CN110763301A - 电阻式水位降深监测仪及其稳定性测试方法 - Google Patents

电阻式水位降深监测仪及其稳定性测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电阻式水位降深监测仪，包括：单片机、若干额定电阻器、电路板；还提供电阻式水位降深监测仪的多种稳定性测试方法，包括：20～100KΩ的电阻范围内的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；纯水、氯化钠溶液、自来水中的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；量筒、烧杯中的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；电阻式水位降深监测仪实际工作中的稳定性测试。本发明具有原理简单，造价低、携带方便、监测速度快，无须进行人工换算、受到环境因素的影响较小的有益效果。

Description

电阻式水位降深监测仪及其稳定性测试方法
技术领域
本发明涉及水位监测技术领域。更具体地说，本发明涉及一种电阻式水位降深监测仪及其稳定性测试方法。
背景技术
地下水动态监测主要是对地下水水位、水量、水质、水温等要素进行实时测量。依据地下水动态要素的变化规律，可以为合理开采、科学调节和管理地下水提供科学依据。水位观测是水文测验中最重要的一项基础性工作，随着技术的进步，水位观测逐渐由人工观测向自动化监测转变，水位自动化监测就是通过水位传感器再配合一些数据采集、传输、存贮等装置实现水位的自动监测。
我国目前市场上主要的水位传感器分为三类：一是超声波式的水位传感器，其传输媒介的气体成分和容器几何结构特性受电磁波干扰、安装条件和环境限制影响较大；二是浮力式，一般工作时需要修建测井，投资高，若水位变化浮动较大，浮子和重锤易打结，容易发生故障；三是电容式，其输出阻抗高，负载能力差，水位数据输出是非线性的，电路设计比较繁琐。以上水位传感器普遍造价较高，而且在携带的过程中容易产生晃动对精密部件进行损坏，对水位检测结果造成影响。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种电阻式水位降深监测仪，还提供一种电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法，具有原理简单、体积小、造价低、方便携带的有益效果。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种电阻式水位降深监测仪，包括：单片机、若干额定电阻器、电路板，所述电路板上设有若干小孔，若干额定电阻器分别插在若干小孔中，若干额定电阻器在电路板背面利用焊枪将电阻器两端的电阻丝以串联的形式连接，若干额定电阻器自下而上排列。
优选的是，所述电阻式水位降深监测仪水位降深△H与电阻值变化△R呈线性关系，线性方程为△H＝56.537×△R，相关系数为0.9919。
还提供一种电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法，包括：
20～100KΩ的电阻范围内的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；
纯水、氯化钠溶液、自来水中的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；
量筒、烧杯中的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；
电阻式水位降深监测仪实际工作中的稳定性测试。
优选的是，20～100KΩ的电阻范围内的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法具体为：分别串联20KΩ、30KΩ、50KΩ和100KΩ额定电阻于电路板上，将该电路板置于量筒中，加入自来水，利用抽水泵改变量筒中水位，同时利用数字万用表测得电阻的变化，建立电阻变化与水位降深的关系曲线。
优选的是，纯水、氯化钠溶液、自来水中电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法具体为：将串联额定电阻的电路板分别置于装有纯水、NaCl溶液、自来水的量筒中，利用抽水泵改变量筒中水位，同时利用数字万用表测得电阻的变化，建立电阻变化与水位降深的关系曲线。
优选的是，量筒、烧杯中电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法具体为：将监测仪分别置于装有纯水的1000mL量筒和500mL烧杯中，利用抽水泵改变量筒中水位，同时利用数字万用表测得电阻的变化，建立电阻变化与水位降深的关系曲线。
优选的是，电阻式水位降深监测仪实际工作中的稳定性测试的具体方法为：向添加程序的单片机中输入电阻与水位变化的关系方程，检测实际降深值与仪器读出的降深值之间的误差。
本发明至少包括以下有益效果：
该仪器造价低，体积小，便于携带，原理简单，监测速度快，可以通过显示器直接读出水位的降深，不需要进行人工换算，操作简单方便，受到地下水水化学环境因素的影响较小，克服了受监测井的游移、伸缩、摩擦力、孔壁感应影响的缺点；
适用于水井、地下含水层、矿坑等多方面的水位降深的实时监测。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明其中一个技术方案的水位降深监测仪的结构示意图；
图2为本发明其中一个技术方案的水位降深监测仪的设计理论模型图；
图3为本发明其中一个技术方案的自来水中不同阻值降深变化图；
图4为本发明其中一个技术方案的不同溶液的降深线性对比图；
图5为本发明其中一个技术方案的不同容器下降深线性对比图；
图6为本发明其中一个技术方案的实际降深值与仪器测得值对比图；
图7为本发明其中一个技术方案的实际测得值和仪器测得值的误差范围。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本实例提供一种电阻式水位降深监测仪，如图1所示，包括：单片机、若干额定电阻器、电路板，所述电路板上设有若干小孔，若干额定电阻器分别插在若干小孔中，若干额定电阻器在电路板背面利用焊枪将电阻器两端的电阻丝以串联的形式连接，若干额定电阻器自下而上排列，所述单片机与所述电路板电线连通。首先电路板长为8.5cm，宽为5.5cm，电路板之间可以根据需要将其互相拼接以达到加长测量长度的要求。单个电阻器长为5mm，宽为0.45mm，组成形式如图1所示，将电路板放入待测溶液中，待测溶液作为导体，随着水位的波动改变电路板上串联电阻的个数，进一步改变整个回路中总电阻值，通过导电线与电路板相连的单片机上即可读数。
电阻式水位降深监测仪设计的理论模型图2所示。滑动变阻器在电路中是一个限流元件，在电路分析实验时，滑动变阻器可以作为一个定值电阻，也可以作为一个变值电阻。通过滑动片左右滑动来改变接入电路中金属丝的长短，从而来改变阻值。根据这个原理，结合并串联电路的特点，当一个电路板上串联若干个额定电阻并且额定电阻的阻值远远大于地下水的阻值时，水位以下的阻值在电路中可以忽略不计，这时测得的电阻值就为水位以上的电阻，地下水相当于可以忽略不计导体的作用一个电阻。当水位变化时，水位以上的电阻值也发生变化，通过条件实验，查出水位以上的电阻和水位降深变化的关系，从而实现水位降深监测的目的。
水位位于B处，电阻值为RB(即整个串联电阻器的阻值)，水位上升到A处时，测得电阻值为RA(即水位以上串联电阻器的阻值)。RA和RB通过下式计算：
RA＝ρLA/S
RB＝ρLB/S
则△H＝LB-LA＝S/ρ(RA-RB)。
其中ρ为电阻率，L为材料的长度，S为面积，RA为水位A时的电阻值，LA为水位A时电阻的长度，RB为水位B时的电阻值，LB为水位B时电阻的长度，△H为水位变化。
仪器的测试精度可根据实际需要，通过调节单个电阻的长度来控制。本发明该实施例设计中均以单个电阻为0.5cm进行，即测试精度为0.5cm。
本实例所述的电阻式水位降深监测仪水位降深△H与电阻值变化△R呈线性关系，线性方程为△H＝56.537×△R，相关系数为0.9919。
本实例还提供一种电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法，包括：
20～100KΩ的电阻范围内电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；
具体为：分别串联20KΩ、30KΩ、50KΩ和100KΩ额定电阻于20cm长的电路板上，将该电路板置于1000mL量筒中，加入自来水溶液，利用抽水泵改变量筒中水位，同时利用数字万用表测得电阻的变化，建立电阻变化与水位降深的关系曲线。
纯水、氯化钠溶液、自来水中电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；
具体为：将串联额定电阻的电路板分别置于装有纯水、35g/L的NaCl溶液、自来水的四个1000mL的量筒中，利用抽水泵改变量筒中水位，同时利用数字万用表测得电阻的变化，建立电阻变化与水位降深的关系曲线。
量筒、烧杯中电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；
具体为：确定最优的额定和实验溶液条件，在不同容器中开展实验，建立电阻变化与水位变化的关系曲线。具体过程为：将仪器分别置于装有纯水的1000mL量筒和500mL烧杯中，利用抽水泵改变量筒中水位，同时利用数字万用表测得电阻的变化，建立电阻变化与水位降深的关系曲线。
电阻式水位降深监测仪实际工作中的稳定性测试；
具体为：向添加程序的单片机中输入电阻与水位变化的关系方程，检测实际降深值与仪器读出的降深值之间的误差。
<稳定性检查结果分析>
1)不同额定电阻下电阻式水位降深监测仪的稳定性
不同额定电阻条件下，电阻变化与水位变化的关系如表1和图3所示。从中可以发现：不同规格额定电阻下，电阻变化与水位降深的关系方程存在明显差异。额定电阻≥30KΩ时，随着电阻值的增加，电阻变化与降深关系方程的斜率逐渐增加，相关系数变小；额定电阻≤30KΩ时，随着电阻值的减小，电阻变化与降深关系方程的斜率逐渐增加，相关系数变小。
表1.不同额定电阻值在自来水中电阻变化与降深的比值
总电阻值KΩ 额定电阻值KΩ 实验溶液 电阻与降深的比值
520 20 自来水 42.074
780 30 自来水 28.206
650 50 自来水 49.26
1300 100 自来水 104.91
2)不同溶液下电阻变化与降深的变化规律
不同溶液下电阻变化与降深的变化的函数关系如表2所示。通过表2可以发现：因为使用的是规格相同、形状大小一致、个数相同的额定电阻，所以总电阻值相同、电阻板的长度一致，在相同的盛水容器和不同的溶液中，得到一个关于电阻变化与降深的一元一次函数关系常数值，可见不同溶液下，电阻变化与降深的关系完全很稳定。
不同溶液下电阻变化与降深的变化规律如图4所示。从图4中可以发现：不同溶液下电阻变化与降深的单个线性关系稳定，且基本吻合不同溶液下电阻变化与降深线性对比关系虽然有所不同，但是曲线的线性关系对比关系良好，没有发生明显的波动和偏差，这表明在不同溶液下，实验模型的稳定性能良好。
表2.不同溶液下，电阻与降深的比值
总电阻值 单个电阻值KΩ 试验溶液 电阻与降深的比值
780 30 纯水 58.891
780 30 35g/L NaCl溶液 56.03
780 30 自来水 58.206
3)不同容器下的电阻式水位降深监测仪的稳定性
不同容器下电阻变化与降深的变化的函数关系如表3所示。通过表3可以发现：因为使用的是规格相同、形状大小一致、个数相同的额定电阻，所以总电阻值相同、电阻板的长度一致，在相同的溶液和不同容器中，得到一个关于电阻变化与降深的一元一次函数关系常数值，可见不同溶液下，电阻变化与降深的关系完全很稳定。
不同容器下电阻变化与降深的变化规律如图5所示。从图5中可以发现：不同容器下电阻变化与降深的单个线性关系稳定，且基本吻合；不同容器下电阻变化与降深线性对比关系虽然有所不同，但是曲线的线性关系对比关系良好，没有发生明显的波动和偏差，这表明在不同容器下，实验模型的稳定性能良好。
表3.不同容器下，电阻与降深的比值
总电阻值 单个电阻值KΩ 试验溶液 盛水容器 电阻与降深的比值
780 30 自来水 500mL烧杯 53.549
780 30 自来水 1000mL烧杯 54.345
780 30 自来水 1000mL量筒 58.206
4)电阻式水位降深监测仪的稳定性
仪器的实际降深值和仪器测得的降深值如表4所示，实际降深与仪器测得值的变化如图5所示和图6所示；
表4.实验室内仪器的误差
实际降深值(cm) 仪器测得值(cm) 误差(cm)
1.3 1.6 0.3
5 5.05 0.05
-7 -7.15 -0.15
1.9 1.58 -0.32
0.6 0.5 -0.1
0.5 0.82 0.32
0.5 0.56 0.06
1 1.04 0.04
1 1.1 0.1
-6.1 -5.86 0.28
0.4 0.24 -0.16
1.1 1.3 0.2
0.6 0.84 0.24
0.8 0.77 -0.03
0.6 0.33 -0.27
0.9 1.3 0.4
由图6可知，实际降深与仪器测得值的变化幅度、频率几乎完全重合。当水位连续变化较大时，实际降深与仪器测得值之间的相关性良好，当水位连续变化较小时，实际降深与仪器测得值之间的相关性良好，当水位变化发生突然较大或者较小的变化时，它们的变化幅度和频率也不受影响。
由图7可知，显示误差范围在0.2～0.3cm的，占实验数据的18.75％，误差范围在0.1～0.2cm的，占实验数据的18.75％，误差范围在0.3～0.4cm的，占实验数据的25％，误差范围在0～0.1cm的，占实验数据的37.5％。
为了验证电阻式水位降深监测仪的稳定性，因此实验过程中随机确定不同水位降深值通过电阻式水位降深监测仪进行水位降深值验证，其测量结果都在实际降深值的理论误差(0.5cm)范围之内，故得出结论：仪器在实验情况下稳定性能良好、误差在设计要求以内。
综上所述，该电阻式水位降深监测仪符合理论设计要求，当单个电阻值为30KΩ时，在实践运用时仪器的稳定性能最佳，此时由计算平均值得出关于电阻变化与降深变化的函数关系：水位降深(△H)与电阻值变化(△R)呈线性关系，线性方程为△H＝56.537×△R，相关系数为0.9919。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。

Claims (7)

1.一种电阻式水位降深监测仪，其特征在于，包括：单片机、若干额定电阻器、电路板，所述电路板上设有若干小孔，若干额定电阻器分别插在若干小孔中，若干额定电阻器在电路板背面利用焊枪将电阻器两端的电阻丝以串联的形式连接，若干额定电阻器自下而上排列，所述单片机与所述电路板电线连通。
2.如权利要求1所述的电阻式水位降深监测仪，其特征在于，所述电阻式水位降深监测仪水位降深△H与电阻值变化△R呈线性关系，线性方程为△H＝56.537×△R，相关系数为0.9919。
3.如权利要求1所述的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法，其特征在于，包括：
(1)20～100KΩ的电阻范围内的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；
(2)纯水、氯化钠溶液、自来水中的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；
(3)量筒、烧杯中的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试；
(4)电阻式水位降深监测仪实际工作中的稳定性测试。
4.如权利要求3所述的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法，其特征在于，20～100KΩ的电阻范围内的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法具体为：分别串联20KΩ、30KΩ、50KΩ和100KΩ额定电阻于电路板上，将该电路板置于量筒中，加入自来水，利用抽水泵改变量筒中水位，同时利用数字万用表测得电阻的变化，建立电阻变化与水位降深的关系曲线。
5.如权利要求3所述的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法，其特征在于，纯水、氯化钠溶液、自来水中电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法具体为：将串联额定电阻的电路板分别置于装有纯水、NaCl溶液、自来水的量筒中，利用抽水泵改变量筒中水位，同时利用数字万用表测得电阻的变化，建立电阻变化与水位降深的关系曲线。
6.如权利要求3所述的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法，其特征在于，量筒、烧杯中电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法具体为：将监测仪分别置于装有纯水的1000mL量筒和500mL烧杯中，利用抽水泵改变量筒中水位，同时利用数字万用表测得电阻的变化，建立电阻变化与水位降深的关系曲线。
7.如权利要求3所述的电阻式水位降深监测仪的稳定性测试方法，其特征在于，电阻式水位降深监测仪实际工作中的稳定性测试的具体方法为：向添加程序的单片机中输入电阻与水位变化的关系方程，检测实际降深值与仪器读出的降深值之间的误差。
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