CN104535138B - 一种实现自动检测的水位观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水位观测系统，其包括电源、机械部件、控制部件以及数据采集部件。本发明的水位观测系统运用水体浮力原理设计制作，利用浮标重力及其所受浮力平衡点确定水面位置，浮标可随水位变化而灵敏的、准确的移动；水位观测系统实时的采集记录浮标移动信息，从而完成水位观测工作。本发明的水位观测系统可以通过控制电路及电磁离合器实现自动控制，从而减少人力支出，电磁离合器由PLC输出短暂的电流启动，并控制刹车轮的回位，从而实现浮标自动下移及平衡；通过电机带动集线轮转动，从而使浮标上移至其受平衡力时自动停止。由于电磁离合器只是短暂的启动，因此可以减少能耗并防止电路过热烧损。

Description

一种实现自动检测的水位观测系统

技术领域

本发明涉及一种水位观测系统。

背景技术

在水文地质勘探活动中，常进行钻孔地下水位长期动态观测、大型抽水试验钻孔地下水位观测等工作，用以研究地下水流场空间分布形态及其动态变化规律。该项工作具有观测频率高、历时长、人力物力资源占用率高、综合成本高的特点。

目前用以观测钻孔内水位的工具主要有以下四个种类：（1）测钟，最原始简单的工具，其装置为一根带有刻度的绳子下端吊一个上细下粗的两个圆柱形铁制圆筒（大圆柱直径在5厘米左右，小圆柱在3厘米左右），通过圆筒撞击水面产生的回音判断测钟是否到达水面位置；（2）万用表法，其装置主要由探头、普通带刻度电线和万用表构成，电线上端连接万用表，下端错位绑扎在探头上，探头下至水面，绑扎在探头上的两极连通，回路电阻发生变化，万用表指针偏转，以此判断探头是否到达水面位置；（3）电测水位计，其装置主要由导电测绳、探头、报警灯（报警笛）和电源构成，探头接触水面时电路连通，报警灯亮（报警笛响）；（4）压力计，主要由压力探头、数据电缆、微机处理系统和电源构成，使用时需预先将压力探头安置在钻孔内指定深度处，微机处理系统将采集记录该深度处水压力，然后将水压力转换为深度数据。

上述工具中，（1）、（2）、（3）类工具测绳延展性大、人为测量误差大而导致测量精度低，且需往复提、下测绳，人工占用率高；（4）类虽可实现自动记录水位，但仪器庞大复杂，不易操作，且制作成本很高，不适宜大范围推广。

综上所述，目前需要一种简单、实用、自动、长效的水位计来解决频繁的、准确的、低成本的观测钻孔内水位之难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、可重复使用、长时间自动采集记录水位、功耗极低、成本低廉的尤其适用于钻孔内使用的水位观测系统。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的水位观测系统包括电源、机械部件、控制部件以及数据采集部件；所述机械部件包括电机、通过齿轮组与电机联动的集线轮、计数轮、线轮、浮标、设置于集线轮上的刹车轮以及连接集线轮、计数轮、线轮和浮标的测线；所述控制部件包括行程开关、PLC以及与刹车轮配合的电磁离合器；所述行程开关上设置有弹片，所述弹片的一端设置有线轴，所述线轮套置在线轴上，所述弹片与行程开关的弹钮相接触；所述弹钮弹起后，电源的输出端经行程开关连接PLC的X0输入端，PLC的Y0输出端连接电机的电源端；所述弹钮下压时，电源的输出端经行程开关连接PLC的X1输入端， PLC的Y1输出端连接电磁离合器的电源端；；所述数据采集部件包括设置于计数轮上的计数器以及数据采集记录器，所述计数器的数据输出端连接数据采集记录器的数据输入端；所述电源的输出端连接数据采集记录器的电流输入端，所述数据采集记录器的电流输出端连接计数器的电流输入端。

进一步的，本发明所述弹钮下压时，PLC的输出电流至电磁离合器的输入端，电流输出的时长为1~10秒。

进一步的，本发明所述计数轮与线轮之间还设置有张紧线轮。

进一步的，本发明所述数据采集记录器通过开机开关控制，所述PLC通过启动开关控制。

进一步的，本发明所述数据采集部件还包括设置于数据采集记录器上的CPU芯片和/或数字显示屏。

进一步的，本发明还包括机箱，所述机箱包括机箱筒状外壳，用于固定部件的横向固定板和纵向固定板、盖板以及第一隔板、第二隔板。

本发明运用水体浮力原理设计制作，利用浮标重力与浮标所受浮力的平衡点确定水面位置，浮标通过柔性线可随水位变化而灵敏、准确的上下移动。

本发明采用上述技术方案所获得的技术收益包括：

本发明的水位观测系统运用水体浮力原理设计制作，利用浮标重力及其所受浮力平衡点确定水面位置，浮标可随水位变化而灵敏的、准确的移动；水位观测系统实时的采集记录浮标移动信息，从而完成水位观测工作。

本发明的水位观测系统结构较简单，方便操作，圆形机箱外径140mm，方便安装于钻孔顶部。

本发明的水位观测系统能够自动准确采集和记录钻孔内水位，水位精度1mm；数据采集记录器采样间隔可自由设置，最小时间间隔1s，可记录单位时间水位浮动值、运行时间段水位浮动总值、运行时间、电池余量，显示屏中显示上述数值，并可通过数据采集记录器中的无线传输模块定时将上述数据发送至指定手机，便于观测者实时掌握数据动态和电池余量。

本发明的水位观测系统中数据采集记录器、电机、电磁离合器功耗低，且下降测量时电机不工作，并装备大容量电池，单电池续航时间不小于1个月，另可设置备用电池一个，因此可减少人力、物力投入，降低水位观测成本。

本发明的水位观测系统制作成本较低，且易损部件全部置于钻孔顶部，不会被人为损坏或掉落入孔内，仅测线和浮标置于钻孔内深处，即使损坏掉落也不会影响钻孔正常使用并可以极低成本更换。

本发明的水位观测系统可以通过控制电路及电磁离合器实现自动控制，从而减少人力支出，电磁离合器由PLC输出短暂的电流启动，并控制刹车轮的回位，从而实现浮标自动下移及平衡；通过电机带动集线轮转动，从而使浮标上移至其受平衡力时自动停止。由于电磁离合器只是短暂的启动，因此可以减少能耗并防止电路过热烧损。

附图说明

图1为本发明水位观测系统的正视结构示意图；

图2为本发明水位观测系统的侧视结构示意图；

图3为本发明水位观测系统的电路原理图；

图4为本发明水位观测系统的电路原理框图；

图5为本发明水位观测系统的遥控器的结构示意图。

在附图中，1电机、2齿轮组、3集线轮、4计数轮、4-1计数器、5线轮、6浮标、7测线、8行程开关、8-1弹钮、8-2 PLC、9刹车轮、10弹片、10-1线轴、11数据采集记录器、11-1CPU芯片、11-2数字显示屏、12电磁离合器、13张紧线轮、14电源、14-1备用电源、15、电源开关、15-1开机开关、15-2启动开关、16机箱、16-1机箱筒状外壳、16-2横向固定板、16-3纵向固定板、16-4盖板、16-5第一隔板、16-6第二隔板。

具体实施方式

实施例1

如图1~2所示，本发明包括机械部件、控制部件以及数据采集部件；所述机械部件包括电机1、通过齿轮组2与电机1联动的集线轮3、计数轮4、线轮5、浮标6以及连接集线轮3、计数轮4、线轮5和浮标6的测线7；所述控制部件包括行程开关8以及控制集线轮3的刹车轮9，在电磁离合器12接合时刹车，在电磁离合器12离时回位；所述行程开关8上设置有弹片10，所述弹片的另一端设置有线轴10-1，所述线轮5套置在线轴10-1上；所述弹片10与行程开关8的弹钮8-1相接触；所述数据采集部件包括设置于计数轮4上的计数器4-1以及与计数器4-1连接的数据采集记录器11。所述计数轮4与线轮5之间还设置有张紧线轮13，可以使测线张紧，进一步提高测量的准确性。所述电源14的输出端通过电源电路输入数据采集记录器11和/或行程开关8，所述数据采集记录器11通过开机开关15-1控制，所述行程开关8通过启动开关15-2控制。本发明还包括机箱16，所述机箱16包括机箱筒状外壳16-1，用于固定部件的横向固定板16-2和纵向固定板16-3、盖板16-4以及第一隔板16-5、第二隔板16-6。

如图3、4所示，本实施例的行程开关8连接PLC8-2；所述电源14的输出端与PLC8-2的输入端连通；所述行程开关8的弹钮8-1弹起后， PLC8-2的Y0输出端与电机1的输入端相连通；所述弹钮8-1下压时，PLC8-2的Y1输出端与电磁离合器12的输入端连通，使电磁离合器12分离，进一步使刹车轮9回位，输出电流的时长为2秒。

本发明所述数据采集部件还包括CPU芯片11-1和数字显示屏11-2。CPU芯片用于存储预设的程序。

本发明的水位观测系统与软件配合实现自动检测，通过软件设置采样间隔、初始水位埋深（0m）、初始时间等参数，通过水位观测系统实现检测和数据采集，如果不使用软件，使用本水位观测系统可以实现即时检测。

本发明的第一隔板16-5将机箱分为数据采集记录器放置区（上部）、电池放置区（中部），第二隔板16-6将电池放置区（中部）与机械系统放置区（下部）分隔，三个区块密封隔壁，避免钻孔中水汽腐蚀、损坏电池和数据采集记录器。

本实施例的电机为深圳市金顺来特电机有限公司生产的ASLONG-JGB37-520型减速马达；电磁离合器为乐清市浩达电气有限公司生产的DC12V型分合闸电磁铁；数据采集记录器的厂家型号为华北有色工程勘察院有限公司生产的钻孔水位采集记录器；计数器的为徐州华宇电子测控有限公司生产的光电增量编码器，型号为型号GD/42-200ABZEG6-30V；PLC为台达电子工业股份有限公司生产的DVP14ES00R2型可编程控制器。

本发明的PLC可以进一步集合入数据采集记录器，从而进一步减少空间，缩小整体水位观测系统的体积。

本发明的使用过程如下：

1. 松开刹车轮9，调节浮标6的位置，使其浮力平衡点刻线与地面(水位埋深0m）对齐后拧紧刹车轮9；将水位观测系统固定于钻孔孔口管内，水位观测系统的机箱16外径140mm，孔口管内径不宜小于150mm。

2. 按下电源开关15全装置供电；按下开机开关15-1，数据采集记录器11启动，使用遥控器设置初始参数，主要参数包括采样间隔、初始水位埋深（0m）、初始时间；随后按下机械部分启动开关15-2；此时水位观测系统正式开始工作。遥控器可以使用如图5所示的结构。

所述遥控器为红外遥控器，LCD液晶实时显示时间和水位变化等信息，其中遥控器仅需要0至9十个按键，键值即为0到9。“0”键为设置时间键。若LCD屏上显示的时间不准，则按“0”进入设置时间的页面，然后通过按键值从左至右设置时间的每一位（例如：拟设置的时间为12:07:00，则需要在遥控器上依次按下1  2  0  7  0  0即可）。设置完成后，按任意键即可进入“设置水位测量时间间隔”环节，具体操作为：“1”键为设置水位测量时间间隔。若LCD屏上显示的时间准确，则不用再按“0”，直接按“1”即进入设置水位测量时间间隔页面，然后通过按键值从左至右设定间隔时间的每一位（例如：拟设置的水位测量时间间隔为5秒，则依次输入 0  0  0  0  0  5即可），设定完成后，按“9”确定，这时系统开始正常工作。最小可设置的时间间隔为1秒。

3. 水位观测系统工作过程：

①浮标重力拉紧测线，使线轮5下行，则行程开关8的弹钮8-1压下，PLC8-2获得该信号后，其Y1输出端向电磁离合器12输出电流，历时2秒，电磁离合器12工作，切换至“离”状态，此时刹车轮9的刹车作用撤销，浮标6带动测线7顺利下行；

②浮标6下行，测线7与计数轮4的摩擦力带动计数轮4转动，计数器4-1将该信号通过数据电缆传输至数据采集记录器进行运算记录；浮标平衡点刻线下至水面时，系统受力平衡，停止下行；

③水位下降时，浮力减小，浮标(6)继续下行，直至②所述平衡状态时停止；

④水位上涨时，浮力增大，浮标(6)上行，测线7卸力，线轮5上行，弹钮8-1弹起后，PLC8-2获得该信号后，其Y0输出端与电机1连通，电机1启动，通过齿轮组2和集线轮3，首先刹车轮9微转动使刹车拨叉弹回，刹车作用生效，集线轮3转动收线，并带动计数轮4转动，计数器4-1和数据采集记录器11采集和记录数据。当水位停止上涨时，浮标6达到平衡状态并将线轮5压下，PLC的Y0输出端关闭，Y1输出端连通，电磁离合器12切换至“离”状态，预备下一次水位下降或上涨过程；

4. 水位计进行水位观测过程中无需人为守护、调节，水位观测工作结束后观测人员可抽出存储卡，将卡上记录数据拷贝至计算机，若只需定时查看数据，观测人员可通过数据采集记录器的USB接口将数据拷贝至计算机；

5. 该水位计配有两块大容量电池，理论续航时间不小于一个月，若观测工作历时很长，中间需更换其中电池进行充电，保留备用电池则不影响观测工作连续性，电池充电完毕后重新装入。

Claims (6)

1.一种实现自动检测的水位观测系统，其特征在于其包括电源（14）、机械部件、控制部件以及数据采集部件；

所述机械部件包括电机（1）、通过齿轮组（2）与电机（1）联动的集线轮（3）、计数轮（4）、线轮（5）、浮标（6）、设置于集线轮（3）上的刹车轮（9）以及连接集线轮（3）、计数轮（4）、线轮（5）和浮标（6）的测线（7）；

所述控制部件包括行程开关（8）、PLC（8-2）以及与刹车轮（9）配合的电磁离合器（12）；

所述行程开关（8）上设置有弹片（10），所述弹片的一端设置有线轴（10-1），所述线轮（5）套置在线轴（10-1）上，所述弹片（10）与行程开关（8）的弹钮（8-1）相接触；

所述弹钮（8-1）弹起后，电源（14）的输出端经行程开关（8）连接PLC（8-2）的X0输入端，PLC（8-2）的Y0输出端连接电机（1）的电源端；

所述弹钮（8-1）下压时，电源（14）的输出端经行程开关（8）连接PLC（8-2）的X1输入端， PLC（8-2）的Y1输出端连接电磁离合器（12）的电源端；

所述数据采集部件包括设置于计数轮（4）上的计数器（4-1）以及数据采集记录器（11），所述计数器（4-1）的数据输出端连接数据采集记录器（11）的数据输入端；

所述电源（14）的输出端连接数据采集记录器（11）的电流输入端，所述数据采集记录器（11）的电流输出端连接计数器（4-1）的电流输入端。

2.根据权利要求1所述的一种实现自动检测的水位观测系统，其特征在于所述弹钮（8-1）下压时，PLC（8-2）的输出电流至电磁离合器（12）的输入端，电流输出的时长为1~10秒。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现自动检测的水位观测系统，其特征在于所述计数轮（4）与线轮（5）之间还设置有张紧线轮（13）。

4.根据权利要求1或2所述的一种实现自动检测的水位观测系统，其特征在于所述数据采集记录器（11）通过开机开关（15-1）控制，所述PLC（8-2）通过启动开关（15-2）控制。

5.根据权利要求4所述的一种实现自动检测的水位观测系统，其特征在于所述数据采集部件还包括设置于数据采集记录器（11）上的CPU芯片（11-1）和/或数字显示屏（11-2）。

6.根据权利要求5所述的一种实现自动检测的水位观测系统，其特征在于其还包括机箱（16），所述机箱（16）包括机箱筒状外壳（16-1），用于固定部件的横向固定板（16-2）和纵向固定板（16-3）、盖板（16-4）以及第一隔板（16-5）、第二隔板（16-6）。