本發(fā)明專利涉及隧道工程測量儀器領域，具體涉及一種隧道斷面風速測量裝置及測量點位置計算方法。
背景技術：
：隧道壁面阻力系數的確定、隧道通風效果的測量以及隧道風機個性曲線的現場測量等對隧道的工程的通風節(jié)能運營意義重大。這些項目中最主要的測量項目就是隧道斷面風速的測量。傳統(tǒng)的斷面的風速測量多用單臺手持式風速風量儀對隧道中個別點位的風速進行測量以其平均值作為整個斷面的平均風速。這種測量方法所選取的測點數量較少，位置也較為隨機，計算所得的平均風速不能準確的反映斷面的平均風速，幾個測點的風速嚴格來講不為同一時刻該斷面的風速。后續(xù)相關研究中，在斷面風量測量中，隧道斷面被分為若干小斷面，對其每個斷面形心處的風速進行測量，以其算數平均值作為斷面平均風速。但是由于隧道管壁的作用，隧道斷面上的風速不是平均分布，斷面風速在管壁處較小，在斷面中心部位風速較大。因此各測點的權重也不盡相同，各斷面形心的風速的算數平均數不能準確表達斷面平均風速。并且目前在對各小斷面風速進行測量時需要布設大量鋼架，在鋼架上布設測量風杯，每完成一次測量就需要將鋼架、儀器等拆除，搬用至下一斷面組裝后進行再次量測，隧道一般長度較長，需要監(jiān)測斷面較多，所以此種方法，費時費力，監(jiān)測得到的不同斷面的數據間隔時間較長。技術實現要素：為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種隧道斷面風速測量裝置，能便捷的同時采集同一隧道斷面不同位置的風速，且能夠快速移動，以便快速的測量下一個隧道斷面不同位置的風速，解決了隧道斷面風速測量中測試結果失真、支架布設困難、支架移動不便的問題。為達到上述目的，本發(fā)明所述一種隧道斷面風速測量裝置包括豎向測量桿，底座和風速測量風杯，所述底座包括框架，所述框架的內側面開設有滑槽，所述豎向測量桿通過其底部設置的棱柱底座滑動連接在底座的滑槽中，所述風速測量風杯固定設置在豎向測量桿上。所述豎向測量桿為可伸縮桿。所述豎向測量桿為多節(jié)可抽出式，包括多級母管和子管，母管上端設有固定孔，子管下部固定設置有位置固定柱，既作為母管又作為子管的管子上端設有固定孔，下部固定設置有位置固定柱，所述位置固定柱包括焊接在子管內壁的卡位臺，卡位臺下端固定連接有伸長柱，所述伸長柱左右兩側對稱設置有球頂可壓縮柱，所述球頂可壓縮柱與固定孔配合實現子管位置的固定，所述球頂可壓縮柱伸出時可固定子管位置，壓回后可實現子管的收縮。所述每個豎向測量桿的其中一個母管上每間隔0.05m-0.1m設置一對固定孔。所述豎向測量桿與棱柱底座之間設置有千斤頂。所述底座包括框架、車輪固定裝置和輪軸系統(tǒng)，所述輪軸系統(tǒng)通過車輪固定裝置固定設置在框架底部，所述輪軸系統(tǒng)用于帶動風速風量測量裝置移動，其包括車軸和車軸兩端的車輪。所述車輪固定裝置包括約束部和設置在約束部中的軸承，所述約束部包括上約束部和下約束部，所述上約束部和下約束部兩端分別通過銷釘鉸接，所述上約束部固定在框架上，當一端的交接點解除鉸接時，下約束部可向側上方旋轉，并固定在框架上，且下約束部的最低位置處不低于框架的底端位置。所述框架的長軸與短軸相接處的長軸內側面設置有棱柱底座安裝通道，所述棱柱底座的兩端設置有防止棱柱底座滑出滑槽的約束頭。所述風速測量風杯通過卡扣固定在豎向測量桿上。一種隧道斷面風速測量點位置計算方法，采用切貝且夫法計算測量點的位置，具體測量點位置由下述公式計算所得：對隧道中風的流速采用切貝且夫多項式Tn(x)逼近其真實函數f(x)，Tn+1(x)＝cos((n+1)arccosx)x∈C[-1,1]，令x＝cosθ，則有θ∈C[0，π]，則n+1階切貝且夫多項式：Tn+1(x)＝cos((n+1)θ)代入cosθ＝x得：Tn+1(x)＝cos((n+1)arccosx)取即切貝且夫結點：通過下式將x∈[-1,1]轉換到一般的t∈[a，b]上：式中：x，t—變量，則差值節(jié)點為：差值節(jié)點即為測點的橫坐標，式中：xi—測線的橫坐標；a—測量范圍的初始值，本次測試中為0；b—測量范圍的終止值，本次測量中為隧道寬度l；i—測點序號；n—測點總數減1，測點的縱坐標計算方法和橫坐標計算方法相同：式中：yi—測線的縱坐標；a—測量范圍的初始值，本次測試中為0；b—測量范圍的終止值，本次測量中為測線高度h；i—測點序號；n—測點總數減1。與現有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益的技術效果，本發(fā)明在底座上設置有若干豎向測量桿，且所有的豎向測量桿可沿底座上的滑槽移動，每根豎向測量桿上設置有若干風速測量風杯，實現了斷面風速的多點同時測定，測定點位可以為隧道斷面內任意位置，便于隧道風速測量測點按照切貝且夫法布置，以獲取能反映斷面真實風量的測量數據，同時實現了風速測量裝置的可拼裝與拆卸。進一步的，豎向測量桿為可伸縮桿，通過可伸縮管體實現了測試裝置的小型化，降低了儀器的運輸與安裝困難。進一步的，豎向測量桿為多節(jié)可抽出式，包括多級母管和子管，母管上端設有固定孔，子管下部固定設置有位置固定柱，既作為母管又作為子管的管子上端設有固定孔、下部固定設置有位置固定柱，位置固定柱包括焊接在子管內壁的卡位臺，卡位臺下端固定連接有伸長柱，伸長柱左右兩側對稱設置有球頂可壓縮柱，球頂可壓縮柱與固定孔配合實現子管位置的固定，球頂可壓縮柱伸出時可固定子管位置，壓回后可實現子管的收縮，采用可抽出式結構實現豎向測量桿的伸縮，可快速對高度進行較大范圍的調節(jié)。進一步的，所述每個豎向測量桿的其中一個母管上每間隔0.05m-0.1m設置一對固定孔，可以實現較小范圍的高度調整。進一步的，豎向測量桿與棱柱底座之間設置有千斤頂，千斤頂的行程至少為0.1m，實現了豎向測桿長度的微調以及管體在隧道頂部壁面與棱柱底座之間的頂緊，從而達到固定管體作用減小了隧道頂部、側壁以及地面固定測量桿時的打孔作業(yè)，降低了對隧道結構的損害，減小了人員作業(yè)危險，節(jié)省了測試時間。進一步的，底座包括框架、車輪固定裝置和輪軸系統(tǒng)，輪軸系統(tǒng)通過車輪固定裝置固定設置在框架底部，輪軸系統(tǒng)用于帶動風速風量測量裝置移動，其包括車軸和車軸兩端的車輪，實現了隧道內組裝后的測試儀器的可移動，避免多個斷面測量時的儀器的拆卸與安裝，大量節(jié)省測試時間。進一步的，車輪固定裝置包括約束部和設置在約束部中的軸承，約束部包括上約束部和下約束部，上約束部和下約束部兩端分別通過銷釘鉸接，上約束部固定在框架上，當一端的交接點解除鉸接時，下約束部可向側上方旋轉，并固定在框架上，且下約束部的最低位置處不低于框架的底端位置，當斷面測試準備開始時，旋轉下約束部裝置至外側的固定柱，利用銷釘將其固定，將輪軸系統(tǒng)和軸承拆卸下來，以便車架可和地面完全貼合，實現測桿的穩(wěn)定，當一個測試斷面完成后需要移動車體時，可旋轉下部約束裝置至與上部約束裝置閉合，供輪軸系統(tǒng)安裝使用，操作簡便，節(jié)省時間。進一步的，框架長軸與短軸相接處的長軸內側面設置有棱柱底座安裝通道，棱柱底座的兩端設置有防止棱柱底座滑出滑槽的約束頭，可有效防止棱柱底座滑出滑槽，提高測量效率。進一步的，風速測量風杯通過卡扣固定在豎向測量桿上，方便調節(jié)位置或使用完畢之后進行拆卸。本裝置的風速測量風杯的安裝位置由切貝且夫布點法確定，切貝且夫差值節(jié)點處的多項式值能夠基本反映隧道風速變化的真實函數，因此選取切貝且夫多項式的差值節(jié)點作為風速測量的測點，即用此法選擇的測點所得出的流場風速能基本反映斷面的風速分布情況。附圖說明圖1是本發(fā)明裝置試驗狀態(tài)整體示意圖；圖2是本發(fā)明豎向測量桿示意圖；圖3為母管細部示意圖；圖4為測量桿子管示意圖；圖5為測量桿子管底部位置固定柱示意圖；圖6為固定柱細部構造示意圖；圖7為多孔管示意圖；圖8為底座示意圖；圖9為車輪固定裝置示意圖；圖10為軸承示意圖；圖11為車輪固定裝置試驗狀態(tài)示意圖；圖12為輪軸系統(tǒng)示意圖；圖13為風速測量風杯杯示意圖；圖14為切貝且夫布點法示意圖圖15為測量時的效果圖；附圖中：1、豎向測量桿，2、底座，3、風速測量風杯，4、千斤頂，5、隧道內壁，101、棱柱底座，103、母管，104、子管，1031、卡位臺，1032、固定孔，1033、圓水準器，1041、位置固定柱，10412、伸長柱，10413、球頂可壓縮柱，104131、限位柱底座，104132、卡位球頂鞘，104133、限位柱，104134、復位彈簧，104135、卡位片，105、多孔子母管，1051、0.6m高度孔，1052、0.7m高度孔，1053、0.8m高度孔，1054、0.9m高度孔，1055、1m高度孔，106、約束頭，201、框架，202、車輪固定裝置，203、輪軸系統(tǒng)，204、安裝通道，205、框架長軸，206、刻度條，2021、上約束部，2022、下約束部，2023、固定柱，2024、軸承，2025、銷釘，2026、銷釘孔道，20241、軸承外部圓環(huán)，20243、空心圓臺，2031、車軸，2032、車輪，302、卡扣，303、螺栓。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。參照圖1，一種隧道斷面風速測量裝置包括豎向測量桿1，底座2和風速測量風杯3，底座2包括框架201，框架201的內側面開設有滑槽，豎向測量桿1通過其底部設置的棱柱底座101滑動連接在底座2的滑槽中，風速測量風杯3固定設置在豎向測量桿1上。參見圖2，豎向測量桿1與棱柱底座101之間設置有液壓千斤頂102，千斤頂底面固定于棱柱底座101上，千斤頂的行程至少為0.1m，實現了豎向測桿長度的微調以及管體在隧道頂部壁面與棱柱底座之間的頂緊，從而達到固定管體作用減小了隧道頂部、側壁以及地面固定測量桿時的打孔作業(yè)，降低了對隧道結構的損害，減小了人員作業(yè)危險，節(jié)省了測試時間。參見圖3，在最下端的母管103上設有圓水準器1033，將豎向測量桿1調整至鉛錘提供參考，提高了測試數據的準確度。參見圖4和圖5，豎向測量桿1為多節(jié)可抽出式，包括多級母管103和子管104，子管套設在母管中，最下端的為母管，最上端的為子管，其余管既為母管又為子管，簡稱子母管，母管103上端設有固定孔1032，子管104下部固定設置有位置固定柱1041，既作為母管又作為子管的管子上端設有固定孔1032，下部固定設置有位置固定柱1041，位置固定柱包括焊接在子管內壁的卡位臺1031，卡位臺1031下端固定連接有伸長柱10412，，伸長柱10412左右兩側對稱設置有球頂可壓縮柱10413，球頂可壓縮柱10413與固定孔1032配合實現子管位置的固定，球頂可壓縮柱10413伸出固定孔1032時可固定子管位置，壓回后可實現子管的收縮，采用可抽出式結構實現豎向測量桿1的伸縮，可快速對高度進行較大范圍的調節(jié)。參見圖7，每組子母桿中設置一根多孔子母管105，多孔母管每間隔0.1m設置一對固定孔1032，相鄰子管約束孔孔道設置在兩相互垂直斷面上，以保證鋼管的剛度，多孔子母管105自下至上分別設置有0.6m高度孔1051、0.7m高度孔1052、0.8m高度孔1053、0.9m高度孔1054、和1m高度孔1055，每組子母桿中可根據需要設置一根長度0.5m的子母管，其余子母管長度均為1m，此種組合可以滿足任意高度的斷面測桿布置。參見圖6，球頂可壓縮柱10413包括限位柱底座104131、卡位球頂鞘104132、限位柱104133和復位彈簧10434，限位柱104133通過其底座104131與伸長柱10412固定連接，限位柱104133上套設有復位彈簧10434，限位柱104133用于對復位彈簧進行定位，防止復位彈簧位置發(fā)生變動，復位彈簧10434用于實現球頂可壓縮柱10413伸出或縮進固定孔1032，卡位球頂鞘104132中設置有用于向復位彈簧傳遞作用力的卡位片104135，施力壓卡位球頂鞘104132時，復位彈簧在卡位片104135的帶動下收縮，使卡位球頂鞘104132縮進固定孔1032，抽動子管，子管帶動位置固定柱上移，當移動至下一個母管固定孔1032時，卡位球頂鞘104132端部不再受力，復位彈簧釋放壓力，使卡位球頂鞘104132伸出固定孔1032，從而實現子管的定位。參見圖8，底座2包括框架201、車輪固定裝置202和輪軸系統(tǒng)203，輪軸系統(tǒng)203通過車輪固定裝置202固定設置在框架201底部，輪軸系統(tǒng)203用于帶動風速風量測量裝置移動，框架長軸205與短軸相接處的長軸內側面設置有棱柱底座安裝通道204，棱柱底座101的兩端設置有防止棱柱底座101滑出滑槽的約束頭106，可有效防止棱柱底座101滑出滑槽，提高測量效率，框架長軸205上貼有刻度條206，便于棱柱底座的準確定位，車架長度2m～3m，寬度為0.40m～0.6m。參見圖12，輪軸系統(tǒng)203包括六棱車軸和車軸兩端的車輪5，車輪為可拆卸安裝型，待車軸穿過內部空心圓臺后安裝車輪，實現了隧道內組裝后的測試儀器的可移動，避免多個斷面測量時的儀器的拆卸與安裝，大量節(jié)省測試時間。參見圖9和圖10，車輪固定裝置202包括約束部和設置在約束部中的軸承2024，約束部包括上約束部2021和下約束部2022，上約束部2021焊接在框架201上，上約束部2021左右兩端分別設有銷釘孔道2026，下約束部2022左右兩端亦分別設有銷釘孔道2026，且上約束部和下約束部左側的銷釘孔道2026處于同一直線上，上約束部和下約束部右側的銷釘孔道2026處于同一直線上，兩根銷釘2025分別插入銷釘孔道2026實現上約束部2021和下約束部2022左右兩端的鉸接，通過繞左側銷釘旋轉可實現下部約束裝置的開啟和關閉，框架201上還設置有固定柱2023，當一端的交接點解除鉸接時，下約束部2022可向側上方旋轉，并通過銷釘固定在固定柱2023上，且下約束部2022的最低位置處不低于框架201的底端位置，當斷面測試準備開始時，旋轉下約束部裝置至外側的固定柱，利用銷釘將其固定，將輪軸系統(tǒng)203和軸承拆卸下來，以便車架可和地面完全貼合，實現測桿的穩(wěn)定，當一個測試斷面完成后需要移動車體時，可旋轉下部約束裝置至與上部約束裝置閉合，供輪軸系統(tǒng)安裝使用，操作簡便，節(jié)省時間。參見圖11，軸承2024由外部圓環(huán)20241和內部空心圓臺20243以及鋼滾珠組成，外部圓環(huán)與車輪固定裝置擠緊，鋼滾珠填充在外部圓環(huán)和內部空心圓臺之間，實現內部空心圓臺的轉動，內部空心圓臺設有六棱柱孔道，供固定六棱車軸2031使用。參見圖13，風速測量風杯3底部與卡扣302固定連接，卡扣302通過螺栓303固定在豎向測量桿1上，方便調節(jié)位置或使用完畢之后進行拆卸。參見圖14，本裝置的風速測量風杯3的安裝位置由切貝且夫布點法確定，切貝且夫差值節(jié)點處的多項式值能夠基本反映隧道風速變化的真實函數，因此選取切貝且夫多項式的差值節(jié)點作為風速測量的測點，即用此法選擇的測點所得出的流場風速能基本反映斷面的風速分布情況，具體測點坐標由下述公式計算所得：對隧道中風的流速采用切貝且夫多項式Tn(x)逼近其真實函數f(x)，Tn+1(x)＝cos((n+1)arccosx)x∈C[-1,1]，令x＝cosθ，則有θ∈C[0，π]，則n+1階切貝且夫多項式：Tn+1(x)＝cos((n+1)θ)代入cosθ＝x得：Tn+1(x)＝cos((n+1)arccosx)取即切貝且夫結點：通過下式將x∈[-1,1]轉換到一般的t∈[a,b]上：式中：x,t—變量，則差值節(jié)點(測點的橫坐標)為：式中：xi—測線的橫坐標；a—測量范圍的初始值，本次測試中為0；b—測量范圍的終止值，本次測量中為隧道寬度l；i—測點序號；n—測點總數減1，測點的縱坐標計算方法和橫坐標計算方法相同：式中：yi—測線的縱坐標；a—測量范圍的初始值，本次測試中為0；b—測量范圍的終止值，本次測量中為測線高度h；i—測點序號；n—測點總數減1。本發(fā)明安裝及使用過程如下：隧道某一斷面上的流速一般不等于常數，現場的速度分布也很難嚴格遵循某一規(guī)律，考慮風道中的風速為充分發(fā)展的紊流，其流速在隧道壁面上為零，在斷面中心達到最大值。利用切貝且夫多項式可以對斷面的風速分布進行擬合，切貝且夫差值節(jié)點處的多項式值能夠基本反映隧道風速變化的真實函數，因此選取切貝且夫多項式的差值節(jié)點作為風速測量的測點，也就是說，用此法選擇的測點所得出的流場風速能基本反映斷面的風速分布情況，具體的以馬蹄形隧道斷面為例，給出切貝且夫布點的具體位置如表1所示，參照圖14所示，L為隧道寬度，h為隧道頂點與地面的距離，xi為測點位置橫坐標，hi為每條測點對應長度，yi為測點位置縱坐標(即測點高度)。表1測線或測點序號Xi/L值yi/hi值10.0750.06120.2350.23530.4370.43740.5630.56350.7650.76560.9250.939以某馬蹄形斷面隧道風速測量為例，斷面的形狀如圖14所示，斷面寬6.5m，高6.5m，隧道共長1000m，每間隔100m進行一次測量(兩端的截面不測量)，以獲取整個隧道的風量以及流場分布等信息，本實施例共需測試9個斷面，每個斷面以隧道側壁與隧道底面的交點處為坐標原點O(0，0)。首先進行斷面1處的風速測量，選用兩臺長度為3m的風速測量裝置測量完成此斷面風速測量，兩臺風速測量裝置放置在同一隧道截面中，隧道截面中一般風速較大，為了避免風速較大時本裝置發(fā)生晃動，所以本裝置的框架2采用鋼板焊接而成，若直接將框架2做成6米，則會導致本裝置重量過大，不易移動，所以本實施例中選用兩個3米的裝置并排放置來對同一隧道截面的風速進行測量，每臺風速風量測量裝置上設置3根豎向測量桿1，選用的千斤頂的行程為0.15m，本體高度為0.157m，計算測點1～6的橫坐標依次為：0.49m、1.53m、2.84m、3.66m、4.97m、6.01m；測桿1～6的高度依次為：4.98m、6.00m、6.47m、6.47m、6.00m、4.98m。各測線對應其長度具體的豎向測量桿1，組合情況如下(由頂至底順序)：4.98m高測線，1m長度子管+多孔母管(選擇0.8m高度孔位)+1m長度子母管+1m長度子母管+1m長度母管，高度共4.8m，其余高度由千斤頂調節(jié)并使測量桿頂部頂緊隧道頂面內壁；6.00m高測線，1m長度子管+多孔母管(選擇0.8m高度孔位)+1m長度子母管+1m長度子母管+1m長度子母管+1m長度母管，高度共5.9m，高度由千斤頂調節(jié)并使測量桿頂部頂緊隧道頂面內壁；6.47m高測線，0.5m長度子管+多孔母管(選擇0.9m高度孔位)+1m長度子母管+1m長度子母管+1m長度子母管+1m長度子母管+1m長度母管，高度共6.4m，其余高度由千斤頂調節(jié)并使測量桿頂部頂緊隧道頂面內壁。參見圖15，各個豎向測量桿1組裝完畢后，將本裝置運輸至第一處風速測量斷面后，拆掉輪軸系統(tǒng)，將車輪固定裝置的下部約束2022旋轉并用銷釘2025固定在約束柱2023上，保證千斤頂102頂進時棱柱基座101與車架201能緊貼地面，然后將豎向測量桿棱柱基座101由車輛車架滑槽通道204安裝入車架滑槽內，并滑至選定測點的位置，液壓千斤頂102處于未頂進狀態(tài)，按壓下球頂可壓縮柱10413，將第一子管(第一子管即第二母管)，第二子管(第二子管即第三母管)，第三子管，(第三子管即第四母管)、第四子管，依次安裝至對應母管內，抽出最高處即第四子管，將第四子管下部固定柱1041抽出到第四母管子管固定孔1032位置，使球頂可壓縮柱10413彈出穿過母管的子管固定孔1032，從而固定第四子管位置。將需要安裝在第四子管上的風量測量風杯301通過卡扣302安裝在第四子管上上。按順序依次抽出第三、第二、第一子管，按照切貝且夫方法計算出的各測點的豎向高度，在各自對應高度處安裝風量測定風杯。調整豎向測量桿頂部頂于隧道內壁的位置，使圓水準1033的水泡位于中央，保證測桿豎直，調整好豎直度后頂進液壓千斤頂102，使測桿固定于棱柱基座101與隧道內壁5之間。當各個豎向測量桿1布置和風量測量表3布置完畢后，開始試驗，記錄每個風速測量表的數據，完成此斷面的風速風量測量。測量完成后，調整液壓千斤頂102，使測桿頂端脫離隧道頂部，并留有一定距離，將車輪固定裝置的下部約束2022從下部約束固定柱2023上取下，將軸承2024放置在上部約束2021內，旋轉下部約束2022至與上部約束2021閉合，用銷釘2025穿過固定裝置銷釘孔道2026固定上下約束部分。將六棱車軸2031通過軸承的六棱孔20243道穿過，安裝車輪2032于六棱車軸上，將整個測量裝置通過車輪移至下一斷面處，取下車輪2032，抽出車軸2031，松開車軸上下約束部分，拿出軸承2024，將車輪下部約束2022重新約束在固定柱2023上，調整千斤頂102，頂進后進行該處斷面的風速測量，如此重復再進行下一處斷面風速測量，最終完成整條隧道所需斷面處的風速風量測定。當前第1頁1 2 3