CN111103032A - 一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器及方法 - Google Patents

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CN111103032A CN202010008064.1A CN202010008064A CN111103032A CN 111103032 A CN111103032 A CN 111103032A CN 202010008064 A CN202010008064 A CN 202010008064A CN 111103032 A CN111103032 A CN 111103032A
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Abstract

本发明属于水质检测技术领域，提出一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器及方法，包括两芯刻度电缆，还包括主控电路；感知探头传感器，包括浮子式开关，感知探头传感器内设置有测温电阻，测温电阻的两端与浮子式开关的两端并联；比例式温位检测电路，包括参考电阻和ADC模块，ADC模块包括两对差分输入，ADC模块与主控电路连接，测温电阻通过两芯刻度电缆与参考电阻串联，测温电阻远离参考电阻的一端与直流电源连接，参考电阻远离测温电阻的一端与地信号连接，测温电阻的两端分别与ADC模块的一对差分输入连接，参考电阻的两端分别与ADC模块的另一对差分输入连接。通过上述技术方案，解决了现有技术中两线制便携式水位计难以实现高精度水温测量的问题。

Description

一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器及方法
技术领域
本发明属于水质检测技术领域，涉及一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器及方法。
背景技术
现有采用两线刻度电缆的便携式水位计，不能实现对地下水温度的测量。实现温度的测量一般有两种方式，一种是使用集成式数字温度传感器，该种传感器至少需要三根导线，两线电缆不满足使用要求；第二种是使用测温电阻、热敏电阻等，采用两根导线，使用测温电阻、热敏电阻进行高精度温度测量必须对导线电阻、地下水电阻等进行精确的补偿，地下水的电阻各有不同，刻度电缆电阻随长度及加工材料也不同，所以第二种方式在现有技术方案上也不可行。
此外，在地下水质检测时，地下水水位的测量和抽水试验是常见的测量项目，现有技术中，需要使用两台机器分别进行地下水水位的测量和抽水试验，操作复杂、不便携带。
发明内容
本发明提出一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器及方法，解决了现有技术中两线制便携式水位计难以实现高精度水温测量的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器，包括两芯刻度电缆，还包括
主控电路；
感知探头传感器，包括浮子式开关，所述感知探头传感器内设置有测温电阻，所述测温电阻的两端与所述浮子式开关的两端并联，所述测温电阻的两端与两芯刻度电缆连接；
比例式温位检测电路，包括参考电阻和ADC模块，
所述ADC模块包括两对差分输入，所述ADC模块与所述主控电路连接，
所述测温电阻通过两芯刻度电缆与所述参考电阻串联，所述测温电阻远离所述参考电阻的一端与直流电源连接，所述参考电阻远离所述测温电阻的一端与地信号连接，所述测温电阻的两端分别与所述ADC模块的一对差分输入连接，所述参考电阻的两端分别与所述ADC模块的另一对差分输入连接。
进一步，所述主控电路包括主控芯片，所述主控芯片中内置所述ADC模块。
进一步，所述参考电阻的两端分别与所述ADC模块的参考电压连接。
进一步，还包括均与所述主控电路连接的LED提醒电路、声音提醒电路和数码显示电路，
所述LED提醒电路包括依次连接的第一开关管和LED指示灯，所述第一开关管的基极与所述主控电路连接，所述第一开关管的发射极与地信号连接，所述第一开关管的集电极与所述LED指示灯的一端连接，所述LED指示灯的另一端与直流电源连接，
所述声音提醒电路包括依次连接的第二开关管和蜂鸣器，所述第二开关管的基极与所述主控电路连接，所述第二开关管的发射极与地信号连接，所述第二开关管的集电极与所述蜂鸣器的一端连接，所述蜂鸣器的另一端与直流电源连接。
进一步，还包括按键电路，所述按键电路的一端与地信号连接，另一端与所述主控电路连接，
所述按键电路包括并联的多个按键，分别为模式选择按键、校正按键、数值调节按键一和数值调节按键二。
一种两线制水位水温与抽水试验检测方法，应用于权利要求1～5任一项所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器，所述两线制水位水温检测仪器包括主控芯片、LED指示灯和蜂鸣器，包括
S1：获得测温电阻两端的电压，所述测温电阻两端的电压由比例式温位检测电路得到，当所述测温电阻位于水位之上时，所述浮子式开关闭合，所述测温电阻两端的电压为零，当所述测温电阻经两芯刻度电缆放入地下水之中时，所述浮子式开关断开，所述测温电阻两端的电压大于0.5V；
S2：根据测温电阻两端的电压，当所述测温电阻两端的电压由零跳变为大于0.5V时，控制LED指示灯和蜂鸣器发出声光报警信号，所述声光报警信号用于提醒用户读取两芯刻度电缆，从而得到当前水位值h1；
S3：根据测温电阻两端的电压，得到测温电阻的第一阻值R1；
S4：将-10℃-80℃分为N个温度段，对第一阻值R1进行分段补偿，得到每个温度段对应的第二阻值R21，R22，…R2n，n为温度段序号，n＝1，2，…N，N>＝1，
Figure BDA0002356023710000021
其中，Rcom1，Rcom2，….Rcomn为每个温度段对应的补偿电阻，预先存储在主控芯片中。
S5：用最小二乘法，对第二阻值R21，R22…R2n分别进行拟合回归计算，得到第三阻值R31，R32…R3n，具体为：
Figure BDA0002356023710000031
其中，A1，B1，C1，A2，B2，C2，…，An，Bn，Cn均为常系数，预先存储在主控芯片中，A1，B1，C1，A2，B2，C2，…，An，Bn，Cn的计算过程相同，A1，B1，C1的计算过程为用阻值为Rref1，Rref2，Rref3的精密电阻箱依次代替测温电阻接入比例式温位检测电路，得到精密电阻箱的测量值Rce1，Rce2，Rce3，采用一元二次方程作为拟合回归方程，利用最小二乘法对(Rref1，Rce1)、(Rref2，Rce2)(Rref3，Rce3)三个数组进行拟合回归，得到A1，B1，C1。
S6：根据第三阻值R31，R32…R3n，得到最终的温度T。
进一步，S6之后还包括
S7：获得当前的工作模式，所述工作模式由主控电路根据按键的输入信号得到，包括温位检测模式、抽水试验模式和补偿电阻校正模式；
S8：如果工作模式为抽水试验，则控制LED指示灯和蜂鸣器停止声光报警信号；否则，进入温位检测模式；
S9：获得测温电阻两端的电压，当通过抽水试验使地下水水位由h1降为h2时，测温电阻两端的电压为零，控制LED指示灯和蜂鸣器发出声光报警信号，所述声光报警信号用于提醒用户抽水试验完成。
进一步，步骤S6包括
S61：根据第三阻值R31，R32…R3n分别得到第一RTD温度TRTD1，TRTD2，…TRTDn，
Figure BDA0002356023710000032
其中，RTD0为测温电阻在0℃时的阻值，A＝3.9083×10-3，B＝-5.775×10-7，C＝-4.23225×10-12，
S62：如果TRTD1，TRTD2，…TRTDn均大于等于零，则以TRTD1，TRTD2，…TRTDn所在的温度段序号对应的第一RTD温度作为最终的温度T；如果TRTD1，TRTD2，…TRTDn均小于零，则按照下式(2)计算第二RTD温度TRTD1'，TRTD2'，…TRTDn'，且以TRTD1'，TRTD2'，…TRTDn'所在的温度段序号对应的第二RTD温度作为最终的温度T，
Figure BDA0002356023710000041
进一步，步骤S3包括
S30：获得测温电阻两端的电压U和参考电阻两端的电压U0，测温电阻两端的电压U和参考电阻两端的电压U0均为主控电路读取ADC模块的输出得到；；
S31：采用卡尔曼滤波算法，分别对测温电阻两端的电压U和参考电阻两端的电压U0进行过程相同的滤波，得到测温电阻两端的电压U’和参考电阻两端的电压U0’，其中测温电阻两端的电压U的滤波过程具体为：
S311：获得k-1时刻电压U的最优电压值X(k-1|k-1)的初始值X(0|0)、k-1时刻的误差协方差P(k-1|k-1)的初始值P(0|0)、过程噪声Q的初始值Q0和测量噪声R的初始值R0；
S312：根据X(k-1|k-1)得到k时刻系统状态值X(k|k-1)，
X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)
S313：根据k-1时刻的误差协方差P(k-1|k-1)和过程噪声Q，得到k时刻误差协方差P(k|k-1)：
P(k|k-1)＝P(k-1|k-1)+Q
S314：根据k时刻误差协方差P(k|k-1)和测量噪声R，计算当前卡尔曼增益Kg(k)：
Kg(k)＝P(k|k-1)/(P(k|k-1)+R)
S315：获得k时刻VA0+测量值Z(k)，根据Z(k)、卡尔曼增益Kg(k)和k时刻系统状态值X(k|k-1)得出k时刻最优值X(k|k)，
X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k)((Z(k)-X(k|k-1))
S316：根据卡尔曼增益Kg(k)和k时刻误差协方差P(k|k-1)得到
P(k|k)＝(1-Kg(k))P(k|k-1)
S317：将步骤S316中得到的P(k|k)赋给P(k|k-1)，执行步骤S312～S317。
S33：根据测温电阻两端的电压U’、参考电阻两端的电压U0’和参考电阻的阻值R0，得到测温电阻的第一阻值，
R1＝(U’/U0’)×R0
进一步，步骤S4中补偿电阻Rcom1，Rcom2，….Rcomn的设置步骤相同，其中补偿电阻Rcom1的设置步骤包括：
S41：确定第一个温度段的校正温度Tref1；
S42：设置校正系统的温度为Tref1，将将感知探头传感器设置在校正系统中；
S43：启动两线制水位水温检测仪器，主控电路通过比例式温位检测电路读取到当前温度值Tche1，并通过数码显示电路显示；
S44：如果Tche1与Tref1不一致，则通过数码管显示电路调整补偿电阻Rcom1的值，直到Tche1与Tref1相同；
S45：存储补偿电阻Rcom1的值到主控芯片中。
本发明的工作原理及有益效果为：
1、由于测温电阻的阻值随温度的变化而变化，本发明中将感知探头传感器放入地下水中，测温电阻的两端通过两芯刻度电缆接入比例式温位检测电路中，通过测量测温电阻的阻值，可以得到所测地下水的温度。
测温电阻的两端分别接入ADC模块的一对差分通道，参考电阻的两端分别接入ADC模块的另一对差分通道，流过测温电阻和参考电阻的电流相同，记测温电阻两端的电压为U，电阻为R，参考电阻两端的电压为U0，阻值为R0，流过测温电阻和参考电阻的电流为I，则有如下关系式：
U/U0＝IR/IR0＝R/R0
即R＝U*R0/U0
本发明通过采用比例式温位检测电路，使水温的测量不受地下水电阻和导线电阻的影响，极大的消除了外部干扰的影响，有利于提高水温的测量精度和本发明的适用性。
同时，浮子式开关与测温电阻的两端并联，当位于水位之上时，浮子式开关闭合，将测温电阻短路，此时测得测温电阻两端的电压近似为零，将浮子式开关继续向下放入井下，当接触到地下水时，浮子式开关断开，此时测得测温电阻两端的电压从零跳变为一个大于0.5V的数值，表示浮子式开关已经到达水下，通过读取刻度电缆上的刻度值，可以得到当前的水位值，因此本发明中水位测量不受地下水电阻和导线电阻的影响。
本发明用两线制实现了地下水位和水温的精确测量，达到了三线制或者四线制才能实现的效果，有利于简化产品结构、在便携式产品中得到广泛应用。
2、本发明中ADC模块采用主控芯片内置的方式，有利于进一步简化电路结构、提高测量精度。
3、便携式水位计需要使用电池为整个设备提供直流电源，现有技术中一般通过对电池供电电压的判断来判定是否更换电池，因为不同电池的容量、带载能力等各有不同，在仪器工作的瞬间可能导致电池电压瞬间降低、电池欠压报警，但是电路中各器件工作是正常的，这种情况属于电池欠压误报警。
本发明中参考电阻两端的电压与直流电源电压存在比例关系，参考电阻的两端分别与ADC模块参考电压的两端连接，为ADC模块的参考电压提供外部基准源，当电池电压异常时，主控芯片会检测到ADC模块的参考电压异常，进行电池欠压报警，有效避免了电池欠压误报警的情况。同时，无需外加专门的电池电压检测电路，简化了电路结构。
4、本发明还设置了LED提醒电路和声音提醒电路，当检测到水位到达指定水位时，发出声光报警，提醒工作人员及时控制水泵等设备的启动或停止。
其中，第一开关管用于将主控电路的控制信号进行放大，以满足LED指示灯的驱动要求；第二开关管用于将主控电路的控制信号进行放大，以满足蜂鸣器的驱动要求；从而实现声光报警信号的及时准确发出。
本发明中数码显示电路用于对水温的检测结果进行直观的显示，便于工作人员及时了解检测结果。
5、本发明两线制水位水温检测仪器既能实现温位检测，又能进行抽水试验。通过设置按键电路，可以选择不同的工作模式，工作模式包括：温位检测模式、抽水试验模式和补偿电阻校正模式，按键电路包括模式选择按键、校正按键、数值调节按键一和数值调节按键二，分别对应图7所示的K1、K2、K3和K4，通过按下对应的按键，即可实现相应模式的操作，结构简单、操作方便。
例如，检测仪器上电启动后，默认进入温位检测模式，当测温电阻两端电压值由近似为零跳变为大于0.5V时，说明感知探头传感器接触到水位，浮子开关浮起、将两芯刻度电缆断开，测温电阻接入到电路中，测温电阻两端产生电压值，此时LED提醒电路和声音提醒电路发出声光报警，数码管显示温度值，工作人员通过两芯刻度电缆读取电缆刻度值即为地下水水位值，数码管显示值即为温度值。
在温位检测模式将感知探头传感器下放到接触地下水的位置后，LED提醒电路和声音提醒电路发出声光提醒，数码管显示电路显示地下水的水温，记录此时的地下水水位值h1。此时，按下模式选择按键，进入抽水试验模式，LED提醒电路和声音提醒电路停止声光报警，继续向下下放感知探头传感器至需要的位置，读取此时的刻度电缆，记录地下水水位值h2。开始抽水操作，地下水水位下降至地下水水位h2、漏出感知探头传感器后，由声光提醒电路发出声光提醒，数码管显示电路熄灭。此时记录和整理抽水试验整个过程的抽水量、水位降深、抽水延续时间，完成抽水试验。
为了提高温度的测量精度，可以根据需要对测温电阻进行分段校正补偿，称为补偿电阻校正。按下校正按键，进入补偿电阻校正模式。不同的温度段具有不同的电路特性，本电路的电路特性在-10℃-80℃的范围内分为四个温度段。在四个不同的温度段分别设定一个校正温度，将感知探头传感器放置在校正温度内，校正温度由校正系统模拟，打开本仪器，数码管显示温度值，如数码管显示的温度值与校正温度不一致，则通过数值调节按键一和数值调节按键二调整补偿电阻值，并在数码管交替显示补偿电阻值，直到数码管显示的温度与校正温度相同。此时分别记录并通过主控芯片的Flash保存四个温度段的补偿电阻Rcom1、Rcom2、Rcom3和Rcom4，完成补偿电阻校正。
6、本发明还提出了一种两线制水位水温与抽水试验检测方法，主控电路实时读取测温电阻两端的电压，当测温电阻两端电压值由近似为零跳变为大于0.5V时，说明感知探头传感器接触到水位，此时控制LED提醒电路和声音提醒电路发出声光报警，工作人员通过读取两芯刻度电缆得到地下水水位值。
首先由测温电阻两端的电压得到测温电阻的第一阻值R1，然后在-10℃-80℃内，分为N个温度段，对第一阻值R1进行分段补偿，得到每个温度段对应的第二阻值R21，R22…R2n；之后用最小二乘法，对第二阻值R21，R22…R2n分别进行拟合回归计算，得到第三阻值R31，R32…R3n；再由第三阻值R31，R32…R3n得到最终的温度T。
通过上述校正过程，使得本仪器对地下水温度的测量精度达到±0.1℃，用两线制的方式达到了四线制测量方式才能达到的测量精度。
7、通过按键电路选择工作模式，本发明还可以在温位检测之后进行抽水试验，抽水试验开始前，控制LED指示灯和蜂鸣器停止声光报警信号，当通过启动抽水操作使地下水水位由h1降为h2时，测温电阻两端的电压为零，控制LED指示灯和蜂鸣器发出声光报警信号，提醒用户抽水试验完成。
8、由测温电阻的阻值计算温度时，分为两段进行计算，当大于等于0℃时，按照公式(1)计算，当温度小于0℃时，按照公式(2)计算，进一步提高温度测量精度。
9、主控电路通过采集ADC模块的两对差分输出，得到测温电阻两端的电压U和参考电阻两端的电压U0，通过卡尔曼滤波算法，对U和U0进行大误差干扰的剔除、修正和数据的平滑滤波，得到U’和U0’，然后根据公式R1＝(U’/U0’)×R0，得到测温电阻的第一阻值R1，进一步提高测温电阻检测的精度。
10、根据用户的需要，可以对补偿电阻Rcom1，Rcom2，….Rcomn进行校正，并把结果保存在主控芯片中，在步骤S11中使用。具体过程为：在-10℃-80℃的范围内分为N个温度段，在N个不同的温度段分别设定一个校正温度，将感知探头传感器放置在校正系统内，打开本两线制水位水温检测仪器，本仪器通过数码管显示温度值，如数码管显示的温度值与校正温度不一致，则通过数值调节按键一和数值调节按键二调整补偿电阻值，并在数码管交替显示补偿电阻值，直到数码管显示的温度与校正温度相同。记录各个温度段对应的补偿电阻Rcom1，Rcom2，….Rcomn，并保存在主控芯片中。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明电路原理框图；
图2为本发明中主控电路原理图；
图3为本发明中比例式温位检测电路原理图；
图4为本发明中LED提醒电路原理图；
图5为本发明中声音提醒电路原理图；
图6为本发明中数码显示电路原理图；
图7为本发明中按键电路原理图；
图8为本发明中电源电路原理图；
图9为本发明两线制水位水温检测方法流程图；
图10为本发明两线制水位水温检测仪器使用方法流程图；
图中：1-主控电路，101-主控芯片，1011-参考电压，2-感知探头传感器，21-浮子式开关，22-测温电阻，3-比例式温位检测电路，31-参考电阻，32-ADC模块，4-LED提醒电路，5-声音提醒电路，6-数码显示电路，7-按键电路，8-两芯刻度电缆，9-电源电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器，包括两芯刻度电缆8，还包括
主控电路1；
感知探头传感器2，包括浮子式开关21，所述感知探头传感器2内设置有测温电阻22，所述测温电阻22的两端与所述浮子式开关21的两端并联，所述测温电阻22的两端与两芯刻度电缆8连接；
比例式温位检测电路3，包括参考电阻31和ADC模块32，
所述ADC模块32包括两对差分输入，所述ADC模块32与所述主控电路1连接，
所述测温电阻22通过两芯刻度电缆8与所述参考电阻31串联，所述测温电阻22远离所述参考电阻31的一端与直流电源连接，所述参考电阻31远离所述测温电阻22的一端与地信号连接，所述测温电阻22的两端分别与所述ADC模块32的一对差分输入连接，所述参考电阻31的两端分别与所述ADC模块32的另一对差分输入连接。
由于测温电阻22的阻值随温度的变化而变化，本发明中将感知探头传感器2放入地下水中，测温电阻22的两端通过两芯刻度电缆8接入比例式温位检测电路3中，通过测量测温电阻22的阻值，可以得到所测地下水的温度。
测温电阻22的两端分别接入ADC模块32的一对差分通道，参考电阻31的两端分别接入ADC模块32的另一对差分通道，流过测温电阻22和参考电阻31的电流相同，记测温电阻22两端的电压为U，电阻为R，参考电阻31两端的电压为U0，阻值为R0，流过测温电阻22和参考电阻31的电流为I，则有如下关系式：
U/U0＝IR/IR0＝R/R0
即R＝U*R0/U0
本发明通过采用比例式温位检测电路3，使水温的测量不受地下水电阻和导线电阻的影响，极大的消除了外部干扰的影响，有利于提高水温的测量精度和本发明的适用性。
同时，浮子式开关21与测温电阻22的两端并联，当位于水位之上时，浮子式开关21闭合，将测温电阻22短路，此时测得测温电阻22两端的电压近似为零，将浮子式开关21继续向下放入井下，当接触到地下水时，浮子式开关21断开，此时测得测温电阻22两端的电压从零跳变为一个大于0.5V的数值，表示浮子式开关21已经到达水下，通过读取刻度电缆上的刻度值，可以得到当前的水位值，因此本发明中水位测量不受地下水电阻和导线电阻的影响。
本发明用两线制实现了地下水位和水温的精确测量，达到了三线制或者四线制才能实现的效果，有利于简化产品结构、在便携式产品中得到广泛应用。
进一步，所述主控电路1包括主控芯片101，所述主控芯片101中内置所述ADC模块32。
本发明中ADC模块32采用主控芯片101内置的方式，有利于进一步简化电路结构、提高测量精度。
进一步，所述参考电阻31两端还与所述ADC模块32的参考电压1011连接。
便携式水位计需要使用电池为整个设备提供直流电源，现有技术中一般通过对电池供电电压的判断来判定是否更换电池，因为不同电池的容量、带载能力等各有不同，在仪器工作的瞬间可能导致电池电压瞬间降低、电池欠压报警，但是电路中各器件工作是正常的，这种情况属于电池欠压误报警。
本发明中参考电阻31两端的电压与直流电源电压存在比例关系，将参考电阻31的两端与ADC模块32的参考电压1011连接，为ADC模块32提供外部基准源，当电池电压异常时，主控芯片101会检测到ADC模块32的参考电压1011异常，进行电池欠压报警，有效避免了电池欠压误报警的情况。同时，无需外加专门的电池电压检测电路，简化了电路结构。
如图3所示，为温位检测电路3原理图，其中测温电阻22型号为铂电阻PT1000，直流电源电压VCC为3.3V，设定本仪器最高测量温度为80℃，则铂电阻最高阻值为1320欧姆，选定R4为2K，R0为5.3K，R4和R0为精度至少为0.1％的精密电阻，以便将电路的电流I＝VCC/(R4+Rpt+R0)限定在400uA以内，剔除自热效应对铂电阻PT1000测温的影响，其中Rpt为铂电阻PT1000的阻值。
同时，主控芯片101为MSP430F4270，内置ADC模块32，R0的两端分别与ADC模块32的参考电压1011VREF连接，为ADC模块提供参考电压，VREF电压为R0*400uA＝2.1V，铂电阻两端的电压最大值为1320*400uA＝0.528V，经ADC模块内部PGA放大4倍后为0.528V*4＝2.112V，与ADC模块的参考电压相等，相当于铂电阻电压在ADC模块的参考电压附近进行采集，而且直流电源、ADC模块的参考电压1011VREF和铂电阻两端电压处于同一通路，具有相同的变化趋势，有利于消除外部干扰，提高测量精度。
进一步，还包括均与所述主控电路1连接的LED提醒电路4、声音提醒电路5和数码显示电路6，
所述LED提醒电路4包括依次连接的第一开关管和LED指示灯，所述第一开关管的基极与所述主控电路1连接，所述第一开关管的发射极与地信号连接，所述第一开关管的集电极与所述LED指示灯的一端连接，所述LED指示灯的另一端与直流电源连接，
所述声音提醒电路5包括依次连接的第二开关管和蜂鸣器，所述第二开关管的基极与所述主控电路1连接，所述第二开关管的发射极与地信号连接，所述第二开关管的集电极与所述蜂鸣器的一端连接，所述蜂鸣器的另一端与直流电源连接。
本发明还设置了LED提醒电路4和声音提醒电路5，当检测到水位到达指定水位时，发出声光报警，提醒工作人员及时控制水泵等设备的启动或停止。
其中，第一开关管用于将主控电路1的控制信号进行放大，以满足LED指示灯的驱动要求；第二开关管用于将主控电路1的控制信号进行放大，以满足蜂鸣器的驱动要求；从而实现声光报警信号的及时准确发出。
本发明中数码显示电路6用于对水温的检测结果进行直观的显示，便于工作人员及时了解检测结果。
进一步，还包括按键电路7，所述按键电路7的一端与地信号连接，另一端与所述主控电路1连接，
所述按键电路7包括并联的多个按键，分别为模式选择按键、校正按键、数值调节按键一和数值调节按键二。
本发明两线制水位水温检测仪器既能实现温位检测，又能进行抽水试验。通过设置按键电路7，可以选择不同的工作模式，工作模式包括：温位检测模式、抽水试验模式和补偿电阻校正模式，按键电路7包括模式选择按键、校正按键、数值调节按键一和数值调节按键二，分别对应图7所示的K1、K2、K3和K4，通过按下对应的按键，即可实现相应模式的操作，结构简单、操作方便。
例如，检测仪器上电启动后，默认进入温位检测模式，当测温电阻22两端电压值由近似为零跳变为大于0.5V时，说明感知探头传感器2接触到水位，浮子开关浮起、将两芯刻度电缆8断开，测温电阻22接入到电路中，测温电阻22两端产生电压值，此时LED提醒电路4和声音提醒电路5发出声光报警，数码管显示温度值，工作人员通过两芯刻度电缆8读取电缆刻度值即为地下水水位值，数码管显示值即为温度值。
在温位检测模式将感知探头传感器2下放到接触地下水的位置后，LED提醒电路4和声音提醒电路5发出声光提醒，数码管显示电路显示地下水的水温，记录此时的地下水水位值h1。此时，按下模式选择按键，进入抽水试验模式，LED提醒电路4和声音提醒电路5停止声光报警，继续向下下放感知探头传感器2至需要的位置，读取此时的刻度电缆，记录地下水水位值h2。开始抽水操作，地下水水位下降至地下水水位h2、漏出感知探头传感器2后，由声光提醒电路发出声光提醒，数码管显示电路熄灭。此时记录和整理抽水试验整个过程的抽水量、水位降深、抽水延续时间，完成抽水试验。
为了提高温度的测量精度，可以根据需要对测温电阻22进行分段校正补偿，称为补偿电阻校正。按下校正按键，进入补偿电阻校正模式。不同的温度段具有不同的电路特性，本电路的电路特性在-10℃-80℃的范围内分为四个温度段。在四个不同的温度段分别设定一个校正温度，将感知探头传感器2放置在校正温度内，校正温度由校正系统模拟，打开本仪器，数码管显示温度值，如数码管显示的温度值与校正温度不一致，则通过数值调节按键一和数值调节按键二调整补偿电阻值，并在数码管交替显示补偿电阻值，直到数码管显示的温度与校正温度相同。此时分别记录并通过主控芯片101的Flash保存四个温度段的补偿电阻Rcom1、Rcom2、Rcom3和Rcom4，完成补偿电阻校正。
实施例二
一种两线制水位水温与抽水试验检测方法，所述两线制水位水温检测仪器包括主控芯片101、LED指示灯和蜂鸣器，包括
S1：获得测温电阻22两端的电压，所述测温电阻22两端的电压由比例式温位检测电路3得到，当所述测温电阻22位于水位之上时，所述浮子式开关21闭合，所述测温电阻22两端的电压为零，当所述测温电阻22经两芯刻度电缆8放入地下水之中时，所述浮子式开关21断开，所述测温电阻22两端的电压大于0.5V；
S2：根据测温电阻22两端的电压，当所述测温电阻22两端的电压由零跳变为大于0.5V时，控制LED指示灯和蜂鸣器发出声光报警信号，所述声光报警信号用于提醒用户读取两芯刻度电缆8，从而得到当前水位值h1；
S3：根据测温电阻22两端的电压，得到测温电阻22的第一阻值R1；
S4：将-10℃-80℃分为-10℃-10℃、10℃-40℃、40℃-60℃、60℃-80℃四个温度段，对第一阻值R1进行分段补偿，得到每个温度段对应的第二阻值R21，R22，R23，R24，
R21＝R1-Rcom1；
R22＝R1-Rcom2；
R23＝R1-Rcom3；
R24＝R1-Rcom4；
其中，Rcom1，Rcom2，Rcom3，Rcom4为每个温度段对应的补偿电阻，预先存储在主控芯片101中。
S5：用最小二乘法，对第二阻值R21，R22，R23，R24分别进行拟合回归计算，得到第三阻值R31，R32，R33，R34，具体为：
R31＝A1×R21×R21+B1×R21+C1
R32＝A2×R22×R22+B2×R22+C2
R33＝A3×R23×R23+B3×R23+C3
R34＝A4×R24×R24+B4×R24+C4
其中，A1，B1，C1，A2，B2，C2，A3，B3，C3，A4，B4，C4均为常系数，预先存储在主控芯片101中，A1，B1，C1，A2，B2，C2，A3，B3，C3，A4，B4，C4的计算过程相同，A1，B1，C1的计算过程为
用阻值为Rref1，Rref2，Rref3的精密电阻箱依次代替测温电阻22接入比例式温位检测电路3，得到精密电阻箱的测量值Rce1，Rce2，Rce3，采用一元二次方程作为拟合回归方程，利用最小二乘法对(Rref1，Rce1)、(Rref2，Rce2)(Rref3，Rce3)三个数组进行拟合回归，得到A1，B1，C1。
S6：根据第三阻值R31，R32，R33，R34，得到最终的温度T。
本发明还提出了一种两线制水位水温与抽水试验检测方法，主控电路1实时读取测温电阻22两端的电压，当测温电阻22两端电压值由近似为零跳变为大于0.5V时，说明感知探头传感器2接触到水位，此时控制LED提醒电路4和声音提醒电路5发出声光报警，工作人员通过读取两芯刻度电缆8得到地下水水位值。
首先由测温电阻22两端的电压得到测温电阻22的第一阻值R1，然后在-10℃-80℃内，分为四个温度段，对第一阻值R1进行分段补偿，得到每个温度段对应的第二阻值R21，R22，R23，R24；之后用最小二乘法，对第二阻值R21，R22，R23，R24分别进行拟合回归计算，得到第三阻值R31，R32，R33，R34；再由第三阻值R31，R32，R33，R34得到最终的温度T。
通过上述校正过程，使得本仪器对地下水温度的测量精度达到±0.1℃，用两线制的方式达到了四线制测量方式才能达到的测量精度。
进一步，S6之后还包括
S7：获得当前的工作模式，所述工作模式由主控电路1根据按键的输入信号得到，包括温位检测模式、抽水试验模式和补偿电阻校正模式；
S8：如果工作模式为抽水试验，则控制LED指示灯和蜂鸣器停止声光报警信号；否则，进入温位检测模式；
S9：获得测温电阻22两端的电压，当通过抽水试验使地下水水位由h1降为h2时，测温电阻22两端的电压为零，控制LED指示灯和蜂鸣器发出声光报警信号，所述声光报警信号用于提醒用户抽水试验完成。
通过按键电路7选择工作模式，本发明还可以在温位检测之后进行抽水试验，抽水试验开始前，控制LED指示灯和蜂鸣器停止声光报警信号，当通过启动抽水操作使地下水水位由h1降为h2时，测温电阻22两端的电压为零，控制LED指示灯和蜂鸣器发出声光报警信号，提醒用户抽水试验完成。
进一步，步骤S6包括
S61：根据第三阻值R31，R32，R33，R34，分别得到第一RTD温度TRTD1，TRTD2，TRTD3，TRTD4，
Figure BDA0002356023710000141
其中，RTD0为测温电阻22在0℃时的阻值，A＝3.9083×10-3，B＝-5.775×10-7，C＝-4.23225×10-12，
S62：如果TRTD1，TRTD2，TRTD3，TRTD4均大于等于零，则以TRTD1，TRTD2，TRTD3，TRTD4所在的温度段序号对应的第一RTD温度作为最终的温度T，例如TRTD1，TRTD2，TRTD3，TRTD4均在第三个温度段的范围内，则以TRTD3作为最终的温度T；如果TRTD1，TRTD2，TRTD3，TRTD4均小于零，则按照下式(4)计算第二RTD温度TRTD1'，TRTD2'，TRTD3'，TRTD4'，且以TRTD1'，TRTD2'，TRTD3'，TRTD4'所在的温度段序号对应的第二RTD温度作为最终的温度T，例如TRTD1'，TRTD2'，TRTD3'，TRTD4'均在第二个温度段的范围内，则以TRTD2'作为最终的温度T。
Figure BDA0002356023710000142
上述温度计算过程分为两段进行，当大于等于0℃时，按照公式(3)计算，当温度小于0℃时，按照公式(4)计算，进一步提高温度测量精度。
进一步，步骤S3包括
S30：获得测温电阻22两端的电压U和参考电阻31两端的电压U0，测温电阻22两端的电压U和参考电阻31两端的电压U0均为主控电路1读取ADC模块32的输出得到；；
S31：采用卡尔曼滤波算法，分别对测温电阻22两端的电压U和参考电阻31两端的电压U0进行过程相同的滤波，得到测温电阻22两端的电压U’和参考电阻31两端的电压U0’，其中测温电阻22两端的电压U的滤波过程具体为：
S311：获得k-1时刻电压U的最优电压值X(k-1|k-1)的初始值X(0|0)、k-1时刻的误差协方差P(k-1|k-1)的初始值P(0|0)＝0.05、过程噪声Q的初始值Q0＝0.004和测量噪声R的初始值R0＝0.1；
S312：根据X(k-1|k-1)得到k时刻系统状态值X(k|k-1)，
X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)
其中，A＝1；
S313：根据k-1时刻的误差协方差P(k-1|k-1)和过程噪声Q，得到k时刻误差协方差P(k|k-1)：
P(k|k-1)＝P(k-1|k-1)+Q
S314：根据k时刻误差协方差P(k|k-1)和测量噪声R，计算当前卡尔曼增益Kg(k)：
Kg(k)＝P(k|k-1)/(P(k|k-1)+R)
S315：获得k时刻VA0+测量值Z(k)，根据Z(k)、卡尔曼增益Kg(k)和k时刻系统状态值X(k|k-1)得出k时刻最优值X(k|k)，
X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k)((Z(k)-X(k|k-1))
S316：根据卡尔曼增益Kg(k)和k时刻误差协方差P(k|k-1)得到
P(k|k)＝(1-Kg(k))P(k|k-1)
S317：将步骤S316中得到的P(k|k)赋给P(k|k-1)，执行步骤S312～S317。
S33：根据测温电阻22两端的电压U’、参考电阻31两端的电压U0’和参考电阻31的阻值R0，得到测温电阻22的第一阻值，
R1＝(U’/U0’)×R0
主控电路1通过采集ADC模块32的两对差分输出，得到测温电阻22两端的电压U和参考电阻31两端的电压U0，通过卡尔曼滤波算法，对U和U0进行大误差干扰的剔除、修正和数据的平滑滤波，得到U’和U0’，然后根据公式R1＝(U’/U0’)×R0，得到测温电阻22的第一阻值R1，进一步提高测温电阻22检测的精度。
进一步，步骤S4中补偿电阻Rcom1，Rcom2，Rcom3，Rcom4的设置步骤相同，其中补偿电阻Rcom1的设置步骤包括：
S41：确定第一个温度段的校正温度Tref1；
S42：设置校正系统的温度为Tref1，将将感知探头传感器设置在校正系统中；
S43：启动两线制水位水温检测仪器，主控电路1通过温位检测电路3读取到当前温度值Tche1，并通过数码显示电路6显示；
S44：如果Tche1与Tref1不一致，则通过数码管显示电路调整补偿电阻Rcom1的值，直到Tche1与Tref1相同；
S45：存储补偿电阻Rcom1的值到主控芯片101中。
根据用户的需要，可以在进行水位水温检测之前，对补偿电阻Rcom1，Rcom2，Rcom3，Rcom4进行校正，并把结果保存在主控芯片101中，在步骤S11中使用。具体过程为：在-10℃-80℃的范围内分为四个温度段，在四个不同的温度段分别设定一个校正温度，将感知探头传感器2放置在校正系统内，打开本两线制水位水温检测仪器，本仪器通过数码管显示温度值，如数码管显示的温度值与校正温度不一致，则通过按键调整补偿电阻值，并在数码管交替显示补偿电阻值，直到数码管显示的温度与校正温度相同。记录各个温度段对应的补偿电阻Rcom1，Rcom2，Rcom3，Rcom4，并保存在主控芯片101中。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器，包括两芯刻度电缆(8)，其特征在于：还包括
主控电路(1)；
感知探头传感器(2)，包括浮子式开关(21)，所述感知探头传感器(2)内设置有测温电阻(22)，所述测温电阻(22)的两端与所述浮子式开关(21)的两端并联，所述测温电阻(22)的两端与两芯刻度电缆(8)连接；
比例式温位检测电路(3)，包括参考电阻(31)和ADC模块(32)，
所述ADC模块(32)包括两对差分输入，所述ADC模块(32)与所述主控电路(1)连接，
所述测温电阻(22)通过两芯刻度电缆(8)与所述参考电阻(31)串联，所述测温电阻(22)远离所述参考电阻(31)的一端与直流电源连接，所述参考电阻(31)远离所述测温电阻(22)的一端与地信号连接，所述测温电阻(22)的两端分别与所述ADC模块(32)的一对差分输入连接，所述参考电阻(31)的两端分别与所述ADC模块(32)的另一对差分输入连接。
2.根据权利要求1所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器，其特征在于：所述主控电路(1)包括主控芯片(101)，所述主控芯片(101)中内置所述ADC模块(32)。
3.根据权利要求2所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器，其特征在于：所述参考电阻(31)两端分别与ADC模块(32)参考电压(1011)的两端连接。
4.根据权利要求1所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器，其特征在于：还包括均与所述主控电路(1)连接的LED提醒电路(4)、声音提醒电路(5)和数码显示电路(6)，
所述LED提醒电路(4)包括依次连接的第一开关管和LED指示灯，所述第一开关管的基极与所述主控电路(1)连接，所述第一开关管的发射极与地信号连接，所述第一开关管的集电极与所述LED指示灯的一端连接，所述LED指示灯的另一端与直流电源连接。
所述声音提醒电路(5)包括依次连接的第二开关管和蜂鸣器，所述第二开关管的基极与所述主控电路(1)连接，所述第二开关管的发射极与地信号连接，所述第二开关管的集电极与所述蜂鸣器的一端连接，所述蜂鸣器的另一端与直流电源连接。
5.根据权利要求1所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器，其特征在于：还包括按键电路(7)，所述按键电路(7)的一端与地信号连接，另一端与所述主控电路(1)连接，
所述按键电路(7)包括并联的多个按键，分别为模式选择按键、校正按键、数值调节按键一和数值调节按键二。
6.一种两线制水位水温与抽水试验检测方法，应用于权利要求1～5任一项所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测仪器，所述两线制水位水温检测仪器包括主控芯片、LED指示灯和蜂鸣器，其特征在于，包括
S1：获得测温电阻两端的电压，所述测温电阻两端的电压由比例式温位检测电路得到，当所述测温电阻位于水位之上时，所述浮子式开关闭合，所述测温电阻两端的电压为零，当所述测温电阻经两芯刻度电缆放入地下水之中时，所述浮子式开关断开，所述测温电阻两端的电压大于0.5V；
S2：根据测温电阻两端的电压，当所述测温电阻两端的电压由零跳变为大于0.5V时，控制LED指示灯和蜂鸣器发出声光报警信号，所述声光报警信号用于提醒用户读取两芯刻度电缆，从而得到当前水位值h1；
S3：根据测温电阻两端的电压，得到测温电阻的第一阻值R1；
S4：将-10℃-80℃分为N个温度段，对第一阻值R1进行分段补偿，得到每个温度段对应的第二阻值R21，R22，…R2n，n为温度段序号，n＝1，2，…N，N>＝1，
R21＝R1-Rcom1；
R22＝R1-Rcom2；
Figure FDA0002356023700000021
R2n＝R1-Rcomn；
其中，Rcom1，Rcom2，….Rcomn为每个温度段对应的补偿电阻，预先存储在主控芯片中。
S5：用最小二乘法，对第二阻值R21，R22…R2n分别进行拟合回归计算，得到第三阻值R31，R32…R3n，具体为：
R31＝A1×R21×R21+B1×R21+C1
R32＝A2×R22×R22+B2×R22+C2
Figure FDA0002356023700000022
R3n＝An×R2n×R2n+Bn×R2n+Cn
其中，A1，B1，C1，A2，B2，C2，…，An，Bn，Cn均为常系数，预先存储在主控芯片中，A1，B1，C1，A2，B2，C2，…，An，Bn，Cn的计算过程相同，A1，B1，C1的计算过程为
用阻值为Rref1，Rref2，Rref3的精密电阻箱依次代替测温电阻接入比例式温位检测电路，得到精密电阻箱的测量值Rce1，Rce2，Rce3，采用一元二次方程作为拟合回归方程，利用最小二乘法对(Rref1，Rce1)、(Rref2，Rce2)(Rref3，Rce3)三个数组进行拟合回归，得到A1，B1，C1。
S6：根据第三阻值R31，R32…R3n，得到最终的温度T。
7.根据权利要求6所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测方法，其特征在于，S6之后还包括
S7：获得当前的工作模式，所述工作模式由主控电路根据按键电路的输入信号得到，包括温位检测模式、抽水试验模式和补偿电阻校正模式；
S8：如果工作模式为抽水试验，则控制LED指示灯和蜂鸣器停止声光报警信号；否则，进入温位检测模式；
S9：获得测温电阻两端的电压，当通过抽水试验使地下水水位由h1降为h2时，测温电阻两端的电压为零，控制LED指示灯和蜂鸣器发出声光报警信号，所述声光报警信号用于提醒用户抽水试验完成。
8.根据权利要求6所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测方法，其特征在于，步骤S6包括
S61：根据第三阻值R31，R32…R3n分别得到第一RTD温度TRTD1，TRTD2，…TRTDn，
Figure FDA0002356023700000031
其中，RTD0为测温电阻在0℃时的阻值，A＝3.9083×10-3，B＝-5.775×10-7，C＝-4.23225×10-12，
S62：如果TRTD1，TRTD2，…TRTDn均大于等于零，则以TRTD1，TRTD2，…TRTDn所在的温度段序号对应的第一RTD温度作为最终的温度T；如果TRTD1，TRTD2，…TRTDn均小于零，则按照下式(2)计算第二RTD温度TRTD1'，TRTD2'，…TRTDn'，且以TRTD1'，TRTD2'，…TRTDn'所在的温度段序号对应的第二RTD温度作为最终的温度T，
Figure FDA0002356023700000041
9.根据权利要求6所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测方法，其特征在于，步骤S3包括
S30：获得测温电阻两端的电压U和参考电阻两端的电压U0，测温电阻两端的电压U和参考电阻两端的电压U0均为主控电路读取ADC模块的输出得到；；
S31：采用卡尔曼滤波算法，分别对测温电阻两端的电压U和参考电阻两端的电压U0进行过程相同的滤波，得到测温电阻两端的电压U’和参考电阻两端的电压U0’，其中测温电阻两端的电压U的滤波过程具体为：
S311：获得k-1时刻电压U的最优值X(k-1|k-1)的初始值X(0|0)、k-1时刻的误差协方差P(k-1|k-1)的初始值P(0|0)、过程噪声Q的初始值Q0和测量噪声R的初始值R0；
S312：根据X(k-1|k-1)得到k时刻系统状态值X(k|k-1)，
X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)
S313：根据k-1时刻的误差协方差P(k-1|k-1)和过程噪声Q，得到k时刻误差协方差P(k|k-1)：
P(k|k-1)＝P(k-1|k-1)+Q
S314：根据k时刻误差协方差P(k|k-1)和测量噪声R，计算当前卡尔曼增益Kg(k)：
Kg(k)＝P(k|k-1)/(P(k|k-1)+R)
S315：获得k时刻VA0+测量值Z(k)，根据Z(k)、卡尔曼增益Kg(k)和k时刻系统状态值X(k|k-1)得出k时刻最优值X(k|k)，
X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k)((Z(k)-X(k|k-1))
S316：根据卡尔曼增益Kg(k)和k时刻误差协方差P(k|k-1)得到
P(k|k)＝(1-Kg(k))P(k|k-1)
S317：将步骤S316中得到的P(k|k)赋给P(k|k-1)，执行步骤S312～S317。
S33：根据测温电阻两端的电压U’、参考电阻两端的电压U0’和参考电阻的阻值R0，得到测温电阻的第一阻值，
R1＝(U’/U0’)×R0。
10.根据权利要求6所述的一种两线制水位水温与抽水试验检测方法，其特征在于，步骤S4中补偿电阻Rcom1，Rcom2，….Rcomn的设置步骤相同，其中补偿电阻Rcom1的设置步骤包括：
S41：确定第一个温度段的校正温度Tref1；
S42：设置校正系统的温度为Tref1，将将感知探头传感器设置在校正系统中；
S43：启动两线制水位水温检测仪器，主控电路通过比例式温位检测电路读取到当前温度值Tche1，并通过数码显示电路显示；
S44：如果Tche1与Tref1不一致，则通过数码管显示电路调整补偿电阻Rcom1的值，直到Tche1与Tref1相同；
S45：存储补偿电阻Rcom1的值到主控芯片中。
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