CN104613880A - 一种光电式淤泥厚度测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于淤泥厚度测量技术领域，具体涉及一种光电式淤泥厚度测量仪及其测量方法。其利用光原理可准确测量明渠内的淤泥厚度，以消除淤泥厚度对明渠流量测量的误差影响。本发明采用的技术方案包括相互平行的外壳底板和外壳顶板，之间设置有与其垂直的发射板外壳和接收板外壳，所述的发射板外壳上嵌设有发射板，所述的接收板外壳上嵌设有接收板；所述的发射板上等距分布有若干个发光二极管，所述的发光二极管嵌设于发射板内，所述的发射板通过防水胶密封在发射板外壳上；所述的接收板上等距分布有若干个光敏三极管，所述的光敏三极管嵌设于接收板内，所述的接收板通过防水胶密封在接收板外壳上；所述的发光二极管与光敏三极管的灯头一一对应。

Description

一种光电式淤泥厚度测量仪及其测量方法

一、技术领域

本发明属于淤泥厚度测量技术领域，具体涉及一种光电式淤泥厚度测量仪及其测量方法。

二、背景技术

流量仪在工业生产中的应用非常广泛，目前常用的明渠流量仪表主要有堰式流量计、槽式流量计、流速-水位流量计、电磁流量计。

其中堰式流量计由堰和相应的液位计组成，在明渠适当位置装一挡板，水流从堰口流出，当水的流出量等于渠道原流量，水位便稳定在某一高度，测出水位高度便可根据计算公式求取流量。槽式流量计的常用测流槽有多种形式，如文丘里槽、巴歇尔槽等，该种流量计均是利用槽形成一定的水位差，通过流量与水位之间的计算公式得到流量。流速-水位流量计由流速计和液位计组成，通过测出流通通道某局部（点、线或小面积）流速，代表平均流速，再测量水位求得流通面积，乘局部流速与平均流速间的系数，经演算求取流量。电磁流量计：又分为潜水式电磁流量计和非满管电磁流量计两类，后者目前国内尚未开发。

以上所述的堰式、槽式、流速-水位式流量计均需配用相应的液（水）位计。明渠流量计常用的液位计有浮子式、电容式、压力式和超声式。

浮子式液位计的浮子随着水位变化而升降，通过液位计内凸轮机构将液位-流量的指数函数关系转换成流量。电容式液位计是测量棒形电极外套绝缘套管，与液体为另一电极的电容量来检测液位的。压力式液位计通过测量水压变化推导水位变化。超声液位计是测量超声波从超声传感器（换能器）以一定的速度发射经气-液界面或液-气界面反射回到换能器的时间，以求取水位的气介式液位计和液介式液位计。气介式为非接触液体测量，适用于有污浊物和腐蚀性液体，但液位存有泡沫等会影响液位测量值；液介式不适用于含有固相杂质的液体。

以上流量测量仪表普遍存在同一个问题，在测量流量时忽略了淤泥厚度对流量测量准确度的影响。当明渠中沉积了大量的淤泥时，水位自然会被抬高，此时使用上述方法所测得的水位包含了淤泥的高度，在根据上述方法测得的液位高度来换算流量时必然导致流量不准确。

所以应该研制一种流量仪，该仪器的液位测量部分应该可以同时测出淤泥厚度与水位高度，再用水位减去淤泥厚度得到实际的水位高度，有效消除了淤泥厚度对明渠流量测量准确的影响。本文为精确测量明渠内的淤泥厚度，研制了一种光电式淤泥厚度测量仪。

三、发明内容

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种光电式淤泥厚度测量仪及其测量方法。其利用光原理可准确测量明渠内的淤泥厚度，以消除淤泥厚度对明渠流量测量的误差影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为 ：一种光电式淤泥厚度测量仪，其特征在于：包括相互平行的外壳底板和外壳顶板，所述的外壳底板和外壳顶板之间设置有与其垂直的发射板外壳和接收板外壳，所述的发射板外壳上嵌设有发射板，所述的接收板外壳上嵌设有接收板；

所述的发射板上等距分布有若干个发光二极管，所述的发光二极管嵌设于发射板内，所述的发射板通过防水胶密封在发射板外壳上；

所述的接收板上等距分布有若干个光敏三极管，所述的光敏三极管嵌设于接收板内，所述的接收板通过防水胶密封在接收板外壳上；

所述的发光二极管与光敏三极管的灯头一一对应；

所述的发射板外壳和接收板外壳上分别设置有发射板通信端口和接收板通信接口，所述的发射板通信端口一端连接在发射板上，另一端连接在数据处理主板的信号输出端口，所述的接收板通信端口一端连接在接收板上，另一端连接在数据处理主板的信号接收端口上。

所述的发射板外壳和接收板外壳的两端通过外壳固定螺栓垂直固定于外壳底板和外壳顶板上。

所述的发射板外壳和接收板外壳相互平行设置，中间通过连接板固定。

所述的一种光电式淤泥厚度测量仪的测量方法，其特征在于：所述的测量方法的步骤为：

1)将光电式淤泥厚度测量仪放入明渠内有水和淤泥的地方，固定好底板，使得测量仪垂直于水面；

2) 测量仪循环控制发光二极管发光并采样对应的光敏三极管信号，将采样的信号进行存储；

3）测量仪中的数据处理主板中的单片机MSP430F5438A对所采集的数据进行处理，得到水位和泥位位置，并将结果进行存储。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

（1）可准确区分淤泥-水的分界面、水-空气的分界面，精确测量出明渠内的淤泥厚度。

（2）采用防水胶对电路板进行密封，既不影响光的发射和接收，还增加了电路板强度，使测量仪可长期置于水中进行测量。

（3）在长期测量水位高度时，避免了因长期淤泥沉淀造成的实际水位测量不准确的问题。

本发明通过测量明渠内的淤泥厚度，利用水位高度减去淤泥厚度，可以得到精确的水位，解决了明渠淤泥沉淀厚度影响流量测量准确度的技术难题，可创造巨大的经济效益和社会效益。

四、附图说明

图1 是发明的结构示意图；

图2 是数据处理主板电路逻辑结构框图；

图3 是电源处理电路原理图；

图4 是处理器及温度采集、复位电路图；

图5 是选址电路原理图；

图6 是存储器电路原理图；

图7 是RS485通信电路原理图；

图8 是发射板基本原理图；

图9 是接收板基本原理图；

图10是不同介质中采样结果图；

图11是泥位曲线图；

图12是水位、泥位对比图；

图13是流量曲线图；

图中，1-发射板外壳，2-接收板外壳，3-发射板，4-接收板，5-发光二极管，6-光敏三极管，7-防水胶，8-外壳固定螺栓，9-外壳底板，10-连接板，11-外壳顶板，12-发射板通信端口，13-接收板通信端口，14-数据处理主板，15—信号输出端口，16—信号接收端口。

五、具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1：一种光电式淤泥厚度测量仪，包括相互平行的外壳底板9和外壳顶板11，所述的外壳底板9和外壳顶板11之间设置有与其垂直的发射板外壳1和接收板外壳2，发射板外壳1上嵌设有发射板3；接收板外壳2上嵌设有接收板4。

所述的发射板3上等距分布有若干个发光二极管5，并且通过防水胶7密封在发射板外壳1内，所述的发光二极管5的灯头没有全部被密封；

所述的接收板4上等距分布有若干个光敏三极管6，并且通过防水胶7密封在接收板外壳2内，所述的光敏三极管6的灯头没有全部被密封；

所述的光敏三极管6与发光二极管5的灯头一一对应，所述的相邻两个发光二极管5的间距，与两个相邻光敏三极管6的间距相等。

所述的发射板外壳1和接收板外壳2上分别设置有发射板通信端口12和接收板通信端口13，所述的发射板通信端口12一端连接在发射板上，另一端连接到数据处理主板14的信号输出端口15，所述的接收板通信端口13一端连接在接收板上，另一端连接到数据处理主板14的信号接收端口16。

所述的发射板外壳1和接收板外壳2的两端通过外壳固定螺栓8垂直固定于外壳底板9和外壳顶板11上。

所述的发射板外壳1和接收板外壳2相互平行设置，中间通过连接板10固定。

一种光电式淤泥厚度测量仪的测量方法的步骤为：

1)将光电式淤泥厚度测量仪放入明渠内有水和淤泥的地方，固定好底板，使得测量仪垂直于水面；

2)测量仪循环控制发光二极管发光并采样对应的光敏三极管信号，将采样的信号进行存储；

3）测量仪数据处理主板中的单片机MSP430F5438A对所采集的数据进行处理，得到水位和泥位位置，并将结果进行存储。

本发明光电式淤泥厚度测量仪：发射板3上分布有等距的N个发光二极管5，将发射板3镶嵌于发射板外壳1上，采用防水胶7对线路板进行密封，只将发光二极管5的灯头露在空气中，其余部分全部进行胶封。这样不仅达到了防水作用又不影响发光二极管5的发光效果。接收板4上分布有等距的N个光敏三极管6，将接收板4镶嵌于接收板外壳2上，采用防水胶7对线路板进行密封，只将光敏三极管6的灯头露在空气中，其余部分全部进行胶封。这样不仅达到了防水作用又不影响光敏三极管6的接收光效果。再通过固定螺栓8将发射板外壳1和接收板外壳2分别固定于外壳底板9和外壳顶板11之上，为了防止发射板外壳1和接收板外壳2由于长时间放置而变形，影响到灯的间距，在两个外壳中间再用连接板10进行固定处理。当明渠内有水流经过且有淤泥沉淀时，接收板4上的光敏三极管6接收到的光强度不同，从而导通电压不同，接收板通信端口13将采集到的电信号传输至数据处理主板14，数据处理主板14再进行运算处理，计算出具体的淤泥厚度和水位高度。

光电式淤泥厚度测量仪主要由数据处理主板14、发射板3和接收板4组成。所述的数据处理主板14通过发射板通信端口12与发射板3相连，通过接收板通信端口13与接收板4相连。

参见图2：所述的数据处理主板14主要完成参数的采集、运算处理、通信及控制功能。所述的数据处理主板14由处理器电路、电源处理电路、选址电路、RS485通信电路、存储器电路、温度采集电路和复位电路组成，所述的处理器电路分别与电源处理电路、选址电路、RS485通信电路、存储器电路、温度采集电路和复位电路连接，复位电路、存储器电路、RS485通信电路、选址电路和温度采集电路分别与电源处理电路连接。

所述的处理器电路的主芯片为单片机MSP430F5438A，选址电路的主芯片为CD4051BCM芯片、RS485通信电路的主芯片为ADM2483、存储器电路的主芯片为24LC1025、温度采集电路的主芯片为DS18B20、复位电路的主芯片为SP706SEN。

参见图3：所述的电源处理电路主要为数据处理主板14上的各个芯片提供电源供电的功能，图中的DC_IN为外接18V直流供电，VCC代表输出的电压为3.3V，GND代表电源地，给各芯片进行供电。

参见图4：所述的处理器电路的主芯片为单片机MSP430F5438A，用于完成各部分电路的控制、参数的采集、运算。13、14管脚之间连接有32768HZ的晶振，89、90管脚之间连接有16MHZ的晶振，两个晶振为各芯片提供需要的时钟信号。2、3管脚连接到数据处理主板14的信号输出端口，用于与发射板3连接，控制发光二极管5的发光，17~24管脚连接到数据处理主板14的信号接收端口，用于与接收板4连接，为选址电路的一部分。

所述的温度采集电路的主芯片为DS18B20，其管脚2与MSP430F5438A的26管脚相连，用于完成温度的采集功能。

所述的复位电路的主芯片为SP706SEN，其管脚6，7分别与MSP430F5438A的管脚79，96相连。

参见图5：所述的选址电路的主芯片为CD4051BCM芯片，其管脚9、10、11分别与MSP430F5438A的管脚25、24、23管脚相连；其管脚13、14、15、12、1、5、2、4分别连接到数据处理主板的信号接收端口，用于与接收板相连。其电路图中标号为TA的端点与MSP430F5438A的97管脚相连，用于将接收板上光敏三极管接收到的信号输入到MSP430F5438A中进行运算。

参见图6：所述的存储器电路的主芯片为24LC1025，其5、6、7管脚分别与69、70、68管脚相连。

参见图7：所示的RS485通信电路的主芯片为ADM2483，其管脚3、4、6分别与MSP430F5438A的管脚81、82、80相连，用于进行RS485信号的收发；端口485B、485A用于与其他外部设备或软件进行通信。

参见图8：发射板3部分电路板主要由N个发光二极管及移位芯片SN74HC164组成，根据数据处理主板的控制点亮发光二极管。

所述的发射板3主要由移位芯片SN74HC164实现多个灯的顺序点亮。SN74HC164为一颗8位串并转换控制芯片，主要用于数字电路和LED显示控制电路应用，本产品将其作为8通道输出LED驱动专用芯片使用。给该芯片一个高电平信号，使输出引脚依次移位，LED灯顺序点亮，同时将该芯片控制的最后一个引脚的输出信号作为下一芯片的输入信号，由此递推下去，可以实现多个灯的顺序点亮。

参见图9：接收板4部分电路板主要由N个光敏三极管及多路复用器MM74HC4051，当发射板发光时，接收板对应的灯管就会接收到一定强度的光信号进行导通，根据光信号的强弱不同，导通强度不同，数据处理主板根据接收到的各个灯管的强度进行计算，从而判断水位泥位。接收板主要使用器件光敏三极管PT333，当接收到发射管的灯光时导通，根据接收到光强度不同，导通大小不同；多路复用器MM74HC4051与主板上的CD4051BCM一起完成选址功能，选择需要输出采集信号的灯管。

软件设计：软件部分的功能主要有：数据采集、数据处理及运算、数据通讯传输。

数据采集：根据一定的逻辑规则，点亮及采集特定灯管的输出信号。

数据处理及运算：在灯板扫描完一次数据之后，数据处理主板对采集到的数据进行处理，将采集到的数据进行滤波，并经过运算，得到最终的空气—水位，水位—泥位分界线，并进一步计算出泥位与水位的高度。

数据通讯传输：完成主机与数据采集部分的通讯及主机与上位机之间的通讯功能。

因为使用环境的恶劣，以及考虑到多种复杂的情况下，在软件中需要准确得到空气—水位、水位—泥位分界线。

软件处理依据：将发射板、接收板安装好，放入不同的介质中，当两者之间的距离恒定时，发射板的发光二极管发出的光强度相同，但是在不同的介质中，接收板的光敏三极管接收到的光强度不同，从而导通电压不同，主板采集到的信号强度就会不同，由此可以区分各个不同介质。

以下简单列举软件在处理中考虑的几种产品工作的情况：

（1）理想状况下，水位、泥位、空气应该有明显的区分界线；

（2）外界光线对接收信号的影响。太阳光刚好照射到位于清水中的灯板上，致使空气—水位的分界线变换较平滑，不易区分。

（3）水的浓度不同。若水的浓度各处不同或成阶梯变化，会导致出现多个分界线。若水的浓度过大，可能会导致水位—泥位不分。

（4）随机有几处坏灯。若随机有几处灯损坏，坏灯可能正好处于空气、水、或者泥中，则采样值变化无规律，从而导致整个测量结果出现错误。

（5）在水中有树枝等杂物遮挡。情况与随机有几处坏灯类似。

第二部分：参见图10

利用煤泥模拟矿井水，并在发射板3和接收板4的最底端几对灯头（发光二极管和光敏三极管一一对应）处沉积煤泥，模拟淤泥沉淀，对接收板4的21个光敏三极管6进行采样，采样结果如图10所示。

测试结果表明：接收板4在空气、水中、淤泥中的采样值明显不同，空气中的采样值最高，水中的采样值比空气中的低，淤泥遮盖处采样值最低，通过采样值的转折点，能够很好的区分空气—水位、水位—泥位的分界线。

第三部分：参见图11—图13：

利用本方法测量淤泥厚度的矿用本安型明渠泥位水位测量仪在兴隆庄矿中央水仓东进行了为期20天的工业性试验，期间对泥位、水位和流量分别做了曲线记录，通过对曲线及测量结果分析，测量结果十分准确，泥位最大误差为3.2mm，精度为0.533%。随着流量的变化，对应的泥位和水位也随之有规律的变化，符合实际情况。

Claims (4)

1.一种光电式淤泥厚度测量仪，其特征在于：包括相互平行的外壳底板（9）和外壳顶板（11），所述的外壳底板（9）和外壳顶板（11）之间设置有与其垂直的发射板外壳（1）和接收板外壳（2），所述的发射板外壳（1）上嵌设有发射板（3），所述的接收板外壳（2）上嵌设有接收板（4）；

所述的发射板（3）上等距分布有若干个发光二极管（5），所述的发光二极管（5）嵌设于发射板（3）内，所述的发射板（3）通过防水胶（7）密封在发射板外壳（1）上；

所述的接收板（4）上等距分布有若干个光敏三极管（6），所述的光敏三极管（6）嵌设于接收板（4）内，所述的接收板（4）通过防水胶（7）密封在接收板外壳（2）上；

所述的发光二极管（5）与光敏三极管（6）的灯头一一对应；

所述的发射板外壳（1）和接收板外壳（2）上分别设置有发射板通信端口（12）和接收板通信接口（13），所述的发射板通信端口（12）一端连接在发射板（3）上，另一端连接在数据处理主板（14）的信号输出端口（15），所述的接收板通信端口（13）一端连接在接收板（4）上，另一端连接在数据处理主板（14）的信号接收端口（16）上。

2.根据权利要求1所述的一种光电式淤泥厚度测量仪，其特征在于：所述的发射板外壳（1）和接收板外壳（2）的两端通过外壳固定螺栓（8）垂直固定于外壳底板（9）和外壳顶板（11）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种光电式淤泥厚度测量仪，其特征在于：所述的发射板外壳（1）和接收板外壳（2）相互平行设置，中间通过连接板（10）固定。

4.根据权利要求1所述的一种光电式淤泥厚度测量仪的测量方法，其特征在于：所述的测量方法的步骤为：

1)将光电式淤泥厚度测量仪放入明渠内有水和淤泥的地方，固定好底板，使得测量仪垂直于水面；

2) 测量仪循环控制发光二极管发光并采样对应的光敏三极管信号，将采样的信号进行存储；

3）测量仪中的数据处理主板中的单片机MSP430F5438A对所采集的数据进行处理，得到水位和泥位位置，并将结果进行存储。