水位流量傳感器及水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型旨在提供一種可精確快速測(cè)量水位流量、使用壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定的水位流量傳感器及水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該水位流量傳感器包括其上設(shè)置有多個(gè)觸點(diǎn)的水位探測(cè)桿、與觸點(diǎn)連接的多路電壓比較電路、與多路電壓比較電路對(duì)應(yīng)連接的多路選擇電路、接收多路選擇電路輸出信號(hào)的主控電路、與主控電路連接的數(shù)據(jù)變送輸出電路；本水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括上位機(jī)、上述水位流量傳感器，水位流量傳感器經(jīng)由RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)對(duì)應(yīng)連接，本實(shí)用新型具有耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)，可在水體內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)渠道中水位流量，并將結(jié)果顯示在數(shù)碼管上及上位機(jī)中等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】水位流量傳感器及水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型及水位流量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種用于探測(cè)流量的水位流量傳感器及水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國(guó)是個(gè)缺水大國(guó)，而農(nóng)業(yè)灌溉用水占我國(guó)總用水量的60%以上，因此，對(duì)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)精確灌溉，以節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源是農(nóng)田灌溉的一項(xiàng)十分迫切的要求，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重大舉措。
[0003]目前，在灌區(qū)常用的量水方法有流速儀量水、水工建筑物量水、特設(shè)量水設(shè)備量水等，其中流速儀量水主要以流速面積法為主，盡管測(cè)量精度高，但價(jià)格昂貴，操作麻煩，不便于大面積推廣。對(duì)于灌溉渠道來(lái)說(shuō)，該方法一般用于水位流量關(guān)系的校核率定和控制重要斷面的水量監(jiān)測(cè)。利用水工建筑物量水雖然簡(jiǎn)單易行，但誤差較大，加之水工建筑物老化、變形、沖於等原因，測(cè)量精度沒(méi)有保障。利用特設(shè)量水設(shè)備設(shè)施進(jìn)行量水，設(shè)施工程造價(jià)高，且渠道水流情況對(duì)觀測(cè)精度影響較大，如泥沙淤積、漂浮物影響等；且水位流量的率定工作量大，不便于實(shí)行數(shù)字和圖形信息自動(dòng)化傳輸。因此，我國(guó)灌區(qū)迫切需要結(jié)合灌溉渠道或河道實(shí)際情況，研發(fā)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，價(jià)格適宜、便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息傳輸?shù)乃涣髁苛繙y(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需要，旨在提供一種可精確快速測(cè)量水位流量的、且使用壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定的水位流量傳感器及水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，本采用的技術(shù)方案為:
[0006]設(shè)計(jì)一種水位流量傳感器，包括水位探測(cè)桿，在所述水位探測(cè)桿上設(shè)置有一定數(shù)量的觸點(diǎn)，還包括與所述觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)連接的多路電壓比較電路、與所述多路電壓比較電路對(duì)應(yīng)連接的多路選擇電路、用于接收所述多路選擇電路輸出信號(hào)并輸出流量信號(hào)的主控電路、用于接收所述主控電路所輸出的流量信號(hào)、并將流量信號(hào)傳送至上位機(jī)的數(shù)據(jù)變送輸出電路。
[0007]所述主控電路包括微控芯片、均與所述微控芯片對(duì)應(yīng)連接的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路，所述微控芯片為MSP430系列單片機(jī)中的任一一種。
[0008]所述時(shí)鐘電路包括低頻振蕩電路、高頻振蕩電路，所述低頻振蕩電路包括10.768KHz?32.768KHz的低頻晶體振蕩器，所述高頻振蕩電路包括450KHz?8MHz的高頻晶體振蕩器；所述多路選擇電路包括多路復(fù)用器ADG732 ;所述數(shù)據(jù)變送輸出電路包括與所述微控芯片對(duì)應(yīng)連接的MAX3232芯片、與該MAX3232芯片對(duì)應(yīng)連接的RS-232接口 ；所述復(fù)位電路為R-C復(fù)位電路。
[0009]所述水位探測(cè)桿包括殼體，所述觸點(diǎn)沿其軸線(xiàn)方向以0.5?5.0mm等間距距離設(shè)置在殼體外表面。
[0010]所述觸點(diǎn)為不銹鋼螺釘，該不銹鋼螺釘上的螺釘帽設(shè)置于所述殼體外表面。
[0011]所述多路電壓比較電路、多路選擇電路、微控芯片、時(shí)鐘電路均位于電路板上，所述電路板設(shè)置于所述殼體內(nèi)部空腔中，并由環(huán)氧樹(shù)脂將其密封。
[0012]該水位流量傳感器還包括與所述微控芯片對(duì)應(yīng)連接的并用于顯示流量信息的數(shù)碼顯示管組。
[0013]一種水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括上位機(jī)、以上所述的水位流量傳感器；所述水位流量傳感器經(jīng)由RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器與所述上位機(jī)對(duì)應(yīng)連接。
[0014]本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0015]1.本水位流量傳感器測(cè)量精度高、穩(wěn)定可靠，通過(guò)測(cè)得水位探測(cè)桿不同觸點(diǎn)的電壓值，并進(jìn)行比較，通過(guò)微控芯片的分析處理后可將水位流量信息實(shí)時(shí)顯示在顯示終端上顯示，便于工作人員直觀的觀察，其次可經(jīng)由本傳感器中的數(shù)據(jù)變送輸出電路將輸出信息傳輸至上位機(jī)中。
[0016]2.本實(shí)用新型的水位探測(cè)桿由不銹鋼螺釘作為殼體外部的觸點(diǎn)，并由環(huán)氧樹(shù)脂將殼體內(nèi)部空腔及電路板進(jìn)行密封，在該傳感器進(jìn)水水中時(shí)，首先可可以使得本水位探測(cè)桿具有很好的耐腐蝕性、密封性，避免水體對(duì)該水位探測(cè)桿及其內(nèi)部的電路造成腐蝕等損壞，增加其使用壽命。
[0017]3.本實(shí)用新型流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在對(duì)水體進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)時(shí)，不受室外壞境等因素影響，可將流量信號(hào)實(shí)時(shí)輸出至室內(nèi)上位機(jī)中，方便快捷的監(jiān)測(cè)流量信息；便于操作人員的實(shí)時(shí)觀察，節(jié)省人力、物力等資源；且該系統(tǒng)操作使用維護(hù)簡(jiǎn)便，生產(chǎn)制造成本低，易于推廣使用。
[0018]4.本實(shí)用新型流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸出流量信號(hào)的同時(shí)，也可將水深R實(shí)時(shí)的輸出至顯示終端，以及上位機(jī)中，便于操作人員獲知相關(guān)參數(shù)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型中水位探測(cè)桿主要結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本實(shí)用新型水位流量傳感器電路原理示意圖；
[0021]圖3為本實(shí)用新型中JTAG接口、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路及與微控芯片電路連接示意圖；
[0022]圖4為本實(shí)用新型中數(shù)據(jù)變送輸出電路示意圖；
[0023]圖1中:1.電線(xiàn)；2.電路板；3.觸點(diǎn)；4.殼體；5.環(huán)氧樹(shù)脂。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明:
[0025]實(shí)施例1:一種水位流量傳感器，參見(jiàn)圖至圖4，包括水位探測(cè)桿，該水位探測(cè)桿包括殼體4，在殼體4外表面沿其軸線(xiàn)方向上以2.0mm等間距距離設(shè)置有多個(gè)用于與外部電路(電路板2)連接的觸點(diǎn)3，觸點(diǎn)3為不銹鋼螺釘，該不銹鋼螺釘上的螺釘冒設(shè)置于殼體4外表面，如圖1中所示。該水位流量傳感器還包括與上述觸點(diǎn)3對(duì)應(yīng)連接的多路電壓比較電路、與多路電壓比較電路對(duì)應(yīng)連接的并用于接收多路電壓比較電路輸出電壓的多路選擇電路、用于接收多路選擇電路輸出信號(hào)并輸出水位信號(hào)的主控電路、用于接收主控電路所輸出的流量信號(hào)、并將流量信號(hào)傳送的數(shù)據(jù)變送輸出電路。上述多路選擇電路包括多路復(fù)用器ADG732。主控電路包括MSP430F149單片機(jī)、均與MSP430F149單片機(jī)對(duì)應(yīng)連接的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路，JTAG接口為MSP430F149單片機(jī)的程序下載器，同時(shí)JTAG接口也作為MSP430F149單片機(jī)的程序調(diào)試接口 JTAG接口的1、3、5、7、9、13引腳分別與MSP430F149單片機(jī)的TDO、TD1、TMS、TCK、DVss, RST引腳連接；時(shí)鐘電路包括低頻振蕩電路、高頻振蕩電路，低頻振蕩電路包括32.768KHz的低頻晶體振蕩器Y2，其與MSP430F149單片機(jī)中的XIN、XOUTI/TCLK兩引腳對(duì)應(yīng)連接，高頻振蕩電路包括8MHz的高頻晶體振蕩器Y1、與該聞?lì)l晶體振蕩器Yl組成串聯(lián)回路的電容C2、C3,該聞?lì)l晶體振蕩器Yl的兩端與MSP430F149單片機(jī)中的XT2IN、XT20UT兩引腳對(duì)應(yīng)連接。高頻晶體振蕩器Y1、低頻晶體振蕩器Y2為MSP430F149單片機(jī)分別提供32.768KHz和8MHz時(shí)鐘；采用低頻晶體振蕩器Y2可以滿(mǎn)足低功耗的要求，8MHz的高頻振蕩器Y1，在不用時(shí)可以將其關(guān)閉，以降低功耗。數(shù)據(jù)變送輸出電路包括與MSP430F149單片機(jī)的UTXDO、URXDO引腳連接的MAX3232芯片、與該MAX3232芯片對(duì)應(yīng)連接的RS-232接口 ；RS_232接口主要用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)建立通信連接，將數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)向上位機(jī)的傳輸。復(fù)位電路為R-C復(fù)位電路，包括串聯(lián)的按鍵S、電阻R1，與按鍵S、電阻Rl并聯(lián)的電容Cl，按鍵S與電容Cl并聯(lián)后與MSP430F149單片機(jī)中的RST引腳對(duì)應(yīng)連接。該水位流量傳感器還包括與MSP430F149單片機(jī)對(duì)應(yīng)連接的并用于顯示水位信息的數(shù)碼顯示管組，通過(guò)數(shù)碼顯示管組的顯示可將經(jīng)由該水位流量傳感器檢測(cè)處理的流量信息顯示在數(shù)碼顯示管組上，便于直觀的觀察。上述的多路電壓比較電路、多路選擇電路、MSP430F149單片機(jī)、時(shí)鐘電路均印刷于電路板2上，并將電路板2設(shè)置于殼體4內(nèi)部空腔中，并由環(huán)氧樹(shù)脂5將其密封，用于防止水進(jìn)入其內(nèi)對(duì)電路板造成損壞。通過(guò)電線(xiàn)I將檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸出去。其多路電壓比較電路采集水位信號(hào)后，與參考電壓比較，其輸出電壓(即比較結(jié)果)進(jìn)入多路復(fù)用器ADG732的輸入通道中，多路復(fù)用器ADG732的數(shù)據(jù)輸出通道與MSP430F149單片機(jī)對(duì)應(yīng)連接。上述多路復(fù)用器ADG732根據(jù)其上的5位二進(jìn)制地址線(xiàn)A0、A1、A2、A3和A4能夠編碼成32個(gè)地址，其多路復(fù)用器ADG732上的五位地址選端依次與MSP430F149單片機(jī)的P6.3、P6.4、P6.5、P6.6和P6.7引腳相連，這樣單片機(jī)通過(guò)改變這幾個(gè)1 口 (P6.3、Ρ6.4、Ρ6.5、Ρ6.6、Ρ6.7引腳)的輸入，就可以改變ADG732的選通地址，將32路輸入之一切換至公共輸出端。多路復(fù)用器ADG732的控制端CS、WR和EN依次與MSP430F149單片機(jī)的P3.0、P3.1和P3.2與相連，單片機(jī)改變P3.0、P3.1和P3.2引腳的輸入就可以改變ADG732的工作狀態(tài)。
[0026]本實(shí)用新型還涉及一種水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括上位機(jī)、以上所述的水位流量傳感器；該水位流量傳感器經(jīng)由RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)對(duì)應(yīng)通信連接。
[0027]本實(shí)用新型利用以上所述水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行水位流量監(jiān)測(cè)時(shí)采用如下步驟:
[0028]①將所述水位流量傳感器的水位探測(cè)桿按常規(guī)方法布設(shè)于待檢測(cè)的渠道或河流的對(duì)應(yīng)位置處；
[0029]②由水位流量傳感器的多路電壓比較電路采集不同觸點(diǎn)間的電壓并與參考電壓進(jìn)行比較，之后將結(jié)果輸出至多路選擇電路中；
[0030]③多路選擇電路將輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行編碼并輸入至由水位流量傳感器的主控電路中；
[0031]④主控電路將輸入至其內(nèi)的編碼信號(hào)處理為水深信號(hào)R，并將該水深信號(hào)R代入下式中計(jì)算出待檢測(cè)渠道或河流對(duì)應(yīng)位置處的流量Q:
[0032]Q ==(I)
mTTt
[0033]式(I)并計(jì)算出其流量Q ;試中A為渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；n為渠道糙率；i為渠道縱坡；其中，在水位流量傳感器布設(shè)位點(diǎn)固定的情況下，渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA與水深信號(hào)R呈對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，因而只需測(cè)定對(duì)應(yīng)的水深信號(hào)，即可獲知對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的流量；
[0034]⑤所述主控電路將所得流量Q經(jīng)由RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器輸出至上位機(jī)中、及輸出至數(shù)碼管組(顯示終端)上顯示。
[0035]所述式(I)包括由如下步驟得到:
[0036](I)確定渠道的渠道糙率η、過(guò)水?dāng)嗝婷娣eΑ、渠道縱坡i。
[0037](2)將渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA、水深7?代入均勻流公式(2)中:
[0038]Q = AC-,[E (2)，
[0039]其中C為謝才系數(shù)；
[0040](3)將曼寧公式代入均勻流公式(2)中，即可得到:
[0041 ] Q = A-R%.^ =。
[0042]從該式可以看出，在渠道斷面形狀、尺寸、縱坡及糙率確定后，渠道中水流流量?jī)H僅是水深R的函數(shù)。故只要能測(cè)到渠道中的水深R，就可計(jì)算出渠道中水流流量。假定渠道為圓形管道，其橫截面為圓形，在該圓形管道確定后其形狀、尺寸、縱坡及糙率均能確定，其過(guò)水?dāng)嗝婷娣e.....sb句，其中D為該圓形管道直徑，0為充滿(mǎn)角;且1=；*12@，從
8B 4
該式可看出，在該圓形管道確定后其D可直接得出，水深可由本水位流量傳感器測(cè)得，故該式中的充滿(mǎn)角便可得出，故過(guò)水?dāng)嗝婷娣e識(shí)——句便可得出；因此流B 4?I
量Q便可得出。再如假定渠道橫截面為矩形，其上下寬為d，高為L(zhǎng)，A=d(L-R);由該式可得出在該矩形渠道確定后其上下寬、高均可確定，故其A僅是R的函數(shù)，故只需測(cè)得水深R便可得出過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA，故0 - A- ^A-R^中只需只需測(cè)得水深R便可得出Q的
nη大小。
[0043]本水位流量傳感器及水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0044]①本水位流量傳感器只需要3.3VDC的鋰電池進(jìn)行供電即可，功耗低。
[0045]②在使用時(shí)，本水位流量傳感器從非活動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入低功耗模式休眠狀態(tài)的電流只有 0.7μ Α。
[0046]③本水位流量傳感器當(dāng)外部中斷時(shí)，從休眠狀態(tài)進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)只需要6 μ S。
[0047]本實(shí)用新型選取黃河下游河南省人民勝利渠灌區(qū)東干渠為試驗(yàn)點(diǎn)，該渠道采用混凝土襯砌。將本實(shí)用新型與流速儀(流速儀為目前流速檢測(cè)相對(duì)準(zhǔn)確的一種儀器)觀測(cè)的流量實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其誤差分析見(jiàn)表I。
[0048]表I流量監(jiān)測(cè)對(duì)比
[0049]
^雛絲^實(shí)漏濂量IMM^A
# ? 1--r 3 ---
Cm-a }Cm.? }
125u80225w705LfO
2IMS25.7TO2.83
315l71Blii9B-1.75
4ICL11316.0121.18
526, OMmaw-1.m
[0050]由上表觀測(cè)結(jié)果可知，本實(shí)用新型的流量測(cè)量值與流速儀觀測(cè)的流量實(shí)測(cè)值相t匕，最大相對(duì)誤差在2.89%，本實(shí)用新型完全可以滿(mǎn)足水文規(guī)范要求，符合水文觀測(cè)規(guī)范精度要求。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)田灌溉渠道水位流量觀測(cè)自動(dòng)化和數(shù)字信息與圖形自動(dòng)傳輸提供技術(shù)支持，為灌區(qū)實(shí)現(xiàn)科學(xué)化精細(xì)灌溉，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水，提高科學(xué)管理水平提供條件。
[0051]最后指出，本實(shí)施例公布的是較佳的實(shí)施例，但并不局限于此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，極易根據(jù)上述實(shí)施例，做出不同的引申和變化，但只要不脫離本實(shí)用新型的精神，都在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種水位流量傳感器，包括水位探測(cè)桿，其特征在于:在所述水位探測(cè)桿上設(shè)置有一定數(shù)量的觸點(diǎn)，還包括 與所述觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)連接的多路電壓比較電路、 與所述多路電壓比較電路對(duì)應(yīng)連接的多路選擇電路、 用于接收所述多路選擇電路輸出信號(hào)并輸出流量信號(hào)的主控電路、 用于接收所述主控電路所輸出的流量信號(hào)、并將流量信號(hào)傳送至上位機(jī)的數(shù)據(jù)變送輸出電路。
2.如權(quán)利要求1所述的水位流量傳感器，其特征在于:所述主控電路包括微控芯片、均與所述微控芯片對(duì)應(yīng)連接的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路，所述微控芯片為MSP430系列單片機(jī)中的任意一種。
3.如權(quán)利要求2所述的水位流量傳感器，其特征在于:所述時(shí)鐘電路包括低頻振蕩電路、高頻振蕩電路，所述低頻振蕩電路包括10.768KHz?32.768KHz的低頻晶體振蕩器，所述高頻振蕩電路包括450KHz?8MHz的高頻晶體振蕩器；所述多路選擇電路包括多路復(fù)用器ADG732 ;所述數(shù)據(jù)變送輸出電路包括與所述微控芯片對(duì)應(yīng)連接的MAX3232芯片、與該MAX3232芯片對(duì)應(yīng)連接的RS-232接口 ；所述復(fù)位電路為R-C復(fù)位電路。
4.如權(quán)利要求3所述的水位流量傳感器，其特征在于:所述水位探測(cè)桿包括殼體，所述觸點(diǎn)沿其軸線(xiàn)方向以0.5?5.0mm等間距距離設(shè)置在殼體外表面。
5.如權(quán)利要求4所述的水位流量傳感器，其特征在于:所述多路電壓比較電路、多路選擇電路、微控芯片、時(shí)鐘電路均位于電路板上，所述電路板設(shè)置于所述殼體內(nèi)部空腔中，并由環(huán)氧樹(shù)脂將其密封包裹。
6.如權(quán)利要求5所述的水位流量傳感器，其特征在于，所述觸點(diǎn)為不銹鋼螺釘，該不銹鋼螺釘上的螺釘帽設(shè)置于所述殼體外表面。
7.如權(quán)利要求2所述的水位流量傳感器，其特征在于:該水位流量傳感器還包括與所述微控芯片對(duì)應(yīng)連接的并用于顯示流量信息的數(shù)碼顯示管組。
8.一種水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括上位機(jī)、權(quán)利要求1所述的水位流量傳感器；所述水位流量傳感器經(jīng)由RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器與所述上位機(jī)對(duì)應(yīng)連接。
【文檔編號(hào)】G01F23/22GK204007787SQ201420348271
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】周振民, 周科, 王學(xué)超 申請(qǐng)人:華北水利水電大學(xué)