雷達流量計觀測鋼結(jié)構(gòu)搭載平臺的設計與應用探討

冀連華

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

雷達流量計利用多普勒效應原理制成，工作時向水面發(fā)射電磁波，電磁波遇到運動的水面會發(fā)生散射，并構(gòu)成回波，由于接收到的回波頻率相對于發(fā)射頻率會發(fā)生一定偏移，由多普勒頻率方程可求得水面流速。一個運動目標會在雷達傳感器產(chǎn)生一個低頻輸出信號[1]，這個信號的頻率取決于移動速度，幅度取決于安裝的距離、反射率和運動目標的尺寸大小。多普勒頻率 F 和運動速度成正比關系。定點式雷達流速儀的系統(tǒng)可接入多個雷達探頭，相當于布設多個測量垂線，結(jié)合斷面參數(shù)計算斷面流量，定點測量，適用于洪水檢測[2]。近些年來，雷達流量計在河流流量自動監(jiān)測中得到廣泛應用，尤其是在中小河流得到推廣，但是在應用中仍存在一些問題，主要為雷達流量計一般固定安裝在岸邊，為了實際測河道測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，一旦雷達流量計出現(xiàn)問題，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，作為雷達流量計檢測、監(jiān)測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]，由于需要將雷達流量計支撐在半空中，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、下運動的升降臺，升降臺可搭載雷達流量計，在一定程度上方便了安裝和檢修。該方式采用的升降傳動機構(gòu)為齒輪齒條傳動機構(gòu)，即在固定支撐部上布置有齒條結(jié)構(gòu)，在升降臺上設置與齒條結(jié)構(gòu)嚙合的齒輪結(jié)構(gòu)，齒輪結(jié)構(gòu)帶動升降臺在齒條結(jié)構(gòu)上爬升和下降。這種傳動形式限制了升降臺的承重能力。此外，上述的傳動方式安全性較差，很容易發(fā)生升降臺墜落的情況，危及檢修人員和設備安全。基于上述原因，本文研發(fā)了一種雷達流量計觀測鋼結(jié)構(gòu)搭載平臺，實現(xiàn)了雷達流量計的安全、可靠、便捷安裝和檢修。

1 雷達流量計的安裝要求

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

(1)盡量避開流體流向發(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)域不應安裝雷達流量計進行流量的測定；

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

(3)在河道測流斷面存在明顯的柵格、擋板等遮擋物時，應盡量避免在此類區(qū)域安裝雷達流量計，影響雷達流量計的準確使用。

2 鋼結(jié)構(gòu)搭載平臺的設計

2.1 主體結(jié)構(gòu)

水文多功能搭載平臺括主支撐臂、套裝于主支撐臂外部的升降艙，結(jié)構(gòu)設計見圖1。結(jié)構(gòu)設計要點為：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平行支撐軸且支撐軸兩端分別固定有鏈輪，四個鏈輪在水平方向上位于主支撐臂的四角位置，兩個支撐軸之間設有同步傳動機構(gòu)，同步傳動機構(gòu)的動力輸入端與驅(qū)動電機減速機連接。主支撐臂為空心臂且其中設有配重塊，該配重塊的頂面四角分別連接有傳動鐵鏈，四條傳動鐵鏈與四個鏈輪一一對應，傳動鐵鏈的另一端繞過對應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、監(jiān)測儀器。各主體結(jié)構(gòu)特點分別為：

(1)升降艙的一側(cè)或兩側(cè)設有水平副臂，水平副臂與升降艙側(cè)面設置的連接耳鉸接并固定，側(cè)面另設有對應水平副臂的限位擋，水平副臂上設有水位計、流量計、遠程監(jiān)控攝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、流量計或監(jiān)控攝像頭對應的遠程測控單元RTU和電源裝置設于升降艙內(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)形導向架，環(huán)形導向架上設有與主支撐臂接觸的導向輪組，環(huán)形導向架的上端面低于內(nèi)結(jié)構(gòu)架的上端面，且環(huán)形導向架上端面四角分別設有與傳動鐵鏈連接的吊耳，內(nèi)結(jié)構(gòu)架上部設有容納升降控制箱的空腔。

(3)升降控制箱包括支撐框架、設于支撐框架內(nèi)的底板、包覆于支撐框架外周的殼體、設于殼體頂部的蓋板，底板一側(cè)另固定有電源裝置和電控箱，電控箱與驅(qū)動電機減速機連接，底板下表面與主支撐臂頂端固定，且底板開設有對應四條傳動鐵鏈的行程通孔，支撐框架的底端固定有多個對應配重塊和升降艙的緩沖墊，所述底板的下表面設有對應升降艙的上升限位開關和對應配重塊的下降限位開關，蓋板上設有主避雷針。

(4)雷達流量計對應的遠程測控單元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有與電源裝置連接的太陽能電池板。同步傳動機構(gòu)包括分別設于兩個支撐軸上的從動齒輪、與其中一個從動齒輪嚙合的主動齒輪、位于主動齒輪和另一個從動齒輪之間并與兩者分別嚙合的換向齒輪，所述主動齒輪的輪軸與驅(qū)動電機減速機的輸出軸連接，驅(qū)動電機減速機為蝸輪蝸桿減速電機。

(5)主支撐臂側(cè)面固定有對應雷達流量計的空心柱，空心柱下端與外部相通，雷達流量計的監(jiān)測端垂直下落于空心柱中或通過空心柱下方地基引至空心柱外部，升降艙對應空心柱的位置設有避讓口。

*圖中1為主支撐臂；2為配重塊；3為傳動鐵鏈；4為升降艙；5為遠程監(jiān)控攝像頭；6為水平副臂；7為雷達流量計；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為太陽能電池板。

2.2 主要工作原理

啟動蝸輪蝸桿減速電機，利用同步傳動機構(gòu)帶動四個鏈輪同步旋轉(zhuǎn)，四條傳動鐵鏈拉動升降艙上升或下降，上升到止點時，上升限位開關發(fā)出信號，蝸輪蝸桿減速電機停止，下降至止點時，下降限位開關發(fā)出信號，蝸輪蝸桿減速電機停止。

3 雷達流量計的安裝案例

3.1 設計結(jié)構(gòu)

搭載平臺用于安裝雷達流量計，結(jié)構(gòu)設計見圖2。該搭載平臺升降艙的兩側(cè)均設有水平副臂，雷達流量計的數(shù)量為兩個，分別固定于兩個水平副臂的懸臂端，雷達流量計對應的遠程測控單元RTU和電源裝置設于升降艙內(nèi)。升降控制箱頂部和升降艙頂部均設有太陽能電池板，升降控制箱頂部的太陽能電池板與電控箱的電源裝置連接，升降艙頂部的太陽能電池板與雷達流量計和遠程監(jiān)控攝像頭各自對應的電源裝置連接。在具體應用中由于采用了兩個水平副臂，顯著提高了抗瞬間橫風能力。

3.2 設計優(yōu)點

(1)在配重塊的作用下，驅(qū)動電機減速機通過同步傳動機構(gòu)、鏈輪及傳動鐵鏈省力的將升降艙提升至高空，同時也由于配重塊的作用，保證了升降艙下放時運行平穩(wěn)，因此，本文研發(fā)的升降艙承重能力強，有效荷載可達300 kg，可以同時搭載雷達流量計和水位計，實現(xiàn)河流流量和水位的自動監(jiān)測功能。

(2)采用四條傳動鐵鏈和防墜器形成5級防墜落手段，具體是：配重塊與升降艙之間連接著四條傳動鐵鏈；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，實現(xiàn)了多重防墜落作用。一條或兩條或三條傳動鐵鏈斷裂后，不僅有配重塊利用其余傳動鐵鏈拉動升降艙，且由于作用力不平衡，升降艙卡在主支撐臂上，而當所有傳動鐵鏈斷裂時，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，傳動鐵鏈將升降艙拉至上升終點后隱于主支撐臂內(nèi)，故本發(fā)明的傳動部分為隱蔽性設計，受環(huán)境影響小，使用壽命長，在一定程度上避免了人為惡意破壞，同時保證了雷達水位計觀測平臺外形美觀。

4 結(jié)語

(1)設計研發(fā)的雷達水位計鋼結(jié)構(gòu)搭載平臺，由于配重塊的作用，保證了升降艙下放時運行平穩(wěn)有效荷載可達300公斤，可以同時搭載雷達流量和水位計，滿足河流流量和水位的自動監(jiān)測；

(2)配重及傳動鐵鏈、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，大大提高了雷達水位計搭載平臺安全性和可靠性；

(3)雷達水位計鋼結(jié)構(gòu)搭載平臺盡量避開流體流向發(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)域不應安裝，此外在河道測流斷面存在明顯的柵格、擋板等遮擋物時，應盡量避免在此類區(qū)域安裝雷達流量計，影響雷達流量計的準確使用。