CN107328454A - 用于水文地质孔的地下水水位观测装置 - Google Patents

用于水文地质孔的地下水水位观测装置 Download PDF

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Abstract

本发明申请公开了一种用于水文地质孔的地下水水位观测装置，包括：标尺，标尺用于测量水位测量单元进入水位管的深度；水位测量单元，水位测量单元用于测量水位，所述水位测量单元包括壳体，所述壳体为方形桶结构，壳体高度为h，壳体内放置有盐，顶部设有可打开关闭的绝缘盖体，底部为绝缘板，第一组竖直对面为电极板，第二组竖直对面为可过滤地下水的过滤布；所述标尺与绝缘盖体固定连接；控制单元，控制单元包括阻值采集单元、微处理器、供电模块和显示器；供电模块用于为电极板、阻值采集单元和微处理器供电，所述电极板通过导线与供电模块连接。本方案可解决现有技术测量地下水水位准确度低，误差大的问题。

Description

用于水文地质孔的地下水水位观测装置
技术领域
本发明涉及观测精度要求较高的水文地质孔需长期观测的技术领域，尤其涉及一种用于水文地质孔的地下水水位观测装置。
背景技术
地下水是地面以下沉积在岩石和松散沉淀物空隙中的水，地下水与人类的关系十分密切，含量巨大的地下水是饮用水的主要来源。
不过，地下水过多或过少都会对人们生活造成一些危害，如地下水过多，会引起铁路、公路坍塌，淹没矿区坑道，形成沼泽地等。同时，需要注意的是：地下水是水循环的重要组成部分，处在一个动态的平衡之中，盲目和过度的开发，容易形成地下空洞、地层下陷等问题。地下水水位信息是反应地下水是否正常循环的重要依据。现在随着水文地质学的不断进步与发展，通过地下水位的变化不仅可以科学的预测地下水的整体状态，还可以对多种地质灾害提出预警。因此对地下水位的监测是科学管理和合理利用地下水资源的重要前提。
目前通过水文地质孔来测量地下水为时，多采用水压敏感集成元器件做的压力式水位计，其根据压力与水深成正比关系的静水压力原理来测量，然而在测量时，因水文地质孔中有大气压，测得的水压为大气压力与实际水压之和，由此获得的地下水水位因大气压的影响存在一定的误差，因此，目前急需一种能精确测量地下水水位的装置。
发明内容
本发明意在提供一种用于水文地质孔的地下水水位观测装置，以解决现有技术测量地下水水位准确度低，误差大的问题。
本发明提供基础方案是：
用于水文地质孔的地下水水位观测装置，包括：
标尺，标尺用于测量水位测量单元进入水位管的深度；
水位测量单元，水位测量单元用于测量水位，所述水位测量单元包括壳体，所述壳体为方形桶结构，壳体高度为h，壳体内放置有盐，顶部设有可打开关闭的绝缘盖体，底部为绝缘板，相对的一组竖直桶壁为电极板，相对的另外一组竖直桶壁为可过滤地下水的过滤布；所述标尺与绝缘盖体固定连接；
控制单元，控制单元包括阻值采集单元、微处理器和显示器，其中：
阻值采集单元用于测量电极板间电阻；
微处理器用于接收阻值采集单元采集的对电极板间电信号，通过数据处理后转换为电阻值并控制显示器显示阻值；
显示器用于实时显示电极板间电阻及微处理器判断结果，测试人员根据显示结果来决定测试进程：
当显示器显示电阻变化时，停止下方水位测量单元，记录此时标尺的刻度值，确定水位测量单元进入水位管的距离h1；
当显示器显示电阻值趋于稳定时，则取出水位测量单元，打开绝缘盖体，倒出盐溶液，快速烘干壳体，测量电极板上留有的盐渍高度h2，从而计算地下水位H= h1 +(h- h2)；
供电模块用于为电极板、阻值采集单元和微处理器供电，所述电极板通过导线与供电模块连接。
基础方案的工作原理：测量时，打开水位测量单元顶部的绝缘盖体，置入过量的盐，盖上绝缘盖体，将水位测量单元平稳的置入水位管中，控制单元置于水位管外，测试人员通过观测控制单元上显示器显示的阻值变化来确定测试进程：
当水位测量单元的壳体进入地下水中，地下水通过壳体第二组竖直对面的过滤布进入壳体内，过滤布将地下水过滤为纯净水，纯净水中由于不含矿物质，不能产生游离的离子，所以纯净水不导电，当电极板间的电解质为纯净水时，原理上电极板间的电阻为无穷大。当地下水通过过滤布进入壳体内，将壳体内的盐融化，壳体内的纯净水中含有了矿物质盐，此时电极板间产生电阻，阻值采集单元（阻值采集单元为现有技术，在此不做赘述）实时测量两电极板间电阻，测试人员通过显示器观测到阻值从无穷大变小时，说明水位测量单元已经进入水中，此时，测试人员停止下方水位测量单元，记录此时标尺的刻度值，确定水位测量单元进入水位管的距离h1；
当显示器显示的阻值趋向稳定时，说明纯净水变为过饱和量的盐水，壳体内的盐被融化，此时，测试人员将水位测量单元平稳的取出，防止盐水在壳体内上下摆动，影响测试结果。取出水位测量单元，倒出壳体内的盐溶液，快速烘干壳体，此时电极板上留有盐渍，测量、记录电极板上盐渍高度h2，壳体高度为h，从而计算地下水位H= h1 +(h- h2)。
基础方案的有益效果是：采用盐渍的方式来测量地下水水位，不仅避免了受到外界大气压的影响，引起测试结果的误差，而且盐渍形成后比较稳定，不会在电极板上扩散，进而避免因测量水痕线而引起测试结果的误差；
而且采用盐渍作为测量基准点，还可减少对人经验的依赖，即使因测试人员粗心或是未注意到阻值变化而放入过长标尺时，比如测量15米的深度，如果下放了16米，使水位测量装置完全浸没在地下水中时，也不会对测试结果产生影响，避免了测试人员多次测量，使测试结果更加精确。
现有技术中，测试人员通过水声来判断水位测量计是否进入水中，而本方案通过采集电极板间的电阻变化作为测试人员判断测试进程的点，避免了测试人员需要通过声音来记录绳子的位置，减少人为因素引起的测试误差。
进一步，水位测量单元还包括铅锥，所述铅锥与壳体底部固定连接。有益效果：壳体底部固定连接的铅锥，可以保证水位测试单元下方与上提过程的稳定性，减少盐溶液的在壳体内上下摆动的可能性，同时，增加水位测试单元的重力，在下方使可快速的进入书中。
进一步，微处理器还用于对根据电极板间电阻值计算壳体入水深度h3，电极板间电阻值稳定时为R，电极板间的距离为L1，电极板的宽度为L2，微处理器计算结果为h3=ρL1/L2R；
显示器还用于显示微处理器计算结果，从而计算地下水位H= h1 +(h- h3)。
有益效果：微处理器可以根据电极板间电阻值计算出壳体入水深度h3，从而测试人员可计算出地下水位H，可减少人为参与，也可对人为测量结果进行验证。
进一步，导线和标尺外套透明保护膜。有益效果：透明保护膜可以防止装置在长时间使用过程中，导线和标尺被水位管中的矿物质氧化，使标尺的刻度值模糊，读取数值时产生误差，同时防止导线被氧化后漏电，对测试结果造成误差。
进一步，微处理器还用于根据盐浓度对电极板间电阻的变化来判断水位测量单元是否进入水中：
当微处理器检测到电极板间电阻发生变化时，则说明电极板间的盐浓度变高，盐在水的侵蚀下融化，则判断壳体是否浸入水中，输出“已进水”；反之，则判断壳体未浸入水中，输出“未进水”；
显示器还用于实时显示微处理器输出的“已进水”和“未进水”的判断结果。
有益效果：微处理器可根据电极板间阻值的变化来判断水位测量单元是否进入水中，便于测试人员直观的查看水位测量单元是否进入水中。
进一步，过滤布四周设有转换框，过滤布固定连接在转换框上，转换框插接在电极板和绝缘板中。有益效果：每次测试完成后，可将过滤布拆卸下来进行清洗，防止盐渍长时间留在过滤布上，腐蚀过滤布。
进一步，导线上设有控制电极板工作的电源开关。有益效果：测试人员可以根据下发距离人为控制电极板何时通电。
附图说明
图1为本发明用于水文地质孔的地下水水位观测装置实施例的结构示意图；
图2为本发明用于水文地质孔的地下水水位观测装置实施例的原理框图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：标尺1、水位测量单元2、电极板21、过滤布22、铅锥23、导线24、控制单元3、阻值采集单元31、微处理器32、显示器33、供电模块34。
用于水文地质孔的地下水水位观测装置实施例基本如图1、图2所示：包括：
标尺1，标尺1用于测量水位测量单元2进入水位管的深度；
水位测量单元2，水位测量单元2用于测量水位，所述水位测量单元2包括壳体，所述壳体为方形桶结构，壳体高度为h，壳体内放置有盐，顶部设有可打开关闭的绝缘盖体，底部为绝缘板，相对的一组竖直桶壁为电极板21，相对的另外一组竖直桶壁为可过滤地下水的过滤布22；所述标尺1与绝缘盖体固定连接。
其中，考虑到成本与氧化性的问题，标尺1根据水文地质孔的深度，可采用30-50m的卷尺，电极板21材质可采用高纯度的黄铜，过滤布22可采用1μm或者5μmPP棉聚丙烯纤维滤芯去除水中大于5μm浮游物及颗料物质，澄清地下水源。
控制单元3，控制单元3包括阻值采集单元31、微处理器32和显示器33，其中：
阻值采集单元31用于测量电极板间电阻；
微处理器32用于接收阻值采集单元31采集的对电极板间电信号，通过数据处理后转换为电阻值并控制显示器33显示阻值；
显示器33用于实时显示电极板间电阻及微处理器32判断结果，测试人员根据显示结果来决定测试进程：
当显示器33显示电阻变化时，停止下方水位测量单元2，记录此时标尺1的刻度值，确定水位测量单元2进入水位管的距离h1；
当显示器33显示电阻值趋于稳定时，则取出水位测量单元2，打开绝缘盖体，倒出盐溶液，快速烘干壳体，测量电极板上留有的盐渍高度h2，从而计算地下水位H= h1 +(h- h2)；
供电模块34用于为电极板21、阻值采集单元31和微处理器32供电，所述电极板21通过导线24与供电模块34连接。
其中，考虑基于成本考虑，微处理器32可采用51系列单片机，A/D转换器采用8位分辨率、双通道A/D转换芯片ADC0832。
水位测量单元2还包括铅锥23，所述铅锥23与壳体底部固定连接。有益效果：壳体底部固定连接的铅锥23，可以保证水位测试单元下方与上提过程的稳定性，减少盐溶液的在壳体内上下摆动的可能性，同时，增加水位测试单元的重力，在下方使可快速的进入书中。
微处理器32还用于对根据电极板间电阻值计算壳体入水深度h3，电极板间电阻值稳定时为R，电极板间的距离为L1，电极板21的宽度为L2，微处理器32计算结果为h3=ρL1/L2R；显示器33还用于显示微处理器32计算结果，从而计算地下水位H= h1 +(h- h3)。微处理器32可以根据电极板间电阻值计算出壳体入水深度h3，从而测试人员可计算出地下水位H，可减少人为参与，也可对人为测量结果进行验证。
导线24和标尺1外套透明保护膜。透明保护膜可以防止装置在长时间使用过程中，导线24和标尺1被水位管中的矿物质氧化，使标尺1的刻度值模糊，读取数值时产生误差，同时防止导线24被氧化后漏电，对测试结果造成误差。透明保护膜可以采用透明的塑料套管。
微处理器32还用于根据盐浓度对电极板间电阻的影响来判断水位测量单元2是否进入水中：当微处理器32检测到电极板间电阻发生变化时，则说明电极板间的盐浓度变高，盐在水的侵蚀下融化，则判断壳体是否浸入水中；反之，则判断壳体未浸入水中；显示器33还用于实时微处理器32判断结果。微处理器32可根据电极板间阻值的变化来判断水位测量单元2是否进入水中，便于测试人员查看确定水位测量单元2是否进入水中。
过滤布22四周设有转换框，过滤布22固定连接在转换框上，转换框插接在电极板21和绝缘板中，每次测试完成后，可将过滤布22拆卸下来进行清洗，防止盐渍长时间留在过滤布22上，腐蚀过滤布22。导线24上设有控制电极板21工作的电源开关。有益效果：测试人员可以根据下发距离人为控制电极板21何时通电。
测量时，打开水位测量单元2顶部的绝缘盖体，置入过量的盐，盖上绝缘盖体，将水位测量单元2平稳的置入水位管中，控制单元3置于水位管外，测试人员通过观测控制单元3上显示器33显示的阻值来确定测试进程：
当水位测量单元2的壳体进入地下水中，地下水通过壳体第二组竖直对面的过滤布22进入壳体内，过滤布22将地下水过滤为纯净水，纯净水中由于不含矿物质，不能产生游离的离子，所以纯净水不导电，当电极板间的电解质为纯净水时，原理上电极板间的电阻为无穷大。当地下水通过过滤布22进入壳体内，将壳体内的盐融化，壳体内的纯净水中含有了矿物质盐，此时电极板间产生电阻，阻值采集单元31（阻值采集单元31为现有技术，在此不做赘述）实时测量两电极板21间电阻，测试人员通过显示器33观测到阻值从无穷大变小时，说明水位测量单元2已经进入水中，此时，测试人员停止下方水位测量单元2，记录此时标尺1的刻度值，确定水位测量单元2进入水位管的距离h1；
当显示器33显示的阻值趋向稳定时，说明纯净水变为过饱和量的盐水，壳体内的盐被融化，此时，测试人员将水位测量单元2平稳的去取出，防止盐水在可体内上下摆动，影响测试结果。取出水位测量单元2，倒出壳体内倒出盐溶液，快速烘干壳体，实时电极板上留有盐渍，测量、记录电极板上盐渍高度h2，壳体高度为h，从而计算地下水位H= h1 +(h- h2)。
采用盐渍的方式来测量地下水水位，不仅避免了收到外界大气压的影响，引起测试结果的误差，而且盐渍形成后比较稳定，不会在电极板上扩散，进而避免因测量水痕线而引起测试结果的误差；
而且采用盐渍作为测量基准点，还可减少对人经验的依赖，即使因测试人员粗心或是未注意到阻值变化而放入过长标尺1时，比如测量15米的深度，如果下放了16米，使水位测量装置完全浸没在地下水中时，也不会对测试结果产生影响，减少了测试人员测量次数，并且有效提高测试结果的精确度。
通过采集电极板间的电阻变化作为测试人员判断测试进程的点，避免了测试人员需要通过声音来记录绳子的位置，减少人为因素引起的测试误差。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.用于水文地质孔的地下水水位观测装置，其特征在于，包括：
标尺，标尺用于测量水位测量单元进入水位管的深度；
水位测量单元，水位测量单元用于测量水位，所述水位测量单元包括壳体，所述壳体为方形桶结构，壳体高度为h，壳体内放置有盐，顶部设有可打开关闭的绝缘盖体，底部为绝缘板，相对的一组竖直桶壁为电极板，相对的另外一组竖直桶壁为可过滤地下水的过滤布；所述标尺与绝缘盖体固定连接；
控制单元，控制单元包括阻值采集单元、微处理器、供电模块和显示器，其中：
阻值采集单元用于测量电极板间电阻；
微处理器用于接收阻值采集单元采集的对电极板间电信号，通过数据处理后转换为电阻值并控制显示器显示阻值；
显示器用于实时显示电极板间电阻及微处理器判断结果，测试人员根据显示结果来决定测试进程：
当显示器显示电阻变化时，停止下方水位测量单元，记录此时标尺的刻度值，确定水位测量单元进入水位管的距离h1；
当显示器显示电阻值趋于稳定时，则取出水位测量单元，打开绝缘盖体，倒出盐溶液，快速烘干壳体，测量电极板上留有的盐渍高度h2，从而计算地下水位H= h1 +(h- h2)；
供电模块用于为电极板、阻值采集单元和微处理器供电，所述电极板通过导线与供电模块连接。
2.根据权利要求1所述的用于水文地质孔的地下水水位观测装置，其特征在于：所述水位测量单元还包括铅锥，所述铅锥与壳体底部固定连接。
3.根据权利要求2所述的用于水文地质孔的地下水水位观测装置，其特征在于：所述微处理还用于对根据电极板间电阻值计算壳体入水深度h3，电极板间电阻值稳定时为R，电极板间的距离为L1，电极板的宽度为L2，微处理器计算结果为h3=ρL1/ L2R；
显示器还用于显示微处理器计算结果，从而计算地下水位H= h1 +(h- h3)。
4.根据权利要求1所述的用于水文地质孔的地下水水位观测装置，其特征在于：所述导线和标尺外套透明保护膜。
5.根据权利要求1所述的用于水文地质孔的地下水水位观测装置，其特征在于：微处理器还用于根据盐浓度对电极板间电阻的影响来判断水位测量单元是否进入水中：
当微处理器检测到电极板间电阻发生变化时，则说明电极板间的盐浓度变高，盐在水的侵蚀下融化，则判断壳体是否浸入水中，输出“已进水”；反之，则判断壳体未浸入水中，输出“未进水”；
显示器还用于实时显示微处理器输出的“已进水”和“未进水”的判断结果。
6.根据权利要求1所述的用于水文地质孔的地下水水位观测装置，其特征在于：所述过滤布四周设有转换框，过滤布固定连接在转换框上，转换框插接在电极板和绝缘板中。
7.根据权利要求1所述的用于水文地质孔的地下水水位观测装置，其特征在于：所述导线上设有控制电极板工作的电源开关。
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