CN106525193A - 一种气泡式水位计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体液面检测技术领域，特别是涉及一种气泡式水位计。所述气泡式水位计由电动气泵、微孔、低压传感器、测量气管组成，还包括泄压电磁阀、单向阀、贮气罐、调压阀、高压传感器、吹气控制单元、测量切换电磁阀、硅胶干燥瓶、空气过滤器、水下气室等部件。本发明中气泡式水位计采用低成本标准气动部件组装而成，大大降低了设备投资、运行成本，延长了仪器使用寿命，可广泛应用于地下水机井水位监测领域，运行效果好、精度高、可靠性稳定。适合在监测次数少、监测时间长、水位变幅大的场合应用，如地下水监测、农业地下水抽水井监测、海洋、湖泊等水位的监测。

Description

一种气泡式水位计

技术领域

本发明涉及液体液面检测技术领域，特别是涉及一种气泡式水位计。

背景技术

江河、水库、地下水、机电井等的水位变化需要大量的水位计来监测。水位计安装在监测点，通过自动测量定时上报和召测获得监测点的水位数据，对水位数据汇总分析可得到监测点的水位变化情况。水位计有很多种，其中气泡式水位计由于可以在漫滩长、管道转弯难以建设水位观测平台的条件下使用，而得到广泛的普及。

气泡式水位计为通过吐泡测量出气压进而换算得到水深的水位计，它包括恒流式和非恒流式两种，恒流式气泡水位计结构复杂、配件多、加工精度高，非恒流式气泡水位计主要通过气体压缩机工作很短的时间，形成适量的压缩空气，通过单向阀后，全部压入测量管道内，气管内的空气压力大于水下测量管口的水压力，形成大量气泡向水中喷出，并逐渐减少，直至测量管口处水压平衡不吐泡，此时压力传感器可以精确测量出管道内的压力而换算出水深。现有的气泡式水位计对精密的低速压缩机技术要求高，从而造价比较高，另外还存在无法充分利用压缩气体导致电能浪费等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述造价高、电能浪费的问题，提供一种有效降低检测成本并节约能源的气泡式水位计。

本发明的目的是这样实现的：

一种气泡式水位计，包括气体压缩机、微孔、测量气管和低压传感器，所述气体压缩机与微孔连通，所述微孔分别连接至测量气管和低压传感器，即测量气管和低压传感器并行连接至微孔；所述气泡式水位计还包括贮气罐和吹气控制单元，所述贮气罐分别与气体压缩机和微孔连通，所述吹气控制单元设置于微孔与测量气管之间，同时所述吹气控制单元设置于微孔与低压传感器之间；

优选地，所述气泡式水位计还包括泄压电磁阀，所述泄压电磁阀设置于所述贮气罐与所述电动气泵之间；

优选地，所述气泡式水位计还包括单向阀，所述单向阀设置于所述贮气罐与所述泄压电磁阀之间；

优选地，所述气泡式水位计还包括调压阀和高压传感器，所述调压阀设置于所述贮气罐与所述微孔之间；所述高压传感器设置于所述贮气罐与所述调压阀之间；

优选地，所述气泡式水位计还包括测量切换电磁阀，所述测量切换电磁阀设置于所述吹气控制单元与测量气管之间；在所述测量切换电磁阀上设置有低压传感器；

优选地，所述电动气泵还连接有硅胶干燥瓶，所述硅胶干燥瓶为吸附式硅胶干燥瓶；

优选地，所述测量气管与水下气室连接；

优选地，所述硅胶干燥瓶的入口处设置有空气过滤器；

优选地，所述测量气管为外径直径为4mm、内径直径为2.5mm的气管；

优选地，所述测量气管为尼龙管或PU管，所述测量气管的长度为1-200m。

优选地，所述控制单元包括单片机系统模块、按键、RS485通信卡、RS232通信口、温度传感器、AD采样、低压传感器、直流电器驱动、电磁阀驱动、电源、固态存储和时钟。

本发明气泡式水位计具有以下有益效果：

本发明中的气泡式水位计，在仪器工作时先将压缩空气存贮在一个气瓶内，通过电磁阀开关，控制气体流量，精确控制吐泡过程，减少空气的总流量，达到节能省电的目的。

本发明中的气泡水位计由电磁阀控制将高压气流多次微量喷射入测量管道，进而通过测量出水下气管端口处的压力，换算得到该点的水深，这样有利于对水位变化的快速跟踪和精确测量。根据地下水机电井的特殊安装条件，创造一种适合地下水及机井水位监测的专用机井气泡式水位计，具有节能、低价的优点。

本发明采用低成本标准气动部件组装而成，大大降低设备投资、运行成本，延长仪器寿命，可广泛应用于地下水机井水位监测，并且运行效果好，精度高、可靠稳定。适合在监测次数少、监测时间长、水位变幅大的场合应用，如地下水监测，农业地下水抽水井监测，海洋、湖泊水位监测。从生产企业角度出发，采用标准件，有利于降低生产成本，改善了售后维护条件，大大提高了竞争力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为本发明气泡式水位计的实施例一的结构示意图；

图2为本发明气泡式水位计的实施例二的结构示意图；

图3为本发明气泡式水位计的实施例三的结构示意图；

图4为本发明气泡式水位计的实施例四的结构示意图；

图5为本发明测量系统中控制单元的模块图；

附图中，1为气体压缩机，2为泄压电磁阀，3为单向阀，4为贮气罐，5为调压阀，6为高压传感器，7为微孔，8为吹气控制单元，9为测量切换电磁阀，10为低压传感器，11为水下气室，12为硅胶干燥瓶，13为空气过滤器，14为测量气管，15为控制单元，16为RS458通信口，17为RS232通信口，18为电源口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明气泡式水位计的实施例一的结构示意图；

如图1所示，一种气泡式水位计，包括：

气体压缩机1、微孔7、低压传感器10和测量气管14，其中气体压缩机1与微孔7连通，微孔7分别连接至测量气管14和低压传感器10，即测量气管14和低压传感器10并行连接至微孔7；还包括贮气罐4和吹气控制单元8，贮气罐4与气体压缩机1连通，并分别与气体压缩机1和微孔7连通；吹气控制单元8设置于微孔7与测量气管14之间，同时吹气控制单元(8)设置于微孔(7)与低压传感器(10)之间；气体压缩机1用于提供压缩空气源；微孔7可限制气体流量，其为孔径较小的孔，只要能实现向气管以微量的方式输入气体即可，其孔径尺寸为直径在0.5mm左右；吹气控制单元8通过阀门的开启时间控制吹入测量管道的气量；贮气罐4用于收集气体压缩机产生的所有压缩气体。

通过本发明的气泡式水位计，气体在气体压缩机中进行压缩，获得压力较大气体并保存在贮气罐中。贮气罐中的气体在微孔和吹气控制单元的控制下进入测量气管和低压传感器中。当测量气管内的空气压力大于水下测量管口的水压力，形成大量气泡向水中喷出，并逐渐减少，直至测量管口处水压平衡不吐泡，此时压力传感器可以精确测量出管道内的压力而换算出水深。由于本发明的气泡水位计中设置了吹气控制单元，从而能够精确控制由微孔进入到气管中气体的量，避免了空气压缩机每压缩一次就将所有的压缩空气排出的问题，因此能够在一次压缩空气后，多次利用地将高压的压缩空气输入到气管以进行水位测量，大大压缩了成本，简化了水位计操作的流程。

在本发明的一个优选实施例中，所述吹气控制单元为电磁阀；所述气体压缩机中的气体为空气或氮气。

本申请的另一个优选实施例中，如图2所示，所述气泡式水位计还包括泄压电磁阀2和单向阀3，泄压电磁阀2设置于贮气罐4与气体压缩机1之间，单向阀3设置于贮气罐4与泄压电磁阀2之间；泄压电磁阀2用于减轻电动气泵启动时的压力，在电动气泵启动前，将电动气泵输出端的气压释放；单向阀3用于防止压缩空气倒流。通过上述气泡式水位计，为保证气体压缩机在高压状态下正常启动，打气前控制系统先打开泄压电磁阀2以对气体压缩机1与单向阀3之间的管道泄压，确保压缩机在无负载状态下启动。泄压后重新关闭泄压电磁阀2，气体压缩机1启动后形成压缩气体通过泄压电磁阀2、单向阀3向贮气罐4充气，控制单元自动调整、保持贮气罐4的压力始终大于当前水深压力一个差值，维持吹气的压力。

特别说明，一项实用的排水技术方案也应用其中，泄压电磁阀2在泄压时，也会将管道内可能出现的压缩空气中的压缩水随气流一起排放出去。

本申请的另一个优选实施例中，如图3所示，该水位计还包括调压阀5和高压传感器6，调压阀5设置于贮气罐4与微孔7之间；高压传感器6设置于贮气罐4与调压阀5之间；调压阀5用于提供压力表、接头和滤网；高压传感器6用于提供气瓶压力参数。高压传感器6随时监测贮气罐4的压力，贮气罐4内的压缩气体经过调压阀5、微孔7、吹气控制单元8向测量气管14吹气，提供测量所需要的气源。

本申请的另一个优选实施例中，如图4所示，该水位计还包括测量切换电磁阀9，测量切换电磁阀9设置于吹气控制单元8与测量气管14之间；测量切换电磁阀9上设置有低压传感器10；测量切换电磁阀9用于消除时漂和温漂；气体压缩机1还连接有硅胶干燥瓶12，硅胶干燥瓶12为吸附式硅胶干燥瓶；硅胶干燥瓶12的入口处设置有空气过滤器13；

优选地，测量气管14为外径直径为4mm、内径直径为2.5mm的气管；优选地，测量气管14为尼龙管或PU管，测量气管的长度为1-200m。

该气泡式水位计通过控制单元15进行控制，控制单元15内含单片机、高精度传感器、AD电源保护、通讯口等功能。

在本发明的一个优选实施例中，测量气管连接有一水下气室，用于提高水位计测量的灵敏度。

通过本发明的气泡式水位计，气体由空气过滤器13进入吸附式硅胶干燥瓶中干燥，再进入气体压缩机1进行压缩，压缩气体被挤压入贮气罐4，经调压阀5、微孔7和吹气控制单元8将一定量的压缩气体吹入水下测量气管14，并逐渐将水全部挤出时，气泡停止溢出后，此时气压与水压平衡。根据物理原理可知，密闭系统内的压力处处相等，处于机箱内的低压传感器10即可测出水下气管端口处的压力，并换算得到该点的水深。

本发明中气泡式水位计的工作原理为：液体压强公式P＝ρgh；其中各符号的意义为：P—压强，g—重力加速度(常量)，h—水深度，ρ—水的密度(常量)。根据公式，只要测量出压强P，就可以换算出水深h。

仪器工作可分为起动、待机、测量、上升跟踪和下降跟踪五个主要状态：

仪器起动状态：仪器上电，控制系统进行初始化，为保证气泵在高压状态下正常起动，打气前控制系统先打开泄压电磁阀2以对气体压缩机1与单向阀3之间的管道泄压，确保压缩机在无负载状态下启动。泄压后重新关闭泄压电磁阀2。电动气泵1起动后形成压缩气体通过泄压电磁阀2、单向阀3向贮气罐4充气，高压传感器6随时监测贮气罐4的压力，并自动调整、保持贮气罐4压力始终大于当前水深压力一个差值，维持吹气的压力。贮气罐4内的压缩空气经过调压阀5、微孔7、吹气控制单元8向测量气管14吹气，并且保证达到压力平衡点，自动进行测量，输出当前测量的水位数据，完成起动工作，进入待机状态。

仪器待机状态：在没有控制指令的情况下，水位计不进行任何水位测量工作，但控制系统会监控自动环境温度、电源电压、贮气罐罐压、水位变化、串口的状态。当环境温度不在-10℃-55℃范围内或者电源电压低于10.2V时启动保护机制(高压气泵、按键及电磁阀不动作)，贮气罐内压力与气室压力差小于阈值(默认0.05MPa)时，高压气泵自动打气2秒钟。当水位变化达到设定值时，系统会自动吹气进行水位跟踪，但不进行测量。

仪器测量状态：仪器根据上位机或控制设备发出的测量指令，进入测量状态，首先开启吹气控制单元8向测量气管放气，形成测量前的压力，并通过传感器10测量气管内压力变化的参数，如果本次测量与前次测量的压力值基本相等，且水深压力与管道内压力趋向平衡时，经控制系统进行测量，输出测量数据。

仪器水位上升跟踪状态：控制系统在监测压力过程中，如果发现本次测量压力大于上一次测量的压力值，并且超过一个设定的阈值，控制系统就对气室进行吹气，建立新的气水压力平衡点。仪器先测量与气室连接的气管内的压力，随后打开切换测量电磁阀9测量大气压力，最后计算出水深。仪器的串口接收到大写字母‘X’或小写字母‘x’后会进入测量，首先给气室吹气，监测到吹气平衡后，仪器会自动对水位的变化进行跟踪测量。

仪器水位下降跟踪状态：水位下降过程会形成测量气管内的压力高于水深测量点的水压，气体会从管中溢出到水中，自动吐泡形成压力平衡，控制系统直接测量输出数据。

本发明中的控制单元处理所有的数据和控制指令，该控制单元以单片机为控制核心，包括时钟功能、按键功能、温度采集功能、压力采集功能、电源电压采集功能、直流电机以及电磁阀驱动功能、数据存储功能、串口通信功能。按键功能提供手动测量、手动打气、手动吹气；温度采集功能可测量环境温度，为低压传感器温度补偿提供温度值，为温度保护功能提供温度数据，输出为数字信号，读取温度值。

压力采集功能可以采集高压传感器数据和低压传感器数据,信号为0.2V-4.5V电压信号，通过单片机自带12位AD采样通道，将模拟电压信号转换为数字信号，最后将数字信号转化为实际的压力值；低压传感器通过差分运放电路将0-50mV差分电压信号转化成差分电压信号，通过AD采样通道，将差分电压信号转为数字信号，最后将数字信号转化为实际压力值。

直流电机以及电磁阀驱动功能用于打开或关闭气体压缩机、泄压电磁阀、吹气控制单元和切换测量电磁阀。

数据存储功能用于长期保存测量的数据以及一些重要的系统参数，存储芯片存储容量为4MB，可存储2年内水位数据。

串口通信功能可以通过串口直接与上位机相连。

主控电路板负责发送各种控制指令、处理所有传感器数据和外部通信。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上的本申请实施方式，并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种气泡式水位计，包括气体压缩机(1)、微孔(7)、测量气管(14)和低压传感器(10)，所述气体压缩机(1)与所述微孔(7)连通，所述微孔(7)分别连接至所述测量气管(14)和所述低压传感器(10)，所述测量气管(14)和所述低压传感器(10)并行连接至所述微孔(7)；所述气泡式水位计还包括贮气罐(4)和吹气控制单元(8)，所述贮气罐(4)分别与所述气体压缩机(1)和所述微孔(7)连通，所述吹气控制单元(8)设置于所述微孔(7)与所述测量气管(14)之间，且所述吹气控制单元(8)设置于所述微孔(7)与所述低压传感器(10)之间。

2.根据权利要求1所述的气泡式水位计，其特征在于：还包括泄压电磁阀(2)，所述泄压电磁阀(2)设置于所述贮气罐(4)与所述气体压缩机(1)之间。

3.根据权利要求2所述的气泡式水位计，其特征在于：还包括单向阀(3)，所述单向阀(3)设置于所述贮气罐(4)与所述泄压电磁阀(2)之间。

4.根据权利要求3所述的气泡式水位计，其特征在于：还包括调压阀(5)和高压传感器(6)，所述调压阀(5)设置于所述贮气罐(4)与所述微孔(7)之间；所述高压传感器(6)设置于所述贮气罐(4)与所述调压阀(5)之间。

5.根据权利要求4所述的气泡式水位计，其特征在于：还包括测量切换电磁阀(9)，所述测量切换电磁阀(9)设置于吹气控制单元(8)与所述低压传感器(10)之间，并与所述测量气管(14)连通。

6.根据权利要求5所述的气泡式水位计，其特征在于：所述气体压缩机(1)还连接有硅胶干燥瓶(12)，所述硅胶干燥瓶(12)为吸附式硅胶干燥瓶。

7.根据权利要求6所述的气泡式水位计，其特征在于：所述测量气管(14)与水下气室(11)连接。

8.根据权利要求7所述的气泡式水位计，其特征在于：所述硅胶干燥瓶(12)的入口处设置有空气过滤器(13)。

9.根据权利要求8所述的气泡式水位计，其特征在于：所述测量气管(14)为外径直径为4mm、内径直径为2.5mm的气管；所述测量气管(14)为尼龙或PU管，所述测量气管(14)的长度为1-200m。

10.一种测量系统，包括控制单元和权利要求1-9中任一项所述的水位计，所述控制单元与水位计通过控制线路连接，用于将控制信号通过控制线路传送给所述水位计。