CN101614573A

CN101614573A - 浸水监测方法、装置及设备

Info

Publication number: CN101614573A
Application number: CN200910082744A
Authority: CN
Inventors: 于连波; 戴煊龙; 马英
Original assignee: BEIJING POLYMER SENSORS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shandong polymer sensing technology Co. Ltd.
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: CN101614573B

Abstract

本发明实施例公开了一种浸水监测方法、装置及设备，所述方法包括：生成低频交流信号；将所述低频交流信号通过变压器耦合至探测电极；通过监测所述探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水。由于本发明实施例采用低频交流探测信号，探测电极上不会发生电极腐蚀和极化现象，因此监测结果准确，不会发生误告警，并且可以有效增加探测电极的引出距离；由于通过变压器隔离了低频交流信号和被监测介质，因此提高了监测的安全性和可靠性。

Description

浸水监测方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种浸水监测方法、装置及设备。

背景技术

在通讯基站和楼宇安防等环境中，需要设置浸水监测装置对环境进行实时监控，以期在环境中发生水浸时告警。一种常用的浸水监测装置称为非接触光电式浸水监测装置，如图1A所示，为该装置的结构示意图，该装置包括发光二极管A、探头B和红外接收管C，探头B所处的环境为介质D。监测时，发光二极管A发出一束具有一定强度和波长的红外光，该红外光进入探头B，探头B为表面光滑可透过红外光的半球形塑料外壳，由于光线具有从一种介质进入另一种介质时发生折射和反射的特性，因此当介质D中没有水与探头B接触时，介质D为光疏介质空气，大部分红外光线在探头B表面发生多次反射后，沿探头B内部传播到红外接收管C，此时红外接收管C呈导通状态；当发生水浸时，介质D为光密介质水，探头B与水接触，大部分红外光线在探头B表面发生多次折射后进入水中，因此红外接收管C由于没有接收到红外光因此呈截止状态。由此可知，通过检测红外接收管C是否处于导通状态来监测是否发生水浸。但是，这种监测方式只能利用探头进行单点监测，并且由于要利用光的传播特性，因此要求探头的表面清洁光滑，如果长期使用会导致探头表面沾污或积留水垢，使得光在传播时容易发生散射，产生误告警，由此降低了监测的准确性。

另一种常用的浸水监测装置称为接触电极式浸水监测装置，如图1B所示，是该装置的结构示意图。电极一端接在IC比较器的同相端(+)，另一端接地(GND)，参考电压VREF接IC比较器的反向端(-)，电极与IC比较器同相端之间接上拉电阻R，电阻R与电源VCC相连。监测时，如果电极之间没有水，则电极间的电阻为无穷大，IC比较器的同相端因电阻R的上拉电压高于参考电压VREF，因此IC比较器输出端OUT输出高电平；当电极之间发生水浸时，因水中的离子具有导电性，则电极间阻抗降低，因电极间阻抗与上拉电阻R的分压，导致IC比较器同相端的的电压低于参考电压VREF，因此IC比较器输出端OUT输出低电平。由此可知，通过检测IC比较器输出端的电平高低可以判断是否发生水浸。这种监测方式虽然可以通过接入多个电极进行多点监测，但是，由于发生水浸时，电极、直流电压和水之间构成了电镀环境，随着水浸时间的延长，水中的阳离子会被电镀到电极的负极板上，而正极板容易被腐蚀，从而产生电化学腐蚀；随着两个极板之间的电压升高，当高于IC比较器参考电压时，IC比较器的指示状态会发生翻转，因此长时间使用仍然会发生误告警。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种浸水监测方法及装置，以保证在水浸监测过程中不会产生误告警。

本发明实施例所提供的技术方案为：

一种浸水监测方法，包括：

生成低频交流信号；

将所述低频交流信号通过变压器耦合至探测电极；

通过监测所述探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水。

通过下述任意一种方式生成所述低频交流信号：

通过信号发生器生成所述低频交流信号；或

通过单片机生成所述低频交流信号。

所述信号发生器包括：

简单方波信号发生器；

通过运放和比较器实现的信号发生器，包括：移相式正弦波信号发生器、文氏电桥正弦波信号发生器、正交正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、三角波信号发生器；

通过非运放和非比较器实现的信号发生器，包括：采用三极管构建的振荡电路信号发生器、通过时基电路芯片实现的振荡电路信号发生器、通过带有反相器的逻辑电路实现的振荡电路信号发生器。

所述将低频交流信号通过变压器耦合至探测电极包括：

所述变压器原边线圈的一端通过上拉电阻与电源相连，所述变压器副边线圈的两端与所述探测电极相连，将所述低频交流信号输入所述变压器原边线圈的另一端。

所述通过监测所述探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水包括：

当所述低频交流信号经过转换电路输出到比较器的直流电压信号小于所述比较器的参考电压时，确定所述探测电极间的电阻大于阈值，所述探测电极未发生浸水；

当所述低频交流信号经过转换电路输出到比较器的直流电压信号大于所述比较器的参考电压时，确定所述探测电极间的电阻小于阈值，所述探测电极发生浸水。

所述转换电路包括：顺序相连的绝对值电路、差动放大电路、以及积分滤波电路；

所述低频交流信号经过转换电路输出到比较器包括：

所述低频交流信号输入所述绝对值电路的输入端，经过所述差动放大电路和积分滤波电路后，输出直流电压信号到所述比较器的同相端。

一种浸水监测装置，包括：

生成单元，用于生成低频交流信号；

隔离单元，用于将所述低频交流信号通过变压器耦合至探测电极；

监测单元，用于通过监测所述探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水。

所述监测单元包括：

判断单元，用于判断所述低频交流信号经过转换电路输出到比较器的直流电压信号是否小于所述比较器的参考电压；

确定单元，用于当所述判断单元的判断结果为是时，确定所述探测电极间的电阻大于阈值，所述探测电极未发生浸水，当所述判断单元的判断结果为否时，确定所述探测电极间的电阻小于阈值，所述探测电极发生浸水。

一种浸水监测设备，包括：信号发生器、变压器、转换电路、比较器，

所述信号发生器的输出端与所述变压器原边线圈的一端相连，所述信号发生器用于输出低频交流信号；

所述变压器原边线圈的另一端与所述转换电路的输入端相连，所述变压器的副边线圈两端用于在监测浸水时与探测电极相连；

所述转换电路用于将所述低频交流信号转换为直流电压信号后输出至所述比较器的同相端，当所述比较器输出端输出低电平时，判断所述探测电极未发生浸水，当所述比较器输出端输出高电平时，判断所述探测电极发生浸水。

所述信号发生器包括：

简单方波信号发生器；

还包括：与所述比较器的输出端相连的三极管，和与所述三极管相连的继电器；

当所述比较器的输出端输出低电平时，所述三极管未导通，所述继电器处于未导通状态；

当所述比较器的输出端输出高电平时，所述三极管导通，驱动所述继电器处于导通状态，并发出浸水告警信号。

可见，在本发明实施例中生成低频交流信号，将低频交流信号通过变压器耦合至探测电极，通过监测探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水。由于本发明实施例采用低频交流探测信号，探测电极上不会发生电极腐蚀和极化现象，因此监测结果准确，不会发生误告警，并且可以有效增加探测电极的引出距离；由于通过变压器隔离了低频交流信号和被监测介质，因此提高了监测的安全性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为现有非接触光电式浸水监测装置的结构示意图；

图1B为现有接触电极式浸水监测装置的结构示意图；

图2为本发明浸水监测方法的第一实施例流程图；

图3为本发明浸水监测方法的第二实施例流程图；

图4为本发明浸水监测装置的实施例框图；

图5为本发明浸水监测设备的实施例框图；

图6为应用本发明实施例的一种浸水监测设备的结构示意图；

图7A为图6中方波信号发生器的结构示意图；

图7B为图6中绝对值电路的结构示意图；

图7C为图6中差动放大电路的结构示意图；

图7D为图6中积分滤波电路的结构示意图；

图8A为采用三极管构建的振荡电路信号发生器的结构示意图；

图8B为通过时基电路芯片实现的振荡电路信号发生器的结构示意图；

图8C为通过带有反相器的逻辑电路实现的振荡电路信号发生器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

本发明浸水监测方法的第一实施例流程如图2所示：

步骤201：生成低频交流信号。

其中，可以通过信号发生器生成所述低频交流信号，或者通过单片机生成所述低频交流信号。

具体的，信号发生器包括：简单方波信号发生器；或者，通过运放和比较器实现的信号发生器；或者，通过非运放和非比较器实现的信号发生器。通过运放和比较器实现的信号发生器可以包括：移相式正弦波信号发生器、文氏电桥正弦波信号发生器、正交正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、三角波信号发生器；通过非运放和非比较器实现的信号发生器可以包括：采用三极管构建的振荡电路信号发生器、通过时基电路芯片实现的振荡电路信号发生器、通过带有反相器的逻辑电路实现的振荡电路信号发生器。

步骤202：将低频交流信号通过变压器耦合至探测电极。

其中，变压器原边线圈的一端通过上拉电阻与电源相连，所述变压器副边线圈的两端与所述探测电极相连，将所述低频交流信号输入所述变压器原边线圈的另一端。

步骤203：通过监测探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水。

其中，当所述低频交流信号经过转换电路输出到比较器的直流电压信号小于所述比较器的参考电压时，确定所述探测电极间的电阻大于阈值，所述探测电极未发生浸水；当所述低频交流信号经过转换电路输出到比较器的直流电压信号大于所述比较器的参考电压时，确定所述探测电极间的电阻小于阈值，所述探测电极发生浸水。

其中，转换电路包括顺序相连的绝对值电路、差动放大电路、以及积分滤波电路，所述低频交流信号输入所述绝对值电路的输入端，经过所述差动放大电路和积分滤波电路后，输出直流电压信号到所述比较器的同相端。

本发明浸水监测方法的第二实施例流程如图3所示，该实施例详细示出了浸水监测过程：

步骤301：通过信号发生器生成低频交流信号。

信号发生器可以包括：简单方波信号发生器；或者，通过运放和比较器实现的信号发生器；或者，通过非运放和非比较器实现的信号发生器。

进一步，通过运放和比较器实现的信号发生器可以包括：移相式正弦波信号发生器、文氏电桥正弦波信号发生器、正交正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、三角波信号发生器；通过非运放和非比较器实现的信号发生器可以包括：采用三极管构建的振荡电路信号发生器、通过时基电路芯片实现的振荡电路信号发生器、通过带有反相器的逻辑电路实现的振荡电路信号发生器。

上述信号发生器产生的低频交流信号除了可以为方波外，还可以为正弦波、三角波等，只要低频交流信号产生的波形是相对于变压器原边上拉电阻处电源相对称的交流信号波形均可。

步骤302：将低频交流信号输入变压器原边线圈的一端，低频交流信号通过变压器耦合到探测电极。

步骤303：低频交流信号经过变压器原边线圈的另一端输入绝对值电路的输入端。

步骤304：低频交流信号顺序经过差动放大电路和积分滤波电路后，输出直流电压信号到比较器的同相端。

步骤305：判断直流电压信号是否小于比较器的参考电压，若是，则执行步骤306；否则，执行步骤307。

步骤306：比较器输出低电平，确定探测电极间的电阻大于阈值，探测电极未发生浸水，结束当前流程。

步骤307：比较器输出高电平，确定探测电极间的电阻小于阈值，探测电极发生浸水，结束当前流程。

与本发明浸水监测方法的实施例相对应，本发明还提供了浸水监测装置的实施例，该浸水监测装置的实施例框图如图4所示。

该浸水监测装置包括：生成单元410、隔离单元420和监测单元430。

其中，生成单元410用于生成低频交流信号；隔离单元420用于将所述低频交流信号通过变压器耦合至探测电极；监测单元430用于通过监测所述探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水。

进一步，监测单元430可以包括(图4中未示出)：判断单元，用于判断所述低频交流信号经过转换电路输出到比较器的直流电压信号是否小于所述比较器的参考电压；确定单元，用于当所述判断单元的判断结果为是时，确定所述探测电极间的电阻大于阈值，所述探测电极未发生浸水，当所述判断单元的判断结果为否时，确定所述探测电极间的电阻小于阈值，所述探测电极发生浸水。

本发明还提供了浸水监测设备的实施例，该浸水监测设备的实施例框图如图5所示，包括：信号发生器510、变压器520、转换电路530和比较器540。

其中，所述信号发生器510的输出端与所述变压器520原边线圈的一端相连，所述信号发生器510用于输出低频交流信号；所述变压器530原边线圈的另一端与所述转换电路530的输入端相连，所述变压器520的副边线圈两端用于在监测浸水时与探测电极相连；所述转换电路530用于将所述低频交流信号转换为直流电压信号后输出至所述比较器540的同相端，当所述比较器540输出端输出低电平时，判断所述探测电极未发生浸水，当所述比较器540输出端输出高电平时，判断所述探测电极发生浸水。

其中，信号发生器510可以为简单方波信号发生器，或通过运放和比较器实现的信号发生器，或通过非运放和非比较器实现的信号发生器。通过运放和比较器实现的信号发生器可以具体为：移相式正弦波信号发生器、文氏电桥正弦波信号发生器、正交正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、三角波信号发生器；通过非运放和非比较器实现的信号发生器可以具体为：采用三极管构建的振荡电路信号发生器、通过时基电路芯片实现的振荡电路信号发生器、通过带有反相器的逻辑电路实现的振荡电路信号发生器。

其中，转换电路530可以具体为顺序相连的绝对值电路、差动放大电路、和积分滤波电路。所述低频交流信号输入所述绝对值电路的输入端，经过所述差动放大电路和积分滤波电路后，输出直流电压信号到所述比较器540的同相端。

进一步，还可以包括与所述比较器540的输出端相连的三极管和与所述三极管相连的继电器(图5中未示出)。其中，当所述比较器540的输出端输出低电平时，所述三极管未导通，所述继电器处于未导通状态，表示未发生浸水；当所述比较器540的输出端输出高电平时，所述三极管导通，驱动所述继电器处于导通状态，并发出浸水告警信号，标识发生浸水。

如图6所示，为应用本发明实施例的一种浸水监测设备的具体结构示意图，下面结合该结构示意图对本发明浸水监测设备及应用该设备进行监测的过程进行详细描述。该浸水监测设备包括：信号发生器、变压器、绝对值电路、差动放大电路、积分滤波电路、比较器、三极管、继电器和电极。

其中，探测电极连接在变压器副边线圈的两端，原边线圈一端经上拉电阻连接到电源4.5V，原边线圈另一端接信号发生器输出驱动端，信号发生器具体为方波信号发生器，其产生一个频率在50～100Hz之间、电位相对于电源4.5V对称的方波，此方波信号经变压器耦合至探测电极，当没有浸水发生时，探测电极两端电阻为无穷大，变压器处于空载状态，此时变压器原边与上拉电阻连接处的电压在方波信号的驱动下相对于电源4.5V呈等周期窄幅波动，此波动信号经绝对值电路、差动放大电路、积分滤波电路的调整后，变为直流电压信号，输出至比较器同相端(+)，其幅值低于比较器反相端(-)的参考电压VREF，比较器输出端为低电平，不足以驱动三极管导通使继电器切换导通状态；当浸水发生时，相当于探测电极两端电阻减小，变压器负载加重，此时变压器原边与上拉电阻连接处的电压相对于电源4.5V的波动幅度增大，此波动信号经绝对值电路、差动放大电路、积分滤波电路调整后，输出的直流电压信号较无水时有显著提高，该电压超过参考电压VREF，使比较器的输出电平发成翻转，输出为高电平，驱动三极管导通使继电器切换导通状态。

在整个监测过程中，由于探测电极上始终为低频交流信号，不存在直流分量，因此，不会产生电化学腐蚀和极化现象，使浸水监测更加准确，不会产生误告警。同时，由于变压器的隔离作用，使变送电路与被测介质(地面或大地)绝缘，有利于提高变送电路的安全性。

下面通过具体的示例描述图6中每个电路模块的详细结构。

如图7A所示，为图6中方波信号发生器的结构示意图。其中，运放U1A、C7、R31、R19、R30组成RC振荡电路，振荡频率由R31调整在50～100Hz内，D9、D10为3V稳压二极管，与R32组成限幅电路，使方波幅值限制在3.6V左右并相对于4.5V电源对称，此信号经U1B射随器7脚输出驱动变压器工作。

如图7B所示，为图6中绝对值电路的结构示意图。其中，R22与R23阻值相等，信号Sin经R22进入运放U1D的反相端(-)，当信号Sin小于电源4.5V时，运放U1D输出高电平，经二极管D8、R23、R22，与信号Sin构成回路，由于R22与R23相等，且运放U1D同相端与反相端电位保持相等，因此在U1C同相端(+)10脚处得到的是4.5V减去信号Sin后相对于4.5V电平向上翻转的绝对值电压；当信号Sin大于4.5V时，运放U1D输出低电平，此时二极管D8截止，信号Sin与运放U1D输出端无法构成回路，信号Sin会通过R22、R23无压降地直接到达U1C同相端(+)10脚处，并经U1C射随输出。总体上来看，信号Sin经过绝对值电路后，变为相对于4.5V电平为基准的绝对值电压输出。

如图7C所示，为图6中差动放大电路的结构示意图。其中，电阻R26＝R27、R29＝R28，运算放大器U2A的同相端接R28和R27，R28另一端接地，R27另一端接输入信号Sin，运算放大器U2A的反相端接R26和R29，R26另一端接电源4.5V，R29另一端接运算放大器U2A的输出端。因此，信号Sin经过差动放大电路后，其输出为(Sin-4.5V)*R29/R26。

如图7D所示，为图6中积分滤波电路的结构示意图。其中，分别由电阻R25和电容C6组成第一级，由电阻R24和电容C5组成第二级，经差动放大后的信号再经过两级积分滤波后变成直流电压信号，通过射随器U2B输出至比较器。

信号发生器除了如图7A所示的方波信号发生器之外，还可以为其它可以产生低频交流信号的信号发生器，下面列举几种可以应用于本发明实施例的信号发生器，需要说明的是，本发明实施例中的信号发生器不限于这些信号发生器，任何可以产生低频交流信号的信号发生器均可。

如图8A所示，为采用三极管构建的振荡电路信号发生器的结构示意图。其中，由三极管构建的振荡电路，可以包括三极管变压器反馈式LC振荡器、电容三点式和电感三点式振荡电路。图8A所示的是电容三点式(考毕兹)振荡电路，该信号发生器的输出端为图8A中标示的①处。

其中，振荡频率为：

f_{0} \approx \frac{1}{2 π \sqrt{LC}}

其中，

C = \frac{C_{1} C_{2}}{C_{1} + C_{2}}

如图8B所示，为通过时基电路芯片实现的振荡电路信号发生器的结构示意图。其中，时基电路芯片可以为由555时基电路实现的振荡电路，该信号发生器的输出端为图8B中的V0处。

如图8C所示，为通过带有反相器的逻辑电路实现的振荡电路信号发生器的结构示意图。其中，U1为施密特反相器，当U1A-1脚电压为低电平时，输出端2脚为高电平，4脚F0为低电平，此时反相器2脚通过电阻R1向电容C1充电，1脚电压逐渐升高，当1脚电压高于施密特翻转电压时，2脚变为低电平，4脚随之变为高电平，此时电容C1又通过R1放电，1脚电压逐渐降低，当1脚电压低于施密特翻转电压时，2脚变为高电平，4脚随之变为低电平。如此循环，在4脚得到一个连续的振荡信号。该信号发生器的输出端为图8C中标示的F0处。

除了上述实施例中示出的通过信号发生器产生低频交流信号外，还可以通过带有中央处理器的单片机以软件方式产生低频交流信号。例如，采用单片机内部定时器或软件定时器，在其上某一引脚输出周期和占空比均可调的脉冲序列。

通过以上的实施方式的描述可知，在本发明实施例中生成低频交流信号，将低频交流信号通过变压器耦合至探测电极，通过监测探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水。由于本发明实施例采用低频交流探测信号，探测电极上不会发生电极腐蚀和极化现象，因此监测结果准确，不会发生误告警，并且可以有效增加探测电极的引出距离；由于通过变压器隔离了低频交流信号和被监测介质，因此提高了监测的安全性和可靠性。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种浸水监测方法，其特征在于，包括：

生成低频交流信号；

将所述低频交流信号通过变压器耦合至探测电极；

通过监测所述探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下述任意一种方式生成所述低频交流信号：

通过信号发生器生成所述低频交流信号；或

通过单片机生成所述低频交流信号。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号发生器包括：

简单方波信号发生器；

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将低频交流信号通过变压器耦合至探测电极包括：

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过监测所述探测电极间电阻的大小判断是否发生浸水包括：

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述转换电路包括：顺序相连的绝对值电路、差动放大电路、以及积分滤波电路；

所述低频交流信号经过转换电路输出到比较器包括：

7、一种浸水监测装置，其特征在于，包括：

生成单元，用于生成低频交流信号；

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述监测单元包括：

9、一种浸水监测设备，其特征在于，包括：信号发生器、变压器、转换电路、比较器，

10、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述信号发生器包括：

简单方波信号发生器；

11、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述转换电路包括：顺序相连的绝对值电路、差动放大电路、以及积分滤波电路；

12、根据权利要求9所述的设备，其特征在于，还包括：与所述比较器的输出端相连的三极管，和与所述三极管相连的继电器；