水位流量傳感器、水位流量監(jiān)測系統(tǒng)及水位流量監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明旨在提供一種可精確快速測量水位流量、使用壽命長、工作穩(wěn)定的水位流量傳感器、水位流量監(jiān)測系統(tǒng)及水位流量監(jiān)測方法，該水位流量傳感器包括其上設置有多個觸點的水位探測桿、與觸點連接的多路電壓比較電路、與多路電壓比較電路對應連接的多路選擇電路、接收多路選擇電路輸出信號的主控電路、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)測系統(tǒng)包括上位機、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)換器與上位機對應連接，其本發(fā)明具有耐腐蝕、使用壽命長，可在水體內(nèi)連續(xù)監(jiān)測渠道中水位流量，并將結(jié)果顯示在數(shù)碼管上及上位機中等優(yōu)點。
【專利說明】水位流量傳感器、水位流量監(jiān)測系統(tǒng)及水位流量監(jiān)測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明及水位流量監(jiān)測領域，具體涉及一種用于探測流量的水位流量傳感器、水位流量監(jiān)測系統(tǒng)及水位流量監(jiān)測方法。
【背景技術】
[0002]目前，我國是個缺水大國，而農(nóng)業(yè)灌溉用水占我國總用水量的60%以上，因此，對農(nóng)業(yè)實現(xiàn)精確灌溉，以節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源是農(nóng)田灌溉的一項十分迫切的要求，同時也是實現(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、特設量水設備量水等，其中流速儀量水主要以流速面積法為主，盡管測量精度高，但價格昂貴，操作麻煩，不便于大面積推廣。對于灌溉渠道來說，該方法一般用于水位流量關系的校核率定和控制重要斷面的水量監(jiān)測。利用水工建筑物量水雖然簡單易行，但誤差較大，加之水工建筑物老化、變形、沖於等原因，測量精度沒有保障。利用特設量水設備設施進行量水，設施工程造價高，且渠道水流情況對觀測精度影響較大，如泥沙淤積、漂浮物影響等；且水位流量的率定工作量大，不便于實行數(shù)字和圖形信息自動化傳輸。因此，我國灌區(qū)迫切需要結(jié)合灌溉渠道或河道實際情況，研發(fā)經(jīng)濟、實用，價格適宜、便于實現(xiàn)數(shù)字信息傳輸?shù)乃涣髁苛繙y和監(jiān)測設備。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，適應現(xiàn)實需要，旨在提供一種可精確快速測量水位流量的、且使用壽命長、工作穩(wěn)定的水位流量傳感器、水位流量監(jiān)測系統(tǒng)及水位流量監(jiān)測方法。
[0005]為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本采用的技術方案為:
設計一種水位流量傳感器，包括水位探測桿，在所述水位探測桿上設置有一定數(shù)量的觸點，還包括與所述觸點對應連接的多路電壓比較電路、與所述多路電壓比較電路對應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并輸出流量信號的主控電路、用于接收所述主控電路所輸出的流量信號、并將流量信號傳送至上位機的數(shù)據(jù)變送輸出電路。
[0006]所述主控電路包括微控芯片、均與所述微控芯片對應連接的時鐘電路、復位電路和JTAG接口電路，所述微控芯片為MSP430系列單片機中的任一一種。
[0007]所述時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應連接的MAX3232芯片、與該MAX3232芯片對應連接的RS-232接口 ；所述復位電路為R-C復位電路。
[0008]所述水位探測桿包括殼體，所述觸點沿其軸線方向以0.5?5.0mm等間距距離設置在殼體外表面。
[0009]所述觸點為不銹鋼螺釘，該不銹鋼螺釘上的螺釘冒設置于所述殼體外表面。
[0010]所述多路電壓比較電路、多路選擇電路、微控芯片、時鐘電路均位于電路板上，所述電路板設置于所述殼體內(nèi)部空腔中，并由環(huán)氧樹將其密封。
[0011]該水位流量傳感器還包括與所述微控芯片對應連接的并用于顯示流量信息的數(shù)碼顯示管組。
[0012]一種水位流量監(jiān)測系統(tǒng)，包括上位機、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)換器與所述上位機對應連接。
[0013]一種利用以上所述水位流量監(jiān)測系統(tǒng)進行水位流量監(jiān)測的方法，包括如下步驟:
①將所述水位流量傳感器的水位探測桿按常規(guī)方法布設于待檢測的渠道或河流的對應位置處；
②由水位流量傳感器的多路電壓比較電路采集不同觸點間的電壓并與參考電壓進行比較，之后將結(jié)果輸出至多路選擇電路中；
③多路選擇電路將輸入的電壓信號進行編碼并輸入至水位流量傳感器的主控電路中；
④主控電路將輸入至其內(nèi)的編碼信號處理為水深信號R，并將該水深信號R代入下式中計算出待檢測渠道或河流對應位置處的流量Q:
Q = A-R%-,.jm =Α-Λ^β(I)；
nn
式(I)中A為渠道過水斷面面積；n為渠道糙率；i為渠道縱坡；其中，在水位流量傳感器布設位點固定的情況下，渠道過水斷面面積A與水深信號R呈對應的函數(shù)關系，因而只需測定對應的水深信號，即可獲知對應檢測點的流量；
⑤所述主控電路將所得流量Q經(jīng)由RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器輸出至上位機中、及輸出至顯示終端顯示。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:
1.本水位流量傳感器測量精度高、穩(wěn)定可靠，通過測得水位探測桿不同觸點的電壓值，并進行比較，通過微控芯片的分析處理后可將水位流量信息實時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中。
[0015]2.本發(fā)明的水位探測桿由不銹鋼螺釘作為殼體外部的觸點，并由環(huán)氧樹脂將殼體內(nèi)部空腔及電路板進行密封，在該傳感器進水水中時，首先可可以使得本水位探測桿具有很好的耐腐蝕性、密封性，避免水體對該水位探測桿及其內(nèi)部的電路造成腐蝕等損壞，增加其使用壽命。
[0016]3.本發(fā)明流量監(jiān)測系統(tǒng)在對水體進行流量監(jiān)測時，不受室外壞境等因素影響，可將流量信號實時輸出至室內(nèi)上位機中，方便快捷的監(jiān)測流量信息；便于操作人員的實時觀察，節(jié)省人力、物力等資源；且該系統(tǒng)操作使用維護簡便，生產(chǎn)制造成本低，易于推廣使用。
[0017]4.本發(fā)明流量監(jiān)測系統(tǒng)在輸出流量信號的同時，也可將水深R實時的輸出至顯示終端，以及上位機中，便于操作人員獲知相關參數(shù)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明中水位探測桿主要結(jié)構示意圖；
圖2為本發(fā)明水位流量傳感器電路原理示意圖；
圖3為本發(fā)明中JTAG接口、復位電路、時鐘電路及與微控芯片電路連接示意圖；
圖4為本發(fā)明中數(shù)據(jù)變送輸出電路示意圖；
圖1中:1.電線；2.電路板；3.觸點；4.殼體；5.環(huán)氧樹脂。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明:
實施例1:一種水位流量傳感器，參見圖1至圖4，包括水位探測桿，該水位探測桿包括殼體4，在殼體4外表面沿其軸線方向上以2.0mm等間距距離設置有多個用于與外部電路(電路板2)連接的觸點3，觸點3為不銹鋼螺釘，該不銹鋼螺釘上的螺釘冒設置于殼體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3對應連接的多路電壓比較電路、與多路電壓比較電路對應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并輸出水位信號的主控電路、用于接收主控電路所輸出的流量信號、并將流量信號傳送的數(shù)據(jù)變送輸出電路。上述多路選擇電路包括多路復用器ADG732。主控電路包括MSP430F149單片機、均與MSP430F149單片機對應連接的時鐘電路、復位電路和JTAG接口電路，JTAG接口為MSP430F149單片機的程序下載器，同時JTAG接口也作為MSP430F149單片機的程序調(diào)試接口 JTAG接口的1、3、5、7、9、13引腳分別與MSP430F149單片機的TDO、TD1、TMS、TCK、DVss, RST引腳連接；時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單片機中的XIN、X0UTI/TCLK兩引腳對應連接，高頻振蕩電路包括8MHz的高頻晶體振蕩器Y1、與該聞頻晶體振蕩器Yl組成串聯(lián)回路的電容C2、C3,該聞頻晶體振蕩器Yl的兩端與MSP430F149單片機中的XT2IN、XT20UT兩引腳對應連接。高頻晶體振蕩器Y1、低頻晶體振蕩器Y2為MSP430F149單片機分別提供32.768KHz和8MHz時鐘；采用低頻晶體振蕩器Y2可以滿足低功耗的要求，8MHz的高頻振蕩器Y1，在不用時可以將其關閉，以降低功耗。數(shù)據(jù)變送輸出電路包括與MSP430F149單片機的UTXDO、URXDO引腳連接的MAX3232芯片、與該MAX3232芯片對應連接的RS-232接口 ；RS_232接口主要用于實現(xiàn)與上位機建立通信連接，將數(shù)據(jù)實現(xiàn)向上位機的傳輸。復位電路為R-C復位電路，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單片機中的RST引腳對應連接。該水位流量傳感器還包括與MSP430F149單片機對應連接的并用于顯示水位信息的數(shù)碼顯示管組，通過數(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、時鐘電路均印刷于電路板2上，并將電路板2設置于殼體4內(nèi)部空腔中，并由環(huán)氧樹脂5將其密封，用于防止水進入其內(nèi)對電路板造成損壞。通過電線I將檢測的數(shù)據(jù)傳輸出去。其多路電壓比較電路采集水位信號后，與參考電壓比較，其輸出電壓(即比較結(jié)果)進入多路復用器ADG732的輸入通道中，多路復用器ADG732的數(shù)據(jù)輸出通道與MSP430F149單片機對應連接。上述多路復用器ADG732根據(jù)其上的5位二進制地址線A0、A1、A2、A3和A4能夠編碼成32個地址，其多路復用器ADG732上的五位地址選端依次與MSP430F149單片機的P6.3、P6.4、P6.5、P6.6和P6.7引腳相連，這樣單片機通過改變這幾個1 口(P6.3、P6.4、P6.5、P6.6、P6.7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。多路復用器ADG732的控制端CS、WR和EN依次與MSP430F149單片機的P3.0、P3.1和P3.2與相連，單片機改變P3.0、P3.1和P3.2引腳的輸入就可以改變ADG732的工作狀態(tài)。
[0020]本發(fā)明還涉及一種水位流量監(jiān)測系統(tǒng)，包括上位機、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)換器與上位機對應通信連接。
[0021]本發(fā)明還涉及一種利用以上所述水位流量監(jiān)測系統(tǒng)進行水位流量監(jiān)測的方法，包括如下步驟:
①將所述水位流量傳感器的水位探測桿按常規(guī)方法布設于待檢測的渠道或河流的對應位置處；
②由水位流量傳感器的多路電壓比較電路采集不同觸點間的電壓并與參考電壓進行比較，之后將結(jié)果輸出至多路選擇電路中；
③多路選擇電路將輸入的電壓信號進行編碼并輸入至由水位流量傳感器的主控電路中；
④主控電路將輸入至其內(nèi)的編碼信號處理為水深信號R，并將該水深信號R代入下式中計算出待檢測渠道或河流對應位置處的流量Q:
Q = A-R%-,.jm =Α-Λ^β(I)
nn
式(I)并計算出其流量Q ;試中A為渠道過水斷面面積；n為渠道糙率；i為渠道縱坡；其中，在水位流量傳感器布設位點固定的情況下，渠道過水斷面面積A與水深信號R呈對應的函數(shù)關系，因而只需測定對應的水深信號，即可獲知對應檢測點的流量；
⑤所述主控電路將所得流量Q經(jīng)由RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器輸出至上位機中、及輸出至數(shù)碼管組(顯示終端)上顯示。
[0022]所述式(I)包括由如下步驟得到:
(I)確定渠道的渠道糙率η、過水斷面面積A、渠道縱坡i。
[0023](2)將渠道過水斷面面積A、水深7?代入均勻流公式(2)中:
Q ^ AC,JE (2)，
其中C為謝才系數(shù)；
(3)將曼寧公式代入均勻流公式(2)中，即可得到:
Q = Α-Μ%.%?Ε。
ηη
[0024]從該式可以看出，在渠道斷面形狀、尺寸、縱坡及糙率確定后，渠道中水流流量僅僅是水深R的函數(shù)。故只要能測到渠道中的水深R，就可計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，其過水斷面面積識-,其中D為該圓形管道直徑，0為充滿角;且1=—4 ,從
8I) 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得，故該式|=sk2|中的充滿角β便可得出，故過水斷面面積約便可得出；因此流量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，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)，故只需測得水深R便可得出過水斷面面積A，故β =中只需只需測得水深R便可得出Q的
ηη大小。
[0025]本發(fā)明的本水位流量傳感器、水位流量監(jiān)測系統(tǒng)、及與兩者相結(jié)合的水位流量檢測方法具有如下優(yōu)點:
①本水位流量傳感器只需要3.3VDC的鋰電池進行供電即可，功耗低。
[0026]②在使用時，本水位流量傳感器從非活動狀態(tài)轉(zhuǎn)入低功耗模式休眠狀態(tài)的電流只有 0.7μ Α。
[0027]③本水位流量傳感器當外部中斷時，從休眠狀態(tài)進入活動狀態(tài)只需要6 μ S。
[0028]本發(fā)明選取黃河下游河南省人民勝利渠灌區(qū)東干渠為試驗點，該渠道采用混凝土襯砌。將本發(fā)明與流速儀(流速儀為目前流速檢測相對準確的一種儀器)觀測的流量實測值進行對比，試驗數(shù)據(jù)及其誤差分析見表I。
[0029]表I流量監(jiān)測對比
漏次庫水實漏濂量麵?鏝差為
Crf-Sl (Asl
1&80225.7061-70
2SuMfi2S.7TOXSi
31Λ.73515wi9B-L 75
416.11316- 0121? 68
53Bui>M3&-201-1.78
由上表觀測結(jié)果可知，本發(fā)明的流量測量值與流速儀觀測的流量實測值相比，最大相對誤差在2.89%，本發(fā)明完全可以滿足水文規(guī)范要求，符合水文觀測規(guī)范精度要求。同時，為實現(xiàn)我國農(nóng)田灌溉渠道水位流量觀測自動化和數(shù)字信息與圖形自動傳輸提供技術支持，為灌區(qū)實現(xiàn)科學化精細灌溉，實現(xiàn)節(jié)約用水，提高科學管理水平提供條件。
[0030]最后指出，本實施例公布的是較佳的實施例，但并不局限于此，本領域的普通技術人員，極易根據(jù)上述實施例，做出不同的引申和變化，但只要不脫離本發(fā)明的精神，都在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種水位流量傳感器，包括水位探測桿，其特征在于:在所述水位探測桿上設置有一定數(shù)量的觸點，還包括 與所述觸點對應連接的多路電壓比較電路、 與所述多路電壓比較電路對應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并輸出流量信號的主控電路、 用于接收所述主控電路所輸出的流量信號、并將流量信號傳送至上位機的數(shù)據(jù)變送輸出電路。
2.如權利要求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應連接的時鐘電路、復位電路和JTAG接口電路，所述微控芯片為MSP430系列單片機中的任意一種。
3.如權利要求2所述的水位流量傳感器，其特征在于:所述時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應連接的MAX3232芯片、與該MAX3232芯片對應連接的RS-232接口 ；所述復位電路為R-C復位電路。
4.如權利要求3所述的水位流量傳感器，其特征在于:所述水位探測桿包括殼體，所述觸點沿其軸線方向以0.5?5.0mm等間距距離設置在殼體外表面。
5.如權利要求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、時鐘電路均位于電路板上，所述電路板設置于所述殼體內(nèi)部空腔中，并由環(huán)氧樹將其密封包裹。
6.如權利要求5所述的水位流量傳感器，其特征在于，所述觸點為不銹鋼螺釘，該不銹鋼螺釘上的螺釘冒設置于所述殼體外表面。
7.如權利要求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應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)測系統(tǒng)，其特征在于，包括上位機、權利要求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)換器與所述上位機對應連接。
9.一種利用權利要求8所述水位流量監(jiān)測系統(tǒng)進行水位流量監(jiān)測的方法，其特征在于，包括如下步驟: 將所述水位流量傳感器的水位探測桿按常規(guī)方法布設于待檢測的渠道或河流的對應位置處； 由水位流量傳感器的多路電壓比較電路采集不同觸點間的電壓并與參考電壓進行比較，之后將結(jié)果輸出至多路選擇電路中； 多路選擇電路將輸入的電壓信號進行編碼并輸入至水位流量傳感器的主控電路中； 主控電路將輸入至其內(nèi)的編碼信號處理為水深信號R，并將該水深信號R代入下式中計算出待檢測渠道或河流對應位置處的流量Q:
?t..................................................jI 2/ I/ Q = A-Ra jm ^A-R(I)； HH 式(I)中A為渠道過水斷面面積；n為渠道糙率；i為渠道縱坡； 所述主控電路將所得流量Q經(jīng)由RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器輸出至上位機中、及輸出至顯
【文檔編號】G01F23/22GK104132710SQ201410295849
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權日:2014年6月27日
【發(fā)明者】周振民, 周科, 王學超 申請人:華北水利水電大學