冀連華

(遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

雷達(dá)流量計(jì)利用多普勒效應(yīng)原理制成，工作時(shí)向水面發(fā)射電磁波，電磁波遇到運(yùn)動(dòng)的水面會(huì)發(fā)生散射，并構(gòu)成回波，由于接收到的回波頻率相對(duì)于發(fā)射頻率會(huì)發(fā)生一定偏移，由多普勒頻率方程可求得水面流速。一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)會(huì)在雷達(dá)傳感器產(chǎn)生一個(gè)低頻輸出信號(hào)[1]，這個(gè)信號(hào)的頻率取決于移動(dòng)速度，幅度取決于安裝的距離、反射率和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的尺寸大小。多普勒頻率 F 和運(yùn)動(dòng)速度成正比關(guān)系。定點(diǎn)式雷達(dá)流速儀的系統(tǒng)可接入多個(gè)雷達(dá)探頭，相當(dāng)于布設(shè)多個(gè)測(cè)量垂線，結(jié)合斷面參數(shù)計(jì)算斷面流量，定點(diǎn)測(cè)量，適用于洪水檢測(cè)[2]。近些年來(lái)，雷達(dá)流量計(jì)在河流流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在中小河流得到推廣，但是在應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題，主要為雷達(dá)流量計(jì)一般固定安裝在岸邊，為了實(shí)際測(cè)河道測(cè)流范圍的需要和防止人為破壞，一般安裝的高度在3～5 m以上，一旦雷達(dá)流量計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題，檢修人員需要高空攀爬作業(yè)，檢修難度大，人身安全也受到不同程度影響[3]。目前，作為雷達(dá)流量計(jì)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)裝置的支撐載體通常有以下兩種形式，第一種為固定式支架[4-6]，由于需要將雷達(dá)流量計(jì)支撐在半空中，所以安裝和檢修均非常不方便，也存在安全隱患；第二種為可升降式支撐架體結(jié)構(gòu)[7-10]，具有固定支撐部和可沿固定支撐部上、下運(yùn)動(dòng)的升降臺(tái)，升降臺(tái)可搭載雷達(dá)流量計(jì)，在一定程度上方便了安裝和檢修。該方式采用的升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，即在固定支撐部上布置有齒條結(jié)構(gòu)，在升降臺(tái)上設(shè)置與齒條結(jié)構(gòu)嚙合的齒輪結(jié)構(gòu)，齒輪結(jié)構(gòu)帶動(dòng)升降臺(tái)在齒條結(jié)構(gòu)上爬升和下降。這種傳動(dòng)形式限制了升降臺(tái)的承重能力。此外，上述的傳動(dòng)方式安全性較差，很容易發(fā)生升降臺(tái)墜落的情況，危及檢修人員和設(shè)備安全。基于上述原因，本文研發(fā)了一種雷達(dá)流量計(jì)觀測(cè)鋼結(jié)構(gòu)搭載平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)流量計(jì)的安全、可靠、便捷安裝和檢修。

1 雷達(dá)流量計(jì)的安裝要求

采用一體化機(jī)架和不銹鋼機(jī)箱的方式完成雷達(dá)流量計(jì)的安裝，在雷達(dá)流量計(jì)機(jī)架直立腰桿的高度安裝機(jī)箱以及天線模塊，機(jī)箱要求能穩(wěn)定牢固安裝。通訊模塊天線要求能牢固安裝在機(jī)架上，盡量避免高達(dá)建筑物和樹(shù)木對(duì)太陽(yáng)能板進(jìn)行光線的遮擋，各安裝點(diǎn)具有水平和垂直方向調(diào)節(jié)能力，盡量避免安裝設(shè)備的相互干擾和遮擋。為了得到良好的測(cè)量精度，雷達(dá)流量計(jì)安裝點(diǎn)應(yīng)位于水面較為平緩的區(qū)域，水面無(wú)旋渦和回流，無(wú)遮擋障礙物，在測(cè)量范圍內(nèi)保持雷達(dá)波接收的暢通。排水口、垂直跌水、擋流板、河道彎曲或者結(jié)合處等情況會(huì)對(duì)流量測(cè)量精度產(chǎn)生影響，應(yīng)盡量避免在以下區(qū)域安裝雷達(dá)流量計(jì)：

(1)盡量避開(kāi)流體流向發(fā)生較大變化或者偏轉(zhuǎn)的區(qū)域，尤其是在河道水平拐彎或者水面存在較大落差的區(qū)域不應(yīng)安裝雷達(dá)流量計(jì)進(jìn)行流量的測(cè)定；

(2)在河道斷面坡面比降發(fā)生較大變化的河段出，應(yīng)盡量避免安裝雷達(dá)流量計(jì)，以免出現(xiàn)較大的流量測(cè)定誤差；

(3)在河道測(cè)流斷面存在明顯的柵格、擋板等遮擋物時(shí)，應(yīng)盡量避免在此類(lèi)區(qū)域安裝雷達(dá)流量計(jì)，影響雷達(dá)流量計(jì)的準(zhǔn)確使用。

2 鋼結(jié)構(gòu)搭載平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 主體結(jié)構(gòu)

水文多功能搭載平臺(tái)括主支撐臂、套裝于主支撐臂外部的升降艙，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：在主支撐臂頂部安裝升降控制箱，升降控制箱的底板上固定一對(duì)平行支撐軸且支撐軸兩端分別固定有鏈輪，四個(gè)鏈輪在水平方向上位于主支撐臂的四角位置，兩個(gè)支撐軸之間設(shè)有同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)連接。主支撐臂為空心臂且其中設(shè)有配重塊，該配重塊的頂面四角分別連接有傳動(dòng)鐵鏈，四條傳動(dòng)鐵鏈與四個(gè)鏈輪一一對(duì)應(yīng)，傳動(dòng)鐵鏈的另一端繞過(guò)對(duì)應(yīng)的鏈輪后與升降艙連接，升降艙與升降控制箱之間連接有防墜器。升降艙或升降控制箱上可放置水文檢測(cè)、監(jiān)測(cè)儀器。各主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別為：

(1)升降艙的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)有水平副臂，水平副臂與升降艙側(cè)面設(shè)置的連接耳鉸接并固定，側(cè)面另設(shè)有對(duì)應(yīng)水平副臂的限位擋，水平副臂上設(shè)有水位計(jì)、流量計(jì)、遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭中的一種或多種組合，水平副臂的懸臂端固定有副避雷針，與水位計(jì)、流量計(jì)或監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程測(cè)控單元RTU和電源裝置設(shè)于升降艙內(nèi)。

(2)升降艙包括內(nèi)結(jié)構(gòu)架、包覆于內(nèi)結(jié)構(gòu)架外部的殼體，內(nèi)結(jié)構(gòu)架中固定有圍繞主支撐臂的環(huán)形導(dǎo)向架，環(huán)形導(dǎo)向架上設(shè)有與主支撐臂接觸的導(dǎo)向輪組，環(huán)形導(dǎo)向架的上端面低于內(nèi)結(jié)構(gòu)架的上端面，且環(huán)形導(dǎo)向架上端面四角分別設(shè)有與傳動(dòng)鐵鏈連接的吊耳，內(nèi)結(jié)構(gòu)架上部設(shè)有容納升降控制箱的空腔。

(3)升降控制箱包括支撐框架、設(shè)于支撐框架內(nèi)的底板、包覆于支撐框架外周的殼體、設(shè)于殼體頂部的蓋板，底板一側(cè)另固定有電源裝置和電控箱，電控箱與驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)連接，底板下表面與主支撐臂頂端固定，且底板開(kāi)設(shè)有對(duì)應(yīng)四條傳動(dòng)鐵鏈的行程通孔，支撐框架的底端固定有多個(gè)對(duì)應(yīng)配重塊和升降艙的緩沖墊，所述底板的下表面設(shè)有對(duì)應(yīng)升降艙的上升限位開(kāi)關(guān)和對(duì)應(yīng)配重塊的下降限位開(kāi)關(guān)，蓋板上設(shè)有主避雷針。

(4)雷達(dá)流量計(jì)對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程測(cè)控單元RTU和電源裝置固定于升降控制箱內(nèi)，降控制箱頂部和升降艙頂部設(shè)有與電源裝置連接的太陽(yáng)能電池板。同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別設(shè)于兩個(gè)支撐軸上的從動(dòng)齒輪、與其中一個(gè)從動(dòng)齒輪嚙合的主動(dòng)齒輪、位于主動(dòng)齒輪和另一個(gè)從動(dòng)齒輪之間并與兩者分別嚙合的換向齒輪，所述主動(dòng)齒輪的輪軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)的輸出軸連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)為蝸輪蝸桿減速電機(jī)。

(5)主支撐臂側(cè)面固定有對(duì)應(yīng)雷達(dá)流量計(jì)的空心柱，空心柱下端與外部相通，雷達(dá)流量計(jì)的監(jiān)測(cè)端垂直下落于空心柱中或通過(guò)空心柱下方地基引至空心柱外部，升降艙對(duì)應(yīng)空心柱的位置設(shè)有避讓口。

*圖中1為主支撐臂；2為配重塊；3為傳動(dòng)鐵鏈；4為升降艙；5為遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭；6為水平副臂；7為雷達(dá)流量計(jì)；8為檢修欄；9為聚光燈或泛光燈；10為空心柱；11為殼體頂部的蓋板；12為雨量筒；13為太陽(yáng)能電池板。

2.2 主要工作原理

啟動(dòng)蝸輪蝸桿減速電機(jī)，利用同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)四個(gè)鏈輪同步旋轉(zhuǎn)，四條傳動(dòng)鐵鏈拉動(dòng)升降艙上升或下降，上升到止點(diǎn)時(shí)，上升限位開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，蝸輪蝸桿減速電機(jī)停止，下降至止點(diǎn)時(shí)，下降限位開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，蝸輪蝸桿減速電機(jī)停止。

3 雷達(dá)流量計(jì)的安裝案例

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

搭載平臺(tái)用于安裝雷達(dá)流量計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。該搭載平臺(tái)升降艙的兩側(cè)均設(shè)有水平副臂，雷達(dá)流量計(jì)的數(shù)量為兩個(gè)，分別固定于兩個(gè)水平副臂的懸臂端，雷達(dá)流量計(jì)對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程測(cè)控單元RTU和電源裝置設(shè)于升降艙內(nèi)。升降控制箱頂部和升降艙頂部均設(shè)有太陽(yáng)能電池板，升降控制箱頂部的太陽(yáng)能電池板與電控箱的電源裝置連接，升降艙頂部的太陽(yáng)能電池板與雷達(dá)流量計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭各自對(duì)應(yīng)的電源裝置連接。在具體應(yīng)用中由于采用了兩個(gè)水平副臂，顯著提高了抗瞬間橫風(fēng)能力。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

(1)在配重塊的作用下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)通過(guò)同步傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪及傳動(dòng)鐵鏈?zhǔn)×Φ膶⑸蹬撎嵘粮呖?，同時(shí)也由于配重塊的作用，保證了升降艙下放時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，因此，本文研發(fā)的升降艙承重能力強(qiáng)，有效荷載可達(dá)300 kg，可以同時(shí)搭載雷達(dá)流量計(jì)和水位計(jì)，實(shí)現(xiàn)河流流量和水位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。

(2)采用四條傳動(dòng)鐵鏈和防墜器形成5級(jí)防墜落手段，具體是：配重塊與升降艙之間連接著四條傳動(dòng)鐵鏈；升降控制箱與升降艙之間連接著防墜器；升降艙與主支撐臂之間的摩擦作用，實(shí)現(xiàn)了多重防墜落作用。一條或兩條或三條傳動(dòng)鐵鏈斷裂后，不僅有配重塊利用其余傳動(dòng)鐵鏈拉動(dòng)升降艙，且由于作用力不平衡，升降艙卡在主支撐臂上，而當(dāng)所有傳動(dòng)鐵鏈斷裂時(shí)，另有防墜器作用，故大大提高了安全性和可靠性。

(3)升降控制箱位于主支撐臂頂部，配重塊位于主支撐臂內(nèi)部，傳動(dòng)鐵鏈將升降艙拉至上升終點(diǎn)后隱于主支撐臂內(nèi)，故本發(fā)明的傳動(dòng)部分為隱蔽性設(shè)計(jì)，受環(huán)境影響小，使用壽命長(zhǎng)，在一定程度上避免了人為惡意破壞，同時(shí)保證了雷達(dá)水位計(jì)觀測(cè)平臺(tái)外形美觀。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)設(shè)計(jì)研發(fā)的雷達(dá)水位計(jì)鋼結(jié)構(gòu)搭載平臺(tái)，由于配重塊的作用，保證了升降艙下放時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)有效荷載可達(dá)300公斤，可以同時(shí)搭載雷達(dá)流量和水位計(jì)，滿(mǎn)足河流流量和水位的自動(dòng)監(jiān)測(cè)；

(2)配重及傳動(dòng)鐵鏈、升降艙與主臂的摩擦力卡及防墜器共同構(gòu)成了防墜落手段，大大提高了雷達(dá)水位計(jì)搭載平臺(tái)安全性和可靠性；

(3)雷達(dá)水位計(jì)鋼結(jié)構(gòu)搭載平臺(tái)盡量避開(kāi)流體流向發(fā)生較大變化或者偏轉(zhuǎn)的區(qū)域，尤其是在河道水平拐彎或者水面存在較大落差的區(qū)域不應(yīng)安裝，此外在河道測(cè)流斷面存在明顯的柵格、擋板等遮擋物時(shí)，應(yīng)盡量避免在此類(lèi)區(qū)域安裝雷達(dá)流量計(jì)，影響雷達(dá)流量計(jì)的準(zhǔn)確使用。