CN101382449A

CN101382449A - 二线制水库大坝浸润线测量装置

Info

Publication number: CN101382449A
Application number: CNA2008100298405A
Authority: CN
Inventors: 胡兴刚
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: CN101382449B

Abstract

本发明公开了二线制水库大坝浸润线测量装置，包括多个现场信号测量收发单元和主控制器，多个现场信号测量收发单元通过两根与主控制器连接的总线并联连接，总线为带屏蔽层的电缆，屏蔽层接地；主控制器的载波信号整形放大电路甲的输入端接总线，其输出端接锁相环频率译码电路甲；现场信号测量收发单元的雷电浪涌吸收电路跨接于总线之间，另外一端接地；DC－DC电源变换器的输入端接总线，输出端与微处理器乙和载波信号整形放大电路乙连接；液位传感器放置在测压管内。由于采用二线结构，供电和数据传输都在同一总线上完成，简化了穿管和布线工作，材料消耗和土建工程量减少，遭受感应雷击的几率也降低。

Description

二线制水库大坝浸润线测量装置

技术领域

本发明涉及一种水库土石坝浸润线测量装置，具体涉及一种二线制坝体浸润线测量装置。

背景技术

由土石筑成的水库坝体都存在不同程度的渗漏，当上游水位变化时，坝体内的水浸深度也跟着变化，这种水浸深度在坝体的不同位置有不同的数值，并沿坝体断面形成一种分布，这一分布即为坝体浸润线。它是衡量水库工程运行安全程度的重要指标，依据国家水库土石坝安全监测规范，水库管理人员必须定期进行人工观测以便绘出坝体各断面浸润线，据此来评价水库工程运行是否安全。

目前建立的水坝浸润线自动观测系统是每个液位传感器探头敷设一条电缆将信号送入管理中心的主控制器中。对于一座水库，通常存在3~4个观测断面，而每个断面布置有4~5个测压孔，这样坝体上安装的探头可达十几个或更多。由于这些测量孔距离管理中心都超过几百米，因此要把这些传感器信号送入管理中心，就要埋设十几条电缆。考虑到户外防雷，这些电缆都必须穿入镀锌钢管内，并要挖沟埋于地下。可以看出这样的系统结构土建工程量大，工程造价高；另一方面，由于电缆数量多，感应雷击的几率也随之大大增加。

发明内容

本发明的目的在于客服现有技术的缺点，提出一种布线简单、穿管容易、工程造价和遭受感应雷击的几率大大降低的二线制水库坝体浸润线测量装置。

本发明目的可以通过如下的技术方案来实现：

二线制水库大坝浸润线测量装置，包括多个现场信号测量收发单元和主控制器；所述多个现场信号测量收发单元通过两根与主控制器连接的总线并联连接，所述总线为带屏蔽层的电缆，屏蔽层接地；

所述主控制器包括载波信号整形放大电路甲、锁相环频率译码电路甲、信号编码脉冲输出电路、微处理器甲、电源调整电路、液晶显示屏LCD、RS-232串行接口电平变换电路和稳压电源；载波信号整形放大电路甲的输入端接总线，其输出端接锁相环频率译码电路甲；信号编码脉冲输出电路、液晶显示屏LCD、RS-232串行接口电平变换电路和锁相环频率译码电路甲都分别与微处理器甲连接；稳压电源提供系统所需的直流电源，其正端经电源调整电路与总线一端连接，负端接总线另外一端；

所述现场信号测量收发单元包括雷电浪涌吸收电路、DC-DC电源变换器、载波信号整形放大电路乙、锁相环频率译码电路乙、微处理器乙、电源控制晶体管开关、液位传感器、取样电阻、模/数转换器和地址设置电路；雷电浪涌吸收电路跨接于总线之间，另外一端接地；DC-DC电源变换器的输入端接总线，输出端与微处理器乙和载波信号整形放大电路乙连接；载波信号整形放大电路乙的输入端与总线相接，输出端与锁相环频率译码电路乙连接，锁相环频率译码电路乙与微处理器乙相连接；液位传感器一端接电源控制晶体管，另一端与取样电阻相串联，模/数转换器一端接取样电阻，另一端与微处理器乙相连接；地址设置电路也与微处理器乙相接；液位传感器放置在测压管内。

为进一步实现本发明目的，所述主控制器被封装于仪表箱内，放置在管理中心。

所述每个现场信号测量收发单元被密封于防水铝盒内，并通过防雨接线盒挂接在总线上。

所述雷电浪涌吸收电路由跨接在两总线之间两串接的放电管和两串接的瞬变抑制二极管连接组成；放电管之一、瞬变抑制二极管之一的一端分别与总线的P0W1端子连接，另一端接大地，放电管之二和瞬变抑制二极管之二的一端与总线的P0W2端子连接，另一端接大地。

所述雷电浪涌吸收两放电管为EPCOS-75型放电管；所述瞬变抑制二极管1.5KE36CA型二极管。

所述微处理器甲为AT89C52型微处理器。

本发明有如下优点和积极效果：①由于采用二线结构，供电和数据传输都在同一总线上完成，大大简化了系统的穿管和布线工作，材料消耗和土建工程量大大减少，使得系统造价大幅下降。②数据编码采用频率形式，传输过程中即便受到某些干扰，也能够在接收端通过滤波等措施加以滤除，因此能够保证数据长距离稳定传输而不发生误码。③因为需要敷设的导线数量大大减少，加之采用屏蔽电缆且穿过镀锌钢管并埋于地沟里，所以遭受感应雷击的几率大大降低。④主控制器带有本地液晶显示器LCD，可以将现场参数显示出来。⑤系统还设计了RS-232异步串行接口，方便与上位计算机进行连接，将现场参数送入计算机中的数据库中进行存储，供查询、拷贝以及生成报表等需要。

附图说明

图1为本发明水库坝体浸润线观测断面示意图；

图2为水库坝体浸润线观测现场平面结构示意图；

图3为主控制器结构示意图；

图4为现场信号收发单元结构示意图；

图5为现场信号收发单元电气原理图；

图6为主控制器电气原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1、2所示，坝体1每隔一定距离确定一个观测断面2，在每一观测断面2中每隔一定距离钻一孔，每一观测断面测压孔4旁设置一个现场信号测量收发单元3，现场信号测量收发单元的液位传感器放置在孔内。本发明二线制水库大坝浸润线测量装置包括多个现场信号测量收发单元3和主控制器5；现场信号测量收发单元被密封于防水铝盒内，并通过防雨接线盒挂接在带屏蔽层的总线6上。多个现场信号测量收发单元3通过两根与主控制器5连接的总线6并联连接，屏蔽层接地。总线6为带屏蔽层的电缆。

如图3所示，主控制器5包括载波信号整形放大电路甲7、锁相环频率译码电路甲9、信号编码脉冲输出电路8、微处理器甲10、电源调整电路11、液晶显示屏12、RS-232串行接口电平变换电路13和稳压电源；载波信号整形放大电路甲7的输入端与总线6相接，其输出端与锁相环频率译码电路甲17相连接。信号编码脉冲输出电路8、液晶显示屏12、RS-232串行接口电平变换电路13和锁相环频率译码电路甲9都分别与微处理器甲10连接；稳压电源提供系统所需的直流电源，其正端经电源调整电路11与总线一端6连接，负端直接与总线6另外一端连接。所述主控制器5被封装于仪表箱内，放置在管理中心。

如图4所示，现场信号测量收发单元3包括雷电浪涌吸收电路14、DC-DC电源变换器15、载波信号整形放大电路乙16、锁相环频率译码器乙17、微处理器乙20、电源控制晶体管开关18、液位传感器21、取样电阻22、模/数转换器19和地址设置电路23。雷电浪涌吸收电路14跨接于总线6之间，另外一端接地；DC-DC电源变换器15与总线6连接，并与微处理器乙和载波信号整形放大电路乙16连接，其输入来自总线上的电压，其输出是+5V电压，与各个集成电路相连接，给它们供电；载波信号整形放大电路乙16的输入端与总线相接，输出端与锁相环频率译码乙17电路连接，锁相环频率译码电路乙17与微处理器乙20相连接；液位传感器21一端接电源控制晶体管18，另一端与取样电阻22相串接，模/数转换器19一端接取样电阻22，另一端与微处理器乙20相连接；地址设置电路23也与微处理器乙20相接；液位传感器21放置在测压管内。

如图5所示，雷电浪涌吸收电路14由两串接的放电管和两串接瞬变抑制二极管连接组成，都跨接在两总线6之间。放电管之一FL1、瞬变抑制二极管之一VD1的一端分别与总线6的POW1端子连接，另一端接大地，放电管之二FL2和瞬变抑制二极管之二VD2的一端与总线6的POW2端子连接，另一端接大地，放电管的作用是当线路电压因为雷电感应超过其额定值时，就会产生放电，将感应电流泄放到大地，从而保护用电设备免遭损坏。瞬变抑制二极管跨VD1、VD2作用类似放电管，只是它们的动作电压比放电管更低。

DC-DC电源变换器15由肖特基二极管VZ2、电感L1、开关稳压集成电路IC1、电容C1、C2、C3、C4共同构成，负责把总线上的+24V电源变换成+5.0V直流电源，其输出与各个集成电路相连接，给它们供电。为减小电路功率消耗，开关稳压集成电路IC1选用LM2576—5.0型开关稳压集成电路芯片。电容C1、C2并接在开关稳压集成电路IC1的①脚和信号地之间，肖特基二极管VZ2一端接开关稳压集成电路IC1的②脚，另一端与信号地连接，电感L1跨接在开关稳压集成电路IC1的②脚和④脚之间，电容C3、C4并接于开关稳压集成电路IC1的④脚和信号地之间，起滤波作用。

载波信号整形放大电路乙16由电阻R1、R2、R3、R4、R9、电容C6、C7和晶体管Q6连接组成，这是一个带有电流串联和电压并联负反馈的晶体管交流放大电路，它将总线上微弱的交流脉冲频率载波信号放大到后级要求的电平幅值。电容C6、C7起着隔离直流信号的作用。载波信号整形放大电路乙16与锁相环频率译码电路乙17连接，锁相环频率译码电路乙由电容C8、C9、C10、电阻R10、R16、电位器W3、频率译码集成电路IC2连接组成。电阻R16、电位器W3和电容C10用来调节频率译码集成电路IC2的中心接收频率，使它与主控制器发出的信号频率保持一致。IC2是一片锁相环音频译码集成电路，它能够把载波信号整形放大电路乙16送来的一定频率的脉冲载波解调为TTL逻辑的高、低电平流，微处理器乙20按照事先确定的通信协议读取这串高、低电平流，并将它们组装成数值，从而得到主控制器发出的地址和命令。现场单元地址设置电路23是由四位DIP微动开关实现的，按二进制编码，可以获得16个不同地址。当现场单元收到的巡检地址与本单元地址一致时，就打开由电阻R5、R7、R12、晶体管Q8、Q9组成的电源控制开关18，给液位传感器21和模/数转换器19供电。液位传感器21是工业标准仪表，其输出的4—20mA电流信号经取样电阻22变成1—5V的电压信号送给模/数转换器19，在微处理器乙20的控制下，模/数转换器19将液位模拟信号转换成数字量，微处理器乙20读取这个实时液位数值，并与本单元的地址信息进行组合，按照一定格式编码成某一频率的脉冲串经过晶体管Q7和稳压二极管VZ3发送到总线6上。

图5中，雷电浪涌吸收两放电管的型号都可选EPCOS-75，两串接瞬变抑制二极管的型号都可选1.5KE36CA，锁相环频率译码器乙IC2的型号选LM567，微处理器乙IC3的型号选AT89C2051，模/数转换器IC4的型号选TLC549，液位传感器YW选购KYB19xxx系列(康宇测控仪器仪表有限公司)，取样电阻R11取250Ω。液位传感器要放置在测压管内，现场单元要密封于防水铝盒内。

如图6所示，主控制器包括载波信号整形放大电路甲7、信号编码脉冲输出电路8、锁相环频率译码电路甲9、微处理器甲10、电源调整电路11、液晶显示屏12、RS-232串行接口电平变换电路13，+24V和+5V稳压电源以及电气线路板。载波信号整形放大电路甲7由电阻R1、R2、R3、R4、R5、电容C1、C2、晶体管Q3构成；锁相环频率译码电路甲9由电容C5、C6、C7、电阻R9、R10、电位器W1组成；其作用与现场单元的载波信号整形放大电路和频率译码电路一样。电源调整电路11由二极管D1、D2、电阻R6、R8、晶体管Q1组成、它的作用是使得总线6上的POW1的电平会随着编码脉冲信号的输出而自动调整其幅度，从而完成信号载波任务。RS-232串行接口电平变换电路13由电容C9、C10、C11、C12和集成电路IC3组成，将微处理器内的异步串行口的TTL电平逻辑变换成符合RS-232协议标准的电平。微处理器甲10作为整个系统的核心，一是要轮流巡检现场各个分单元、将单元的地址信息和读命令信息进行组合，并按照一定格式编码成某一频率的脉冲串，经电阻R7、晶体管Q2和稳压二极管VZ1组成的输出电路发送到总线上；二是完成现场单元信号解码；三是将收到的现场参数送液晶显示器12进行显示；四是把数据经RS-232串行接口上传到管理计算机供贮存和打印。

图6中，微处理器甲IC1的型号选AT89C52、锁相环频率译码器甲IC2的型号选LM567、RS-232串行接口电平变换电路的型号选MAX232、液晶显示器的型号选TG128X64、电源调整晶体管Q1要承载较大功率，其型号可选功率晶体管TIP42B。主控制器与现场单元距离远，要用带屏蔽层的护套电缆进行连接，而且屏蔽层要接大地。电缆型号可选用RVVP2*0.75。

使用时包括下述步骤：①在水库坝体上选三个典型断面，按水力学要求在每个断面上钻出4个测压孔并进行处理。②购买与测压孔等量的液位传感器并置放其中。③按图5所示的现场信号处理单元电气原理图制作印刷线路板，并将图中各元件焊接在印刷线路板上。④按图6所示的主控制器电气原理图制作印刷线路板，并将图中各元件焊接在印刷线路板上。⑤从坝体现场到管理中心挖一条30～50cm深的地沟，将一条带屏蔽的护套双芯电缆(芯线标称截面0.75mm²)穿过镀锌钢管从坝体现场引向管理中心，将镀锌钢管埋在地沟里并回填。钢管与钢管之间必须可靠连接，接头处不得使用生料带等绝缘物，以保证良好导电性。⑥将各现场单元通过防雨接线盒接于上述总线上并设置好地址。⑦将上述钢管和电缆屏蔽层与接地网连接。完成上述工作后即可上电工作。本发明设计人按上述方法建造的二线制水坝浸润线测量装置在某小型水库的浸润线监测中，乙获得了成功的应用。

Claims

1、二线制水库大坝浸润线测量装置，包括多个现场信号测量收发单元和主控制器；其特征在于：所述多个现场信号测量收发单元通过两根与主控制器连接的总线并联连接，所述总线为带屏蔽层的电缆，屏蔽层接地；

2、根据权利要求1所述的二线制水库大坝浸润线测量装置，其特征在于：所述主控制器被封装于仪表箱内，放置在管理中心。

3、根据权利要求1所述的二线制水库大坝浸润线测量装置，其特征在于：所述每个现场信号测量收发单元被密封于防水铝盒内，并通过防雨接线盒挂接在总线上。

4、根据权利要求1所述的二线制水库大坝浸润线测量装置，其特征在于：所述雷电浪涌吸收电路由跨接在两总线之间两串接的放电管和两串接的瞬变抑制二极管连接组成；放电管之一、瞬变抑制二极管之一的一端分别与总线的POW1端子连接，另一端接大地，放电管之二和瞬变抑制二极管之二的一端与总线的POW2端子连接，另一端接大地。

5、根据权利要求4所述的二线制水库大坝浸润线测量装置，其特征在于：所述雷电浪涌吸收两放电管为EPCOS-75型放电管；所述瞬变抑制二极管1.5KE36CA型二极管。

6、根据权利要求1所述的二线制水库大坝浸润线测量装置，其特征在于：所述微处理器甲为AT89C52型微处理器。