型專利CN 205067521 U介紹了一種基于數字圖像分析的流速儀，它通過捕捉流體圖像中的雜質或波紋位置，計算得出流體流速。

中國實用新型專利CN 205091355 U介紹了一種V形通道超聲波流速儀，利用超聲波對液體反饋的信號接收和分析，達到測量流速的目的。

中國實用新型專利CN 205120743 U介紹了一種無線電磁流速儀，利用內置于流速儀中的多個模塊，將流速信號以無線的方式傳輸，省去了繁瑣的布線過程。

中國實用新型專利CN 205229182 U介紹了一種微探頭超聲波多普勒流速儀，利用聲學原理，探測較淺水域的流速。

中國科學技術大學張夢霖和浙江大學何金成等研究學者利用傅里葉變換紅外光譜對廢水水體COD進行了檢測，并構建相應的檢測模型和評價標準。

傅里葉變換紅外光譜的迅速發展使得對水體水質進行自采集、自分析和自檢驗成為了可能；同時，無線電磁傳輸技術的迅猛發展也為傳輸水體中的流速、流量信息提供了解決途徑；因此，開發基于傅里葉變換紅外光譜數據采集的多模式纜道測流裝置，對于應對復雜多變的氣候環境下對測流的影響，實現多模式、多目標、多功能集合下，提升測流裝備的可靠性，滿足未來測流裝置科學化、精細化、智能化的要求具有重要的理論意義和應用價值。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種多模式集合多用途的水文纜道測流裝置及方法，利用傅里葉變換紅外光譜對自采集水樣進行檢測，實現對所測斷面水體水質的實時觀測；配合改進流速儀中安嵌電樞繞組構成電機轉子的軸承和安嵌鐵芯和定子繞組構成電機定子的軸套，實現在勵磁作用下定子和轉子之間的自發電功能；配合無線電磁傳感器實現在有線數據傳輸失效的情況下，滿足數據正常傳輸、保存的目的。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一方面，本發明提供一種多模式集合多用途的水文纜道測流裝置，包括鉛魚以及安裝在鉛魚上的流速儀、浮標。該裝置還包括為裝置供電的自發電系統、水質自測系統、信號自傳輸系統；其中，水質自測系統垂直安裝在鉛魚尾翼部，信號自傳輸系統固定安裝在鉛魚懸掛機構上方、浮標的下方，自發電系統固定安裝在鉛魚前部的流速儀懸桿上；

自發電系統包括電樞繞組、鐵芯、定子繞組，其中，電樞繞組安嵌在流速儀軸承外表面，構成電機轉子；鐵芯和定子繞組組成電機定子，安嵌在流速儀槳軸軸套內部且垂直于軸套的軸線；

水質自測系統包括水樣采集器和傅里葉變換紅外光譜儀，水樣采集器包括文氏管、裝有有機溶液的腔體、KBr晶片，文氏管將水樣吸入后與腔體內的有機溶液進行混合，混合溶液通過KBr晶片制模，傅里葉變換紅外光譜儀對制模溶液進行相位干涉、信號衡量、水質分析和紅外成像，實現對水樣水質的自行檢測；

信號自傳輸系統包括信號接收單元、數據處理單元、信號發射單元、信號反饋單元、微處理器、存儲單元、雙電源轉換開關，其中，信號接收單元用于接收流速儀的流速信號和水質自測系統的水質數據，并傳輸至數據處理單元，數據處理單元對流速信號和水質數據進行編譯，編譯后的流速信號和水質數據通過信號發射單元傳輸至水文站，水文站接收到流速信號和水質數據后發送反饋信號至信號反饋單元，若信號反饋單元未接收到反饋信號則微處理器觸發雙電源轉換開關接通存儲單元以存儲流速信號和水質數據。

作為本發明的進一步優化方案，浮標為外部包裹有機玻璃或塑料的LED發光二級燈管。

作為本發明的進一步優化方案，浮標上還設置有電磁式蜂鳴器。

作為本發明的進一步優化方案，信號發射單元為電磁傳感器。

作為本發明的進一步優化方案，傅里葉變換紅外光譜儀包括依次連接的Savitzky-Golay干涉儀、DTGS檢測器、TQ Analyst V6光譜定量分析軟件、成像元件。

作為本發明的進一步優化方案，該裝置還包括安裝在流速儀上的第一藍牙傳輸裝置，用于將流速儀測量的流速信號傳輸至信號自傳輸系統。

作為本發明的進一步優化方案，該裝置還包括安裝在水質自測系統上的第二藍牙傳輸裝置，用于將水質數據傳輸至信號自傳輸系統。

另一方面，本發明還提供一種基于上述一種多模式集合多用途的水文纜道測流裝置的測流方法，包括如下具體步驟：

1）組裝自發電系統：在流速儀軸承外表面安嵌電樞繞組，構成電機轉子；再將流速儀槳軸軸套內部垂直于軸套軸線部分安嵌由鐵芯、定子繞組組成的電機定子；將組裝好的自發電系統固定在鉛魚前部的流速儀懸桿上；

2）檢查組裝后流速儀的運轉狀態：輕吹槳葉，檢查槳葉是否轉動靈活或無磨擦卡阻現象，并用萬用表檢查流速儀裝置內部銀質金屬絲通信是否正常；

3）在鉛魚尾翼部垂直安裝水質自測系統；

4）將信號自傳輸系統固定在鉛魚的懸掛機構上方和浮標下方的區域；

5）將測流裝置放入檢測水域，流速儀對該水域的流速進行檢測，同時水質自測系統對該水域的水樣進行水質檢測；流速信號以及水質數據通過信號自傳輸系統傳輸至水文站；當水文站出現故障，信號自傳輸系統對流速信號以及水質數據進行存儲。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明多模式集合多用途纜道測流裝置利用傅里葉變換紅外光譜數據采集系統使常規的流速儀具有實時探測所測斷面水質（COD、BOD）的功能，并形成光譜影像圖，對實時掌握河道水質變化提供了一定的參考；利用旋轉磁場，產生電磁轉矩進行能量轉換。將流速儀分別內置定子和轉子，將水流的動能轉化為電能；配合使用信號自傳輸系統，實現在裝置與水文站失去信號相互鏈接時，通過信號反饋單元觸發ATSE對流速和水質數據進行及時記錄保存；最后將傳統的鋼纜繩浮標改進為一種浮式LED光源浮標，以預警和提示過往船只和人員。實現測流裝置的多功能使用。本發明利用傅里葉變換紅外光譜對采集的水質數據進行分析；利用信號自傳輸系統將流速和水質數據進行實時采集和傳輸，當裝置與水文站之間的相互鏈接發生中斷時，通過信號自傳輸系統中的信號反饋單元及時觸發ATSE，使其控制儲存單元將接收數據保存；利用勵磁原理，實現槳軸（內嵌轉子）和軸套（內嵌定子）相互切割磁力線，將水流動能轉化為電能，實現流速儀的自發電功能。從而使整個測流裝置更節能、更智能化、更安全。本發明可廣泛應用于各類水文站的纜道測流過程中，實現在應急狀態下（如電源設備水毀、突發停電等狀況）滿足自發電測流、自監測水質狀況、自傳輸流速和水質信號數據、自預警的多模式、多角度、多功能用途。

附圖說明

圖1是本發明的裝置整體結構示意圖。

圖2是本發明流速儀內部轉子、定子結構示意圖。

圖3是本發明傅里葉變換紅外光譜儀對水質檢測分析示意圖。

圖4是本發明的裝置工作流程示意圖。

圖5是本發明水樣COD、BOD的標準值與PLS模型預測值的散點圖，其中，（a）為水樣COD的標準值與PLS模型預測值的散點圖，（b）為水樣BOD的標準值與PLS模型預測值的散點圖。

其中：1-鉛魚，2-流速儀，3-旋槳，4-水質自測系統，5-信號自傳輸系統，6- LED預警浮標，7-水樣采集器，8-LED電源接線柱，9-信號自傳輸系統電源接線柱，10-水質自測系統電源接線柱，11-藍牙傳輸裝置，12-藍牙傳輸裝置，13-定子，14-轉子，15-軸承，16-軸套，17-槳軸支部件。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發明提供一種多模式集合多用途的水文纜道測流裝置，包括鉛魚以及安裝在鉛魚上的流速儀、浮標。該裝置還包括為裝置供電的自發電系統、水質自測系統、信號自傳輸系統；其中，水質自測系統垂直安裝在鉛魚尾翼部，信號自傳輸系統固定安裝在鉛魚懸掛機構上方、浮標的下方，自發電系統固定安裝在鉛魚前部的流速儀懸桿上。

自發電系統包括電樞繞組、鐵芯、定子繞組，其中，電樞繞組安嵌在流速儀軸承外表面，構成電機轉子；鐵芯和定子繞組組成電機定子，安嵌在流速儀槳軸軸套內部且垂直于軸套的軸線。

水質自測系統包括水樣采集器和傅里葉變換紅外光譜儀，水樣采集器包括文氏管、裝有有機溶液的腔體、KBr晶片，文氏管將水樣吸入后與腔體內的有機溶液進行混合，混合溶液通過KBr晶片制模，傅里葉變換紅外光譜儀對制模溶液進行相位干涉、信號衡量、水質分析和紅外成像，實現對水樣水質的自行檢測。

信號自傳輸系統包括信號接收單元、數據處理單元、信號發射單元、信號反饋單元、微處理器、存儲單元、雙電源轉換開關，其中，信號接收單元用于接收流速儀的流速信號和水質自測系統的水質數據，并傳輸至數據處理單元，數據處理單元對流速信號和水質數據進行編譯，編譯后的流速信號和水質數據通過信號發射單元傳輸至水文站，水文站接收到流速信號和水質數據后發送反饋信號至信號反饋單元，若信號反饋單元未接收到反饋信號則微處理器觸發雙電源轉換開關接通存儲單元以存儲流速信號和水質數據。

本發明中，對常規測流纜繩浮標進行改進。將一般的泡沫浮標或海綿浮標替換成LED預警浮標，這種浮標外圍由透明有機玻璃（或塑料）包裹的LED發光二級燈管組成。閃爍頻率預先由計算機編輯，經RS232/485串行口置入LED的存儲器，然后顯示閃爍，循環往復，更為醒目。此外，燈管外有機玻璃內還安裝電磁式蜂鳴器，不斷發出“嗶嗶”的預警聲音，提醒來往船只注意避讓。

如圖2所示，本發明中，將常規流速儀軸承表面安嵌電樞繞組，構成電機轉子。再將流速儀的槳軸軸套內部垂直于軸套軸線安嵌由鐵芯、定子繞組組成的電機定子。當將改進后的流速儀放進水中，在水流的作用下，流速儀的旋槳會迅速旋轉，從而帶動定子和轉子轉動。定子和轉子之間采用勵磁式工作原理，在其相互轉動的過程中，彼此間切割磁力線，從而將水流的動能轉換為電能。轉換的電能分別通過LED電源接線柱、水質自測系統電源接線柱信號和自傳輸系統電源接線柱分別為LED預警浮標、水質自測系統以及信號自傳輸系統的工作提供電力支持。即便是在枯水期，岸邊流速緩慢的情況下，依然可以利用轉子的磁性，相互切割磁力線，產生電流供給轉子，然后轉子磁性就繼續增強，相應的感應電流也增強，輸回轉子的勵磁電流上，磁性繼續增強，重復這個過程多次，系統就會進入正常的勵磁狀態。

在測流裝置的鉛魚尾翼部垂直安裝水質自測系統。如圖3所示，當流速儀處于水中時，水質自測系統裝置中的水樣采集器內的文氏管會將該點水深處的水樣吸入腔體內，并和腔體內的有機溶液混合后，通過水樣采集器內的KBr晶片將液體制模；然后通過水質自測系統中的微型傅里葉變換紅外光譜儀中的Savitzky-Golay干涉儀獲取制模液體樣品中波的相位信息；再通過DTGS檢測器對樣品的電阻紅外信號的強弱進行衡量；再通過系統內置的TQ Analyst V6光譜定量分析軟件對水質數據進行分析，該軟件主要基于偏最小二乘法（PLS）回歸預測模型。檢測后的水質數據通過紅外光譜成像元件和水質自測系統中的藍牙傳輸裝置，將水質中的COD、BOD檢測數據進行成像和傳輸至信號自傳輸系統。通過該水質自測系統，可以對所測斷面的水質表征指標進行及時、有效地監測。如圖5所示的水樣COD、BOD的標準值與PLS模型預測值的散點圖，其中，（a）為水樣COD的標準值與PLS模型預測值的散點圖，（b）為水樣BOD的標準值與PLS模型預測值的散點圖。

在鉛魚的懸掛機構上方和LED浮標下方這一區域，安裝信號自傳輸系統。信號自傳輸系統包括信號接收單元、數據處理單元、信號發射單元、信號反饋單元、微處理器、存儲單元、雙電源轉換開關（ATSE）。首先，當流速儀和水質自測系統在工作時，流速儀上的藍牙傳輸裝置和水質自測系統上的藍牙傳輸裝置會將流速信號和水質數據與信號自傳輸系統上的信號接收單元鏈接，然后數據處理單元將接收的信號處理后傳遞給信號發射單元，由信號發射單元將信號傳輸給水文站工作臺接收終端。此外，水文站工作臺和信號自傳輸系統之間存在信號傳輸、反饋、補償機制。當水文站計數工作臺無法正常收集所測的信號和數據時，信號自傳輸系統迅速啟用其內置的雙電源轉換開關（ATSE），同步觸發其內部的反饋器，將所測的流速信號、水質數據保存在系統中。待工作臺恢復，系統和工作臺之間的反饋信號使自傳輸系統中的ATSE會被再次觸發，從而使導體產生的磁通量變化，再進行正常的傳輸工作。

如圖4所示，采用本發明提供的測流裝置進行測流時，主要工作流程如下：

1）組裝自發電系統：在流速儀軸承外表面安嵌電樞繞組，構成電機轉子；再將流速儀槳軸軸套內部垂直于軸套軸線部分安嵌由鐵芯、定子繞組組成的電機定子；將組裝好的自發電系統固定在鉛魚前部的流速儀懸桿上；

2）檢查組裝后流速儀的運轉狀態：將流速儀裝入軸套中，輕吹槳葉，看槳葉是否轉動靈活或無磨擦卡阻現象，并用萬用表檢查流速儀裝置內部銀質金屬絲通信是否正常，如果運轉正常，則進行后續步驟，否則調試流速儀直至運轉正常；流速儀測量的流速信號通過藍牙傳輸裝置傳輸至信號自傳輸系統；

3）在鉛魚尾翼部垂直安裝水質自測系統；當流速儀處于水中，水質自測系統裝置內的文氏管會將該點水深處的水樣吸入，并和裝置內的有機溶液混合后，通過內置的KBr晶片將液體制模，利用水質自測系統內的傅里葉變換紅外光譜儀對水樣水質進行相位干涉-信號衡量 水質分析-紅外成像，對水樣的水質進行自行檢測；并通過藍牙傳輸裝置12將水質數據傳輸至信號自傳輸系統；

4）將信號自傳輸系統固定在鉛魚的懸掛機構上方和浮標下方的區域；信號自傳輸系統內置信號發射單元，可以將測流數據信號、水質數據進行實時傳輸。此外，水文站和信號自傳輸系統之間存在信號傳輸、反饋、補償機制。當水文站無法正常收集所測的信號和數據（即信號自傳輸系統內的信號反饋單元沒有接收到反饋信號）時，信號自傳輸系統通過微處理器啟用其內置的雙電源轉換開關（ATSE），同步觸發其內部的反饋器，將所測的流速信號、水質數據保存在存儲單元中，待工作臺恢復，再進行正常的自傳輸工作。

本發明的測流裝置可以在在各種工作條件下，甚至在不利條件下，利用裝置內的自發電系統、水質自測系統、自預警系統和信號自傳輸系統，實現整套裝置將水流動能轉換為電能的自發電測流目的、利用水質自測系統對水樣進行檢測的目的、利用信號自傳輸系統對流速和水質數據進行實時收集傳輸的目的、利用LED浮標對過往船只和人員產生警示和提示的自預警目的，這是一種多模式集合多功能的水文纜道測流裝置。

以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。