CN109916473A - 一种自记式液位测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自记式液位测量系统，包括数据采集系统、测压管和浮子，所述数据采集系统包括激光测距仪，所述测压管的一端设有垂直于水平面的直管测量段，所述激光测距仪设在所述直管测量段的上方，所述测压管的另一端为与被测液体连通的连通端，所述浮子位于所述测压管的直管测量段内并与所述激光测距仪的发射孔和接收孔垂直相对。本发明还提供了利用上述自记式液位测量系统的自记式液位测量方法。本发明可不仅可提高读数的准确性，提高工作效率，降低人工作业的工作量，且其结构简单，安装方便、操作便利，可自动测量管内液位高度并记录液位的实时变化过程，方便后期对液位变化进行动态分析。

Description

一种自记式液位测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及液位测量装置及测量方法，特别涉及一种自记式液位测量系统及测量方法。

背景技术

目前，随着我国的水利事业的不断发展，在国内已建成各类水库9.8万余座，我国水利工程的数量已经位居世界第一。水利工程的快速发展对大坝的安全监测也带来了更高的要求，在水利工程中，安全监测即指对大坝变形量、渗流量、渗透压力、浸润线、库液位等进行连续而全面的监测，并对实测数据进行及时有效的分析。在此基础上实现对大坝安全性态综合评判,以保证大坝的安全运行。在这些观测项目中关于浸润线和库液位的监测，通常采用测量与坝体内部水源连通的测压管内液位高度来实现，而目前测压管内液位高度的测量方法,是通过人工目视读取测压管内凹液面刻度值来实现，这种测量方法虽然工作原理简单,但实际测量过程中存在一些弊端，如若测压管内的液位过高或者液位过低时，人工目视读数时很不方便，需要登高或俯身,劳动强度大,所需工时长,且人工目视读数精度低。

除了上述测量装置及测量方法，现有技术中，还采取以下几种测压管内液位高度的测量装置及测量方法：

一种是采用测深钟，最简单形式的测深钟，为一段上端封闭下端开敞的管子，上方系有标注了刻度的吊绳，使用时将测深钟从管口放下，当钟口与水面接触发出声音时，及时捏住绳子并读出相应绳子端部刻度，用测压管高度减去绳端刻度即可测量出测压管液位；该方法的不足之处为：需人工操作，操作方法复杂且难度高，测量效率低，且不能实时反映观测液位的变化，不能对液位进行动态的分析。

一种是采用电测液位计，电测液位计测量液位的方法，是将仪器的探头徐徐放入测压管中，当探头碰触水面时会发出相应信号，此时读出探头后的吊绳刻度，测压管管口高度减去测绳刻度即为管内液位高度；在此基础上的一种改进装置是将探头改为浮子，当液位变化时可通过一系列的电传系统，自动记录测压管内液位，该种方法可免去人工读数的工作，且测得的数据较为准确。这种电测液位计的不足为：测量装置结构复杂，测量效率低，成本较高，且同样不能观测液位随时间的变化曲线，无法实现对管内液位动态的分析。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种易操作、检测效率及检测精度高、能观测液位随时间的变化曲线的自记式液位测量系统及测量方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种自记式液位测量系统，包括数据采集系统、测压管和浮子，所述数据采集系统包括激光测距仪，所述测压管的一端设有垂直于水平面的直管测量段，所述激光测距仪设在所述直管测量段的上方，所述测压管的另一端为与被测液体连通的连通端，所述浮子位于所述测压管的直管测量段内并与所述激光测距仪的发射孔和接收孔垂直相对。

进一步地，所述测压管包括笔直型测压管和U型测压管，所述激光测距仪设在所述笔直型测压管的上端，所述笔直型测压管的下端与所述U型测压管的一端连接，所述U型测压管的另一端为与被测液体连通的连通端，所述浮子位于由所述笔直型测压管和所述U型测压管连接构成的直管测量段内。

进一步地，所述笔直型测压管和所述U型测压管通过外部套管连接。

进一步地，所述笔直型测压管和所述U型测压管均与外部套管螺纹连接。

进一步地，所述U型测压管设有可弯曲的软管段。

进一步地，所述数据采集系统包括安装座；所述安装座包括相互连接的支撑平台和连接套；所述支撑平台包括盘形体，所述盘形体中心设有通过发射激光和反射激光的通孔，所述盘形体上部固接有限位板，所述盘形体下部沿周向均布凸台；所述激光测距仪安装在所述盘形体上，其侧面与所述限位板固接，其底部的发射孔和接收孔位于所述通孔内；所述连接套上部设有台肩，所述台肩上设有与所述凸台配合的凹槽,所述测压管固定套接在所述连接套外侧。

进一步地，所述数据采集系统还包括数据处理器和显示器，所述激光测距仪输出信号至所述数据处理器，所述数据处理器输出信号至所述显示器。

本发明还提供利用上述自记式液位测量系统的自记式液位测量方法，其包括如下步骤：

步骤一：将测压管的连通端与被测液体连通，调试激光测距仪，使其发射孔和接收孔对准浮子；

步骤二：初始化参数，将激光测距仪初始测量的发射孔和接收孔端面与浮子表面的初始距离，作为初始参数存储；

步骤三：连续或间断启动激光测距仪，测量其发射孔和接收孔端面到浮子表面之间的距离，数据采集系统按时间记录测量结果数据；

步骤四：数据采集系统计算处理测量结果数据，得到并存储各时间点的液位升降高度。

进一步地，所述步骤一中，将测压管的连通端与被测液体连通后，还调整测压管的直管测量段高度，使浮子漂浮在“0”刻度线位置处。

进一步地，所述步骤四中的数据采集系统计算处理测量结果数据的计算公式为:h＝|H-△H|，

当H＞△H时，h为液位升高的高度，当H＜△H时，h为液位降低的高度；

其中：

H表示为激光测距仪初始测量的发射孔和接收孔端面与浮子表面的初始距离；

△H表示为初始化后激光测距仪测量的发射孔和接收孔端面与浮子表面的测量距离；

h表示为测压管中液位升降高度。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、操作方便，可以定时监测，通过设置激光测距仪检测时间间隔来采集不同时间的液位数据。

2、测量效率和测量精度高，激光检测，测量速度快，激光测距仪从发射孔向目标发射激光脉冲束,在接收孔接受反射回来的激光束,测出激光往返所用的时间,就可以算出所测物体与激光测距仪接收器之间的距离，所以检测速度快，激光的测量准确度高。

3、自动化程度高，并且可以记录管内液位的实时变化，满足了后期对液位变化进行动态分析，激光发射在使用过程中因激光测距仪可自动记录距离且其测量精度较人工读数更高，减少人工劳动力的同时提高了数据的准确性；并且读数后可自动生成液位折线图，为后期液位动态化分析提供了很大的便利。

4、应用范围广。可测量水利工程中某些部位出现的负压大小，相较一般的测压管量程相对更大。故可广泛应用于水库大坝现场及水利工程的各种物理模型实验中。

本发明通过改进现有测压管装置，可自动测量管内液位高度并记录液位的实时变化过程，方便后期对液位变化进行动态分析。该系统不仅可提高读数的准确性，提高工作效率，降低人工作业的工作量，且其结构简单，安装方便、操作便利。可有效解决测压管内液位过高或过低不易读数的问题，同时本发明还可增大了测量的范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中的激光测距仪结构示意图；

图3是本发明中的支撑平台结构示意图；

图4是本发明中的连接套结构示意图；

图5是本发明中的支撑平台与连接套连接结构示意图；

图6是本发明中的笔直型测压管和U型测压管连接结构示意图。

图中：1、激光测距仪；2、支撑平台；3、连接套；4、笔直型测压管；5、浮子；6、U型测压管；7、数据处理器；8、按键；9、显示器；10a、发射孔；10b、接收孔；11、USB接口；12、通孔；13、限位板；14、盘形体；15、凸台；16、凹槽；17、台肩；18、套筒；19、外部套管；20、零刻度线。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图6，一种自记式液位测量系统，包括数据采集系统、测压管和浮子5，所述数据采集系统包括激光测距仪1，所述测压管的一端设有垂直于水平面的直管测量段，所述激光测距仪1设在所述直管测量段的上方，所述测压管的另一端为与被测液体连通的连通端，所述浮子5位于所述测压管的直管测量段内并与所述激光测距仪1的发射孔10a和接收孔10b垂直相对。激光测距仪1可采用市面销售的激光测距仪产品，根据其测量精度和测量范围选用，也可以按照激光测距仪的工作原理和使用需要的功能自行设计制作，激光测距仪1的发射孔10a和接收孔10b平行设置，发射孔10a内设有发射激光的激光发射镜，接收孔10b设有接收反射激光的激光接收镜，激光接收镜内设有光电元件感测反射的激光。

进一步地，所述测压管可包括笔直型测压管4和U型测压管6，所述激光测距仪1设在所述笔直型测压管4的上端，所述笔直型测压管4的下端与所述U型测压管6的一端连接，所述U型测压管6的另一端为与被测液体连通的连通端，所述浮子5可位于由所述笔直型测压管4和所述U型测压管6连接构成的直管测量段内。这种结构便于直观地观察液位升降情况，还能提高测量范围。

进一步地，为便于调整直管测量段的长度，所述笔直型测压管4和所述U型测压管6可通过外部套管19连接，这样可以更换直管部分高度不同的U型测压管。

进一步地，为便于更换U型测压管6，所述笔直型测压管4和所述U型测压管6均可与外部套管19螺纹连接。

进一步地，如果被测液位相对升降高度差较平稳，所述笔直型测压管4和所述U型测压管6也可与外部套管19热塑连接。

进一步地，为了提高密封性，所述笔直型测压管4和所述U型测压管6均可与外部套管19间设有密封圈。

进一步地，所述笔直型测压管4可为玻璃制成的测压管或金属制成的测压管或塑料制成的测压管。可根据成本预算选用各种材质制成的测压管。

进一步地，为便于与被测液体连通，所述U型测压管6可设有可弯曲的软管段。这样操作时可弯曲U型测压管6，使方便连通。

进一步地，所述数据采集系统可包括安装座；所述安装座可包括相互连接的支撑平台2和连接套3；所述支撑平台2可包括盘形体14，所述盘形体14中心设有通过发射激光和反射激光的通孔12，所述盘形体14上部可固接有限位板13，所述盘形体14下部可沿周向均布凸台15；所述激光测距仪1可安装在所述盘形体14上，其侧面可与所述限位板13固接，其底部的发射孔10a和接收孔10b位于所述通孔12内；所述连接套3包括套筒18，套筒18上部可设有台肩17，所述台肩17上可设有与所述凸台15配合的凹槽16,所述测压管可固定套接在所述连接套3的套筒18的外侧。可通过粘结剂固定连接，或者设置定位销孔配合、定位凸起与限位凹槽16配合等多种固定方式，将所述测压管固定套接在所述连接套3外侧，所述测压管端部可与所述台肩17下表面接触。

进一步地，所述数据采集系统还可包括数据处理器7和显示器9，所述激光测距仪1可输出信号至所述数据处理器7，所述数据处理器7可输出信号至所述显示器9。

本发明的工作原理：

激光测距(laser distance measuring)是以激光器作为光源进行测距。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。激光测距仪1由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与其他相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，而且测量的距离长。

激光测距仪1是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。激光测距仪1的发射孔10a在工作时向目标射出一束很细的激光，由位于接收孔10b内的光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。

若激光是连续发射的，测程可达40公里左右，并可昼夜进行作业。若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。

本发明的激光测距仪1可包括按键8，显示器9，存储器，激光的发射孔10a和接收孔10b，以及USB接口11等装置。也可选择市面销售的激光测距仪1，比如能够实现

本自记式液位测量系统，包括数据采集系统、测压管和浮子5，所述数据采集系统包括激光测距仪1，所述测压管的一端设有垂直于水平面的直管测量段，所述激光测距仪1设在所述直管测量段的上方，所述测压管的另一端为与被测液体连通的连通端，所述浮子5位于所述测压管的直管测量段内并与所述激光测距仪1的发射孔10a和接收孔10b垂直相对。

测量时，连通被测液体，使被测液体通过连通端进入测压管的直管测量段内，测压管的直管测量段上方和被测液体均与外界空气相通，根据连通器原理，测压管的直管测量段的液位与被测液体液位相平，浮子5位于测压管的直管测量段内，其与发射孔10a和接收孔10b垂直相对，直管测量段垂直于水平面，浮子5在直管测量段内，随液位变化，上下垂直升降，能够反射激光测距仪1发射的激光。这样激光测距仪1发射的激光束射向浮子5，浮子5反射激光，由光电元件从接收孔接收浮子5反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间。计算出从激光测距仪1的发射孔10a和接收孔10b端面到浮子5的距离。

激光测距仪1本体可设有存储器、数据处理器7和显示器9，记录每个时间点的测量结果数据，并对测量结果数据进行处理、分析及显示，也可以在激光测距仪1本体外设置数据处理器7和显示器9，比如可连接计算机和显示器9，也可连接笔记本电脑，计算机等数据处理设备可对测量结果数据进一步处理、分析及显示等。激光测距仪1可通过无线或有线方式传输数据至计算机和显示器9等外部设备。

上述测压管可以分成两部分，一部分为直管部，直管部可作为直管测量段，用于测量液位变化，一部分为弯管部，弯管部一侧与被测液体连通，弯管部可采用软管，便于与被测液体连通。

还可以采用其他的结构，比如可采用笔直型测压管4和U型测压管6连接的结构，U型测压管6的两端的直管部分长度可不相同，其中U型测压管的直管部分长度较长的一端22与笔直型测压管4连接，U型测压管6的直管部分长度较短的一端与被测液体连通。这样，所述浮子5可位于由所述笔直型测压管4和所述U型测压管6连接构成的直管测量段内，并且设置可调整高度的支架，将本系统安装在支架上，调整初始位置时浮子5的高度，使其位于所述笔直型测压管4和所述U型测压管6的连接处，并在此连接处设置零刻度线20，可以观测浮子5的升降，且直管测量段相对增长，这样浮子5在直管段内，随液位变化，上下垂直升降，液位变化数据可随时快速测量，也可长期持续测量，也可定时测量。

安装激光测距仪1时，笔直型测压管4管顶端可设有固定激光测距仪1的安装座，笔直型测压管4uan的管底端和U型测压管6的一端相连接，可在两端连接处标注有零刻度线20，也可在笔直型测压管4的管壁从零刻度线20往上标注正值刻度；在U型测压管6的直管部分的管壁从零刻度线20往下标注负值刻度；也可以采用一直管与一个可弯曲的软管连接方式，在直管部分可居中在管壁上设置零刻度线20，直管的管壁从零刻度线20往上标注正值刻度，直管的管壁从零刻度线20往下标注负值刻度，软管未连接直管的一端与被测液体连接，检测时，调节测压管的高度，可使浮子5位于零刻度线20上或附近，根据液位升降的历史记录，选择合适的测压管长度，这样可以将测量范围调整到适宜范围，能够兼顾最高液位和最低液位。

为了使测压管和激光测距仪1相对固定，所述数据采集系统可包括安装座；所述安装座可包括相互连接的支撑平台2和连接套3；所述支撑平台2可包括盘形体14，所述盘形体14中心设有通孔12，所述盘形体14上部可固接有限位板13，所述盘形体14下部可沿周向均布凸台15；所述激光测距仪1可安装在所述盘形体14上，其侧面可与所述限位板13固接，其底部的发射孔10a和接收孔10b与所述通孔12对准；所述连接套3上部可设有台肩17，所述台肩17上可设有与所述凸台15配合的凹槽16,可通过粘结剂固定连接，或者设置定位销孔配合、定位凸起与限位凹槽16配合等多种固定方式，将所述测压管固定套接在所述连接套3外侧，所述测压管端部可与所述台肩17下表面接触。这样，所述激光测距仪1固定在所述支撑平台2上，所述支撑平台2的凸台15向下插接固定在所述连接套3的凹槽16内，所述测压管也固定在所述连接套3上，所以，所述激光测距仪1的发射孔10a和接收孔10b端面相对所述测压管的直管测量段上端面距离固定。

也可以采用其他连接方式，使激光测距仪1和测压管位置相对固定，测压管保持垂直，所述浮子5与所述激光测距仪1的发射孔10a和接收孔10b垂直相对，能够垂直反射激光，使反射光束能被接收孔接收。

为了安装固定测压管和激光测距仪1，还可设有一个安装支架，安装支架可设有固定基座，所述固定基座上可设置有可升降的支撑臂，所述支撑臂可与上述安装座的连接套3连接，测量时，可以调节支撑臂的高度，并使测距仪的发射孔10a和接收孔10b对准管内浮子5的中心部位。

实际测量时，可按如下步骤进行：

步骤一：将测压管的连通端与被测液体连通，调试激光测距仪1，使其发射孔10a和接收孔10b对准浮子5；将测压管的连通端与被测液体连通后，还可先调整测压管的直管测量段高度，使浮子5漂浮在“0”刻度线位置处，再调试激光测距仪1，使其发射孔10a和接收孔10b对准浮子5；目的为了直观看到液位的升降，也便于校验初始化参数。

步骤二：初始化参数，将激光测距仪1初始测量的发射孔10a和接收孔10b端面与浮子5表面的初始距离，作为初始参数存储；

步骤三：连续或间断启动激光测距仪1，测量其发射孔10a和接收孔10b端面到浮子5表面之间的距离，数据采集系统按时间记录测量结果数据；

步骤四：数据采集系统计算处理测量结果数据，得到并存储各时间点的液位升降高度。

将测压管连通端与被测液体相连通，可调整直管测量段高度，可当浮子5漂浮在零刻度线20位置处，打开激光测距仪1测距，因为零刻度线20距离发射孔10a和接收孔10b端面的距离固定，可设定其为参考值H，H值可通过其他测量仪器校准，并存储在数据采集系统中，作为计算参数；使用过程中，浮子5的位置相应升高或降低，激光测距仪1可实时记录所述激光测距仪1的发射孔10a和接收孔10b端面到浮子5表面之间的距离△H，而测压管中水面真实高度h可通过简单的换算得到，即：h＝|H-△H|，当H＞△H时，h为液位升高的高度，当H＜△H时，h为液位降低的高度。

激光测距仪1所采集到的数据可实时输入到外部的信号处理可视化系统中，并通过上述公式计算压力值按折线图和数据的形式输出出来。比如可连接计算机和显示器9，也可连接笔记本电脑，计算机等数据处理设备可对测量结果数据进一步处理、分析及显示等。激光测距仪1可通过无线或有线方式传输数据至计算机和显示器9等外部设备。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种自记式液位测量系统，其特征在于，包括数据采集系统、测压管和浮子，所述数据采集系统包括激光测距仪，所述测压管的一端设有垂直于水平面的直管测量段，所述激光测距仪设在所述直管测量段的上方，所述测压管的另一端为与被测液体连通的连通端，所述浮子位于所述测压管的直管测量段内并与所述激光测距仪的发射孔和接收孔垂直相对。

2.根据权利要求1所述的自记式液位测量系统，其特征在于，所述测压管包括笔直型测压管和U型测压管，所述激光测距仪设在所述笔直型测压管的上端，所述笔直型测压管的下端与所述U型测压管的一端连接，所述U型测压管的另一端为与被测液体连通的连通端，所述浮子位于由所述笔直型测压管和所述U型测压管连接构成的直管测量段内。

3.根据权利要求2所述的自记式液位测量系统，其特征在于，所述笔直型测压管和所述U型测压管通过外部套管连接。

4.根据权利要求3所述的自记式液位测量系统，其特征在于，所述笔直型测压管和所述U型测压管均与外部套管螺纹连接。

5.根据权利要求2所述的自记式液位测量系统，其特征在于，所述U型测压管设有可弯曲的软管段。

6.根据权利要求1所述的自记式液位测量系统，其特征在于，所述数据采集系统包括安装座；所述安装座包括相互连接的支撑平台和连接套；所述支撑平台包括盘形体，所述盘形体中心设有通过发射激光和反射激光的通孔，所述盘形体上部固接有限位板，所述盘形体下部沿周向均布凸台；所述激光测距仪安装在所述盘形体上，其侧面与所述限位板固接，其底部的发射孔和接收孔位于所述通孔内；所述连接套上部设有台肩，所述台肩上设有与所述凸台配合的凹槽,所述测压管固定套接在所述连接套外侧。

7.根据权利要求1所述的自记式液位测量系统，其特征在于，所述数据采集系统还包括数据处理器和显示器，所述激光测距仪输出信号至所述数据处理器，所述数据处理器输出信号至所述显示器。

8.一种利用权利要求1所述的自记式液位测量系统的自记式液位测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将测压管的连通端与被测液体连通，调试激光测距仪，使其发射孔和接收孔对准浮子；

步骤二：初始化参数，将激光测距仪初始测量的发射孔和接收孔端面与浮子表面的初始距离，作为初始参数存储；

步骤三：连续或间断启动激光测距仪，测量其发射孔和接收孔端面到浮子表面之间的距离，数据采集系统按时间记录测量结果数据；

步骤四：数据采集系统计算处理测量结果数据，得到并存储各时间点的液位升降高度。

9.根据权利要求8所述的自记式液位测量方法，其特征在于，所述步骤一中，将测压管的连通端与被测液体连通后，还调整测压管的直管测量段高度，使浮子漂浮在“0”刻度线位置处。

10.根据权利要求8所述的自记式液位测量方法，其特征在于，所述步骤四中的数据采集系统计算处理测量结果数据的计算公式为:h＝|H-△H|，

当H＞△H时，h为液位升高的高度，当H＜△H时，h为液位降低的高度；

其中：

H表示为激光测距仪初始测量的发射孔和接收孔端面与浮子表面的初始距离；

△H表示为初始化后激光测距仪测量的发射孔和接收孔端面与浮子表面的测量距离；

h表示为测压管中液位升降高度。