CN107870024B - 一种带自动补偿的振弦式水位计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带自动补偿的振弦式水位计，属于水利、水文和工程监测技术领域。本发明整个敏感部件组成一个完全封装为一体的结构且内部真空化，避免了受外界干扰，长期稳定测值得到保障，同时，水位计壳体内封装了气压传感器和温度传感器，通过智能补偿输出单元进行数据采集，计算，能得到精度较高的水位测值，并直接输出水位值，无需现场换算，测值更加直观。本发明改变了现有振弦式水位计的结构、封装工艺，解决了现有振弦式水位计在长期稳定可靠的防水密封和获得高精度测值两方面无法同时兼顾的问题。

Description

一种带自动补偿的振弦式水位计

技术领域

本发明属于水利、水文和工程监测技术领域，具体涉及一种应带自动补偿的振弦式水位计。

背景技术

高精度振弦式水位计主要用于监测大坝渗流量，而可用于其他有高精度水位或液位测量的场所，同时，也能用于地铁，桥梁、建筑物等的沉降测量，应用极为广泛，是工程施工常用的传感器之一。但是基于其测量原理，且常常安装在野外环境，常面临需要在湿度大，昼夜温差大，一年四季气压变化明显等严重影响仪器测值精度或使用寿命的恶劣环境下长期使用，因此，对仪器的结构稳定及防水密封性等提出了更高的要求。

目前，国内外振弦式水位计主要结构形式基本可分为以下部件组成：振弦式水位敏感部件1、敏感部件安装固定部件2、保护筒部件3、浮子部件4、通气干燥部件5及仪器整体安装固定部件6，具体如图1所示。

参照图1，现有振弦式水位计主要组成关系是，振弦式水位计敏感部件1通过敏感部件安装固定部件2固定在保护筒部件3的上部，浮子部件4悬挂在敏感部件1的下部的挂钩上，通气干燥部件5安装在敏感部件1壳体上，安装完成后的振弦式水位计整体采用安装固定部件6固定需要测量水位变化的沟渠等的边壁上。

参照图2，现有振弦式水位计中敏感部件1，主要由下列部件构成：钢弦1-1、敏感部件主体1-2、感压部件1-3、封装壳体1-4、通气管1-5及通气接头1-6。其中，敏感部件主体1-2与感压部件1-3组成一体，钢弦1-1完全封装在其内部，同时在敏感部件主体1-2开设相应的孔位用于与外界大气连通。组装在一起的敏感部件主体1-2与感压部件1-3安装在封装壳体1-4内。通气管1-5与封装壳体1-4上的通气管接头1-6连接，用于平衡内外气压。通气管接头1-6与外界的通气干燥部件5连通。敏感部件1的挂钩与感压部件1-3连接。

现有振弦式水位计主要工作原理是通过下部悬挂的浮子部件感受水位上升或下降的浮力变化，并传递到振弦式水位计敏感部件上，从而改变钢弦的自振频率，经过相应的换算公式得到实际水位的变化。通气管及外界通气干燥管的作用是一旦外界大气压发生了变化，通过通气干燥管确保振弦式水位计敏感部件内部与外界进行气体交换，保持内外气体压力平衡，避免大气压的变化带来的测值偏差。

从上述振弦式水位计的结构及测量原理可以看出，现有振弦式水位计存在如下不足：

1）现有振弦式水位计长期防水密封性能较低：由于现有振弦式水位计常常采用通气管及外加通气干燥部件的结构，并非完全防水密封的结构，在通气接头、通气管及外部通气干燥部件连接部位常常会出现密封防水失效的现象，且随着使用时间的增加，通气干燥部件的干燥效果会逐步降低，不可避免的会有少量湿度较高的气体进入仪器敏感部件内部。同时，在更换通气干燥部件的过程中，仪器内外腔体完全连通，湿气也会进入仪器内部。长期使用，仪器绝缘电阻必然降低，甚至会影响仪器正常工作；

2）现有振弦式水位计实时测量精度不够高：现有振弦式水位计主要通过内外连通管进行气体交换后平衡敏感部件内部腔体与外部环境之间的气压，但是这需要一定的时间才能完成，尤其是在两则气压相差较小的情况下，依然无法完全达到气压的平衡，从而会导致仪器测值在不同的时间点上波动较大，无法反映真实的水位变化值，水位测值精度较低。此外，在实时加密观测测量过程中，当外界气压变化时，内外气压还没有完全平衡的情况下，所实时测得结果精度更低，无法实现实时高精度测量；

3）现有振弦式水位计无法适应偏远恶劣的无人值守的环境中：现有振弦式水位计由于是采用通气管与通气干燥部件实现的内外气压的平衡，在长期的使用过程中，通气干燥部件必然会被湿气侵蚀而逐步失效，尤其是在湿度较大的环境中使用，可靠工作的时间会进一步缩短，若不能及时更换通气干燥部件，仪器在较短的时间内就会出现损坏。但是在偏远恶劣的环境中，维护人员常常无法及时赶到或者无法及时发现通气干燥部件的失效情况，仪器出现故障或损坏的情况经常发生，因此，现有振弦式水位计无法在恶劣偏远的环境中使用；

4）现有振弦式水位计受外界环境影响较大：现有振弦水位计因具有通气管及通气干燥结构，无法承受湿度较高的环境，且实践证明，随着湿度的增加，振弦式水位计损坏的概率会迅速升高。因此，现有振弦式水位计对使用环境要求较为苛刻，且目前这种结果不适合在水下生存的能力，一旦出现工作环境中水位突然暴涨，完全将振弦式水位计淹没的情况，振弦式水位计就会发生损坏，无法在水位退到正常水位后继续测量工作。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决现有振弦式水位计存在缺陷，提供一种带自动补偿的高精度振弦式水位计。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案，包括敏感部件、保护筒体、浮子部件、敏感部件安装固定部件和仪器整体安装固定部件，敏感部件通过敏感部件安装固定部件安装在保护筒体内部，浮子部件悬挂在敏感部件的下方，仪器整体安装固定部件位于保护筒体下部，敏感部件用于感知水位变化，其特征在于，还包括智能补偿输出部件，所述智能补偿输出部件根据气压变化和温度变化对敏感部件感知的水位变化进行补偿，并向外直接输出补偿后的水位值。

上述技术方案的进一步特征在于，所述智能补偿输出部件包括封装外壳、气压传感器、温度传感器及测量控制单元组成，所述气压传感器、温度传感器及测量控制单元位于封装外壳内部，所述测量控制单元分别与气压传感器、温度传感器和敏感部件连接，获取气压传感器测量的气压变化、温度传感器测量的温度变化以及敏感部件感知的水位变化，并考虑气压变化和温度变化对敏感部件感知的水位变化进行补偿后向外直接输出补偿后的水位值。

上述技术方案的进一步特征在于，所述气压传感器封装在气压传感器封装壳体内，气压传感器封装壳体固定在智能补偿输出部件的封装外壳内部。

上述技术方案的进一步特征在于，所述气压传感器封装壳体端部开设有小孔，小孔安装有防水透气阀，用于与外部进行气压平衡。

上述技术方案的进一步特征在于，所述测量控制单元通过连接引线与气压传感器、温度传感器和敏感部件连接，所有的连接引线通过密封接头密封。

上述技术方案的进一步特征在于，所述智能补偿输出部件固定在保护筒体的上部。

上述技术方案的进一步特征在于，所述测量控制单元通过智能补偿输出部件上方的密封接头与外界通信。

上述技术方案的进一步特征在于，所述敏感部件包括钢弦、敏感部件主体、感压部件、外部封装壳体及底部悬挂机构，感压部件与敏感部件主体固定为一体化结构，内部真空并固定钢弦，感压部件与敏感部件主体完全密封在外部封装壳体内部，底部悬挂机构位于外部封装壳体之外并延伸到外部封装壳体与感压部件固定，浮子部件悬挂在底部悬挂机构上。

上述技术方案的进一步特征在于，所述底部悬挂机构为挂钩。

上述技术方案的进一步特征在于，所述感压部件为感压膜片。

本发明的有益效果在于：

1）长期防水密封性较高：本发明的核心部件密封封装在相应壳体内，无需与外部进行气体交换平衡，整体防水密封性能得到保证；

2）测量精度较高：本发明无需等待像现有振弦式水位计一样需要等待气压完全平衡后才能得到较为准确的水位测值，通过气压传感器及温度传感器完全可以实时得到准确度较高的气压及温度变化值，从而对敏感部件测值进行气压及温度补偿，达到高精度测量水位值的目的，同时可用于实时测量或环境气压或温度存在急剧变化的场所；

3）能适用在任何偏远恶劣的环境中，无需人员维护：本发明无需像现有振弦式水位计一样需要定期检修，查看通气干燥部件的使用情况，并要求在通气干燥管失效时及时更换，否则仪器存在损坏的可能。因此，本发明可以安装在较为偏远恶劣的环境中，无需工作人员维护即可长期可靠的工作；

4）具有较强的生存能力，具有承受一定的水压的能力：由于本发明核心部件如敏感部件、智能补偿输出部件均具有较高的一体化结构，完全具有高度的防水密封性，不会轻易受到外界环境的影响。同时因为防水密封性可靠，在遇到突然的大流量水流冲击或被淹没的情况下，仍能保证核心部件内部不会进水或受到外界的冲击而损坏。

附图说明

图1为现有振弦式水位计结构示意图。

图2为现有振弦式水位计敏感部件结构示意图。

图3为本发明整体结构示意图。

图4为本发明智能输出单元部件结构示意图。

图5为本发明敏感部件结构及工作原理示意图。

具体实施方式

下面参照附图，并结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例为一种带自动补偿的高精度振弦式水位计，其主要结构如图3所示。

参照图3，本实施例的带自动补偿的高精度振弦式水位计主要由敏感部件1、保护筒体2、智能补偿输出部件3、浮子部件4、敏感部件安装固定部件5和仪器整体安装固定部件6组成。敏感部件1通过敏感部件安装固定部件5的万向节自由的悬挂在保护筒体2内部，智能补偿输出部件3位于保护筒体2的上部并与之固定在一起，浮子部件4通过挂钩与敏感部件1连接在一起，并悬挂在保护筒体2内部。仪器整体安装固定部件6位于保护筒体2下部，安装完成后的振弦式水位计整体采用仪器整体安装固定部件6固定需要测量水位变化的沟渠等的边壁上。

智能补偿输出部件3是本实施的水位计的核心部件之一，其结构如图4所示。参照图4，智能补偿输出部件3主要由封装外壳3-1、气压传感器3-2、气压传感器封装壳体3-3、测量控制单元3-4、密封接头3-5、温度传感器3-6及防水透气阀3-7组成。气压传感器3-2用于测量气压变化，其单独封装在气压传感器封装壳体3-3内，并采用固态胶灌封，确保密封可靠，然后再将气压传感器封装壳体3-3固定在封装外壳3-1内部。在气压传感器封装壳体3-3的端部开设有小孔，小孔安装有防水透气阀3-7，用于与外部进行气压平衡。温度传感器3-6用于测量温度变化，也固定在封装外壳3-1内部。测量控制单元3-4固定在封装外壳3-1内部，并分别与通过引线与敏感部件1及气压传感器3-2、温度传感器3-6连接通信，用于获取钢弦的自振频率、气压变化和温度变化，最终考虑气压变化和温度变化后换算得到补偿后的水位值。所有连接引线均采用密封接头密封，保证防水可靠。温度传感器3-6亦通过智能补偿输出部件3上部的密封接头3-5与外界通信，传输水位值。

图5为敏感部件1的结构示意图，其主要由钢弦1-1、敏感部件主体1-2、感压膜片1-3、外部封装壳体1-4及底部安装挂钩1-5组成。感压膜片1-3与敏感部件主体1-2固定在一起，并密封焊接为一体化结构，同时对内部真空化，无需与外界连通进行气体流通平衡，钢弦1-1固定在其内部。构成的一体的感压膜片1-3与敏感部件主体1-2完全密封在外部封装壳体1-4内部，与现有的敏感部件1相比，取消了通气管及通气管接头的结构。底部安装挂钩1-5从外部封装壳体1-4之外延伸到外部封装壳体1-4内部与感压膜片1-3固定，用于悬挂浮子部件4。

由以上可以看出，本实施例在振弦式水位计中增加了气压传感器3-2与温度传感器3-6，与敏感部件1一并组成智能型自动补偿的振弦式水位计，通过测量控制单元3-4测量气压变化与温度变化，并根据气压变化和温度变化结果对测量的水位值进行补偿，直接对外输出水位值，无需外部换算。敏感部件1通过万向节自由悬挂在保护筒体2内部，智能补偿输出部件3位于保护筒体2上部，组成一体化整体的结构。智能补偿输出部件3的主要部件都封装在密封的封装外壳3-1内，确保长期使用中的防水密封可靠，气压传感器封装壳体3-3只有端部开设的小孔与外界进行气压平衡，并与智能补偿输出部件3其他部分完全隔离。小孔安装防水透气阀3-7，既保证气压传感器3-2能感知外部气压变化，又使得智能补偿输出部件3也具有较高的防水密封性能。敏感部件1不再采用在敏感部件密封壳体上打孔与外界进行气体交换的结构，而是采用完全封装密封为一体的结构，各部分采用低应力密封焊接，同时内部完全采用真空化，确保钢弦1-1不会受潮损坏。理论上分析，本实施例的敏感部件1能长期可靠稳定的测值，轻易不会出现损坏的情况。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (4)

1.一种带自动补偿的振弦式水位计，包括敏感部件、保护筒体、浮子部件、敏感部件安装固定部件和仪器整体安装固定部件，敏感部件通过敏感部件安装固定部件安装在保护筒体内部，浮子部件悬挂在敏感部件的下方，仪器整体安装固定部件位于保护筒体下部，敏感部件用于感知水位变化，其特征在于：

所述敏感部件包括钢弦、敏感部件主体、感压部件、外部封装壳体及底部悬挂机构，感压部件与敏感部件主体固定为一体化结构，内部真空并固定钢弦，感压部件与敏感部件主体完全密封在外部封装壳体内部，底部悬挂机构位于外部封装壳体之外并延伸到外部封装壳体与感压部件固定，浮子部件悬挂在底部悬挂机构上；

还包括智能补偿输出部件，所述智能补偿输出部件根据气压变化和温度变化对敏感部件感知的水位变化进行补偿，并向外直接输出补偿后的水位值，所述智能补偿输出部件包括封装外壳、气压传感器、温度传感器及测量控制单元组成，所述气压传感器、温度传感器及测量控制单元位于封装外壳内部，所述测量控制单元分别与气压传感器、温度传感器和敏感部件连接，获取气压传感器测量的气压变化、温度传感器测量的温度变化以及敏感部件感知的水位变化，并考虑气压变化和温度变化对敏感部件感知的水位变化进行补偿后向外直接输出补偿后的水位值；

所述气压传感器封装在气压传感器封装壳体内，气压传感器封装壳体固定在智能补偿输出部件的封装外壳内部；

所述气压传感器封装壳体端部开设有小孔，小孔安装有防水透气阀，用于与外部进行气压平；

所述测量控制单元通过连接引线与气压传感器、温度传感器和敏感部件连接，所有的连接引线通过密封接头密封；

所述智能补偿输出部件固定在保护筒体的上部。

2.根据权利要求1所述的带自动补偿的振弦式水位计，其特征在于，所述测量控制单元通过智能补偿输出部件上方的密封接头与外界通信。

3.根据权利要求1所述的带自动补偿的振弦式水位计，其特征在于，所述底部悬挂机构为挂钩。

4.根据权利要求1所述的带自动补偿的振弦式水位计，其特征在于，所述感压部件为感压膜片。

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