雷达流量计观测钢结构搭载平台的设计与应用探讨

冀连华

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

雷达流量计利用多普勒效应原理制成，工作时向水面发射电磁波，电磁波遇到运动的水面会发生散射，并构成回波，由于接收到的回波频率相对于发射频率会发生一定偏移，由多普勒频率方程可求得水面流速。一个运动目标会在雷达传感器产生一个低频输出信号[1]，这个信号的频率取决于移动速度，幅度取决于安装的距离、反射率和运动目标的尺寸大小。多普勒频率 F 和运动速度成正比关系。定点式雷达流速仪的系统可接入多个雷达探头，相当于布设多个测量垂线，结合断面参数计算断面流量，定点测量，适用于洪水检测[2]。近些年来，雷达流量计在河流流量自动监测中得到广泛应用，尤其是在中小河流得到推广，但是在应用中仍存在一些问题，主要为雷达流量计一般固定安装在岸边，为了实际测河道测流范围的需要和防止人为破坏，一般安装的高度在3～5 m以上，一旦雷达流量计出现问题，检修人员需要高空攀爬作业，检修难度大，人身安全也受到不同程度影响[3]。目前，作为雷达流量计检测、监测装置的支撑载体通常有以下两种形式，第一种为固定式支架[4-6]，由于需要将雷达流量计支撑在半空中，所以安装和检修均非常不方便，也存在安全隐患；第二种为可升降式支撑架体结构[7-10]，具有固定支撑部和可沿固定支撑部上、下运动的升降台，升降台可搭载雷达流量计，在一定程度上方便了安装和检修。该方式采用的升降传动机构为齿轮齿条传动机构，即在固定支撑部上布置有齿条结构，在升降台上设置与齿条结构啮合的齿轮结构，齿轮结构带动升降台在齿条结构上爬升和下降。这种传动形式限制了升降台的承重能力。此外，上述的传动方式安全性较差，很容易发生升降台坠落的情况，危及检修人员和设备安全。基于上述原因，本文研发了一种雷达流量计观测钢结构搭载平台，实现了雷达流量计的安全、可靠、便捷安装和检修。

1 雷达流量计的安装要求

采用一体化机架和不锈钢机箱的方式完成雷达流量计的安装，在雷达流量计机架直立腰杆的高度安装机箱以及天线模块，机箱要求能稳定牢固安装。通讯模块天线要求能牢固安装在机架上，尽量避免高达建筑物和树木对太阳能板进行光线的遮挡，各安装点具有水平和垂直方向调节能力，尽量避免安装设备的相互干扰和遮挡。为了得到良好的测量精度，雷达流量计安装点应位于水面较为平缓的区域，水面无旋涡和回流，无遮挡障碍物，在测量范围内保持雷达波接收的畅通。排水口、垂直跌水、挡流板、河道弯曲或者结合处等情况会对流量测量精度产生影响，应尽量避免在以下区域安装雷达流量计：

(1)尽量避开流体流向发生较大变化或者偏转的区域，尤其是在河道水平拐弯或者水面存在较大落差的区域不应安装雷达流量计进行流量的测定；

(2)在河道断面坡面比降发生较大变化的河段出，应尽量避免安装雷达流量计，以免出现较大的流量测定误差；

(3)在河道测流断面存在明显的栅格、挡板等遮挡物时，应尽量避免在此类区域安装雷达流量计，影响雷达流量计的准确使用。

2 钢结构搭载平台的设计

2.1 主体结构

水文多功能搭载平台括主支撑臂、套装于主支撑臂外部的升降舱，结构设计见图1。结构设计要点为：在主支撑臂顶部安装升降控制箱，升降控制箱的底板上固定一对平行支撑轴且支撑轴两端分别固定有链轮，四个链轮在水平方向上位于主支撑臂的四角位置，两个支撑轴之间设有同步传动机构，同步传动机构的动力输入端与驱动电机减速机连接。主支撑臂为空心臂且其中设有配重块，该配重块的顶面四角分别连接有传动铁链，四条传动铁链与四个链轮一一对应，传动铁链的另一端绕过对应的链轮后与升降舱连接，升降舱与升降控制箱之间连接有防坠器。升降舱或升降控制箱上可放置水文检测、监测仪器。各主体结构特点分别为：

(1)升降舱的一侧或两侧设有水平副臂，水平副臂与升降舱侧面设置的连接耳铰接并固定，侧面另设有对应水平副臂的限位挡，水平副臂上设有水位计、流量计、远程监控摄像头中的一种或多种组合，水平副臂的悬臂端固定有副避雷针，与水位计、流量计或监控摄像头对应的远程测控单元RTU和电源装置设于升降舱内。

(2)升降舱包括内结构架、包覆于内结构架外部的壳体，内结构架中固定有围绕主支撑臂的环形导向架，环形导向架上设有与主支撑臂接触的导向轮组，环形导向架的上端面低于内结构架的上端面，且环形导向架上端面四角分别设有与传动铁链连接的吊耳，内结构架上部设有容纳升降控制箱的空腔。

(3)升降控制箱包括支撑框架、设于支撑框架内的底板、包覆于支撑框架外周的壳体、设于壳体顶部的盖板，底板一侧另固定有电源装置和电控箱，电控箱与驱动电机减速机连接，底板下表面与主支撑臂顶端固定，且底板开设有对应四条传动铁链的行程通孔，支撑框架的底端固定有多个对应配重块和升降舱的缓冲垫，所述底板的下表面设有对应升降舱的上升限位开关和对应配重块的下降限位开关，盖板上设有主避雷针。

(4)雷达流量计对应的远程测控单元RTU和电源装置固定于升降控制箱内，降控制箱顶部和升降舱顶部设有与电源装置连接的太阳能电池板。同步传动机构包括分别设于两个支撑轴上的从动齿轮、与其中一个从动齿轮啮合的主动齿轮、位于主动齿轮和另一个从动齿轮之间并与两者分别啮合的换向齿轮，所述主动齿轮的轮轴与驱动电机减速机的输出轴连接，驱动电机减速机为蜗轮蜗杆减速电机。

(5)主支撑臂侧面固定有对应雷达流量计的空心柱，空心柱下端与外部相通，雷达流量计的监测端垂直下落于空心柱中或通过空心柱下方地基引至空心柱外部，升降舱对应空心柱的位置设有避让口。

*图中1为主支撑臂；2为配重块；3为传动铁链；4为升降舱；5为远程监控摄像头；6为水平副臂；7为雷达流量计；8为检修栏；9为聚光灯或泛光灯；10为空心柱；11为壳体顶部的盖板；12为雨量筒；13为太阳能电池板。

2.2 主要工作原理

启动蜗轮蜗杆减速电机，利用同步传动机构带动四个链轮同步旋转，四条传动铁链拉动升降舱上升或下降，上升到止点时，上升限位开关发出信号，蜗轮蜗杆减速电机停止，下降至止点时，下降限位开关发出信号，蜗轮蜗杆减速电机停止。

3 雷达流量计的安装案例

3.1 设计结构

搭载平台用于安装雷达流量计，结构设计见图2。该搭载平台升降舱的两侧均设有水平副臂，雷达流量计的数量为两个，分别固定于两个水平副臂的悬臂端，雷达流量计对应的远程测控单元RTU和电源装置设于升降舱内。升降控制箱顶部和升降舱顶部均设有太阳能电池板，升降控制箱顶部的太阳能电池板与电控箱的电源装置连接，升降舱顶部的太阳能电池板与雷达流量计和远程监控摄像头各自对应的电源装置连接。在具体应用中由于采用了两个水平副臂，显著提高了抗瞬间横风能力。

3.2 设计优点

(1)在配重块的作用下，驱动电机减速机通过同步传动机构、链轮及传动铁链省力的将升降舱提升至高空，同时也由于配重块的作用，保证了升降舱下放时运行平稳，因此，本文研发的升降舱承重能力强，有效荷载可达300 kg，可以同时搭载雷达流量计和水位计，实现河流流量和水位的自动监测功能。

(2)采用四条传动铁链和防坠器形成5级防坠落手段，具体是：配重块与升降舱之间连接着四条传动铁链；升降控制箱与升降舱之间连接着防坠器；升降舱与主支撑臂之间的摩擦作用，实现了多重防坠落作用。一条或两条或三条传动铁链断裂后，不仅有配重块利用其余传动铁链拉动升降舱，且由于作用力不平衡，升降舱卡在主支撑臂上，而当所有传动铁链断裂时，另有防坠器作用，故大大提高了安全性和可靠性。

(3)升降控制箱位于主支撑臂顶部，配重块位于主支撑臂内部，传动铁链将升降舱拉至上升终点后隐于主支撑臂内，故本发明的传动部分为隐蔽性设计，受环境影响小，使用寿命长，在一定程度上避免了人为恶意破坏，同时保证了雷达水位计观测平台外形美观。

4 结语

(1)设计研发的雷达水位计钢结构搭载平台，由于配重块的作用，保证了升降舱下放时运行平稳有效荷载可达300公斤，可以同时搭载雷达流量和水位计，满足河流流量和水位的自动监测；

(2)配重及传动铁链、升降舱与主臂的摩擦力卡及防坠器共同构成了防坠落手段，大大提高了雷达水位计搭载平台安全性和可靠性；

(3)雷达水位计钢结构搭载平台尽量避开流体流向发生较大变化或者偏转的区域，尤其是在河道水平拐弯或者水面存在较大落差的区域不应安装，此外在河道测流断面存在明显的栅格、挡板等遮挡物时，应尽量避免在此类区域安装雷达流量计，影响雷达流量计的准确使用。