CN115790724A - 水位流速流量监测一体化监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水位流速流量监测一体化监测系统及方法，涉及水利和水文监测设备技术领域，包括控制模块，其特征在于，所述控制模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一晶振。本发明解决超声波的监测需要采用外置晶体管驱动进行启振后，需要通过超声波接收器进行频率调谐的问题。

Description

水位流速流量监测一体化监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水利和水文监测设备技术领域，特别涉及水位流速流量监测一体化监测系统及方法。

背景技术

监测控制河道的水位和流量是水利防洪抗洪工作不可缺少的工作，在监测时，将监测设备置于检测点，启动设备后，通过设备内发射超声波照射并接收其回波，根据接收回波进行分析，以获得水面至超声波发射点的距离、距离变化率、方位、高度等信息，而现有技术中，超声波的监测需要采用外置晶体管驱动进行启振，并对超声波接收器进行频率调谐，因调谐电路经谐振电路选频后，利用变压器互感进行输出，当持续电路不稳定时，会导致发射的振荡频率和接收的频率不一致，测量出现误差，因此需要进行计算或对信号进行补偿。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供水位流速流量监测一体化监测系统，包括控制模块，所述控制模块包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一三极管D1、第二三极管D2、第三三极管D3、第四三极管D4、第一晶振X1，所述第一电阻R1一端和电源连接，另一端和第二运算放大器U2反相端、第二电阻R2一端连接，第二电阻R2另一端和第一运算放大器U1同相端、第三电阻R3一端连接，第三电阻R3另一端和接地端连接，第二运算放大器U2同相端和第一运算放大器U1反相端连接，第二运算放大器U2输出端和第一三极管D1基极连接，第一三极管D1集电极和电源连接，第一三极管D1发射极和第四电阻R4一端连接，第四电阻R4另一端和第二三极管D2基极、第五电阻R5一端连接，第五电阻R5另一端和第三三极管D3集电极连接，第二三极管D2集电极和第六电阻R6一端、第七电阻R7一端、第一晶振X1一端连接，第二三极管D2发射极和接地端连接，第七电阻R7另一端和第八电阻R8一端、电源连接，第三三极管D3集电极和第八电阻R8另一端、第一晶振X1另一端连接，第三三极管D3基极和第四三极管D4发射极连接，第三三极管D3发射极和接地端连接，第四三极管D4集电极和电源连接，第四三极管D4基极和第一运算放大器U1输出端连接：

为防止超声波需要外接晶体管驱动进行启振，先设置第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3进行串联分压，将第一电阻R1与第二电阻R2之间与第一运算放大器U1反相端连接，第二电阻R2与第三电阻R3与第一运算放大器U1同相端连接，保证第二运算放大器U2反相端电压信号大于第一运算放大器U1同相端，振荡时，对第一运算放大器U1反相端和第二运算放大器U2同相端提供振荡前的频率设置信号，第一运算放大器U1和第二运算放大器U2将同相端和反相端进行差分，并反差分振荡信号到输出端，频率设置信号由升压电路提供，升压起始阶段时，第一运算放大器U1反相端电压信号小于第一运算放大器U1同相端，第一运算放大器U1输出端反馈信号到第四三极管D4基极，第四三极管D4导通，电源你信号经第四三极管D4集电极、发射极后分两路到达第三三极管D3基极和第七电阻R7，到达第三三极管D3基极使第三三极管D3导通，到达第七电阻R7的电压信号因第四三极管D4发射极电位大于电源信号到达第七电阻R7的电位，同时第七电阻R7电位差大于第一晶振X1电位差，电源信号到达第一晶振X1进行启振，随第一运算放大器U1反相端等于或大于第一运算放大器U1同相端时，第四三极管D4截止：

考虑到启振时，第一运算放大器U1和第二运算放大器U2输出端处于信号死区区间时，会导致第一晶振X1停止启振过程，设置第八电阻R8，第四三极管D4发射极到达第七电阻R7时，先经第八电阻R8，当第四三极管D4截止后，第八电阻R8对第七电阻R7反馈到第三三极管D3的信号进行上拉，保证第一晶振X1持续启振，随第二运算放大器U2同相端大于第二运算放大器U2反相端时，第二运算放大器U2输出端输出信号到第一三极管D1基极，第一三极管D1导通，电源信号经第一三极管D1发射极、第四电阻R4、到达第二三极管D2基极和第五电阻R5，第二三极管D2导通，电源经第七电阻R7的信号经第二三极管D2发射极到接地端形成回路，第一晶振X1电位差下降停止，同时到达第五电阻R5的信号到达第一晶振X1另一端，因第四三极管D4截止，第一晶振X1振荡，设置第五电阻R5防止电源信号经第八电阻R8后到达第二三极管D2基极形成回流，导致第一晶振X1另一端电位下降无法振荡。

进一步的，所述控制模块还包括第一继电器K1、第九电阻R9、第十电位器R10、第一电容C1，所述第一继电器K1线圈一端第一晶振X1一端连接，第一继电器K1线圈另一端和接地端连接，第一继电器K1常闭辅助触点一端和电源连接，第一继电器K1常闭辅助触点另一端和第一继电器K1常开辅助触点一端、第九电阻R9一端连接，第一继电器K1常开辅助触点另一端和接地端连接，第九电阻R9另一端和第十电位器R10一端连接，第十电位器R10另一端和接地端连接，第十电位器R10抽头端和第一电容C1一端连接，第一电容C1另一端和接地端连接：

为防止频率设置信号需要外设以及外设后不便于调节，让经过第五电阻R5的信号到达第一晶振X1另一端的同时，经第一继电器K1线圈，第一继电器K1两组辅助触点跳变，第一继电器K1常闭辅助触点断开，第一继电器K1常开辅助触点闭合，第一电容C1信号经第九电阻R9、第一继电器K1常开触点或第十电位器R10形成回路，反之，电源信号经第九电阻R9、第十电位器R10一端、第十电位器R10抽头端、第一电容C1一端，经第一电阻R1抽头端的信号先经第一电容C1进行升压，实现对第一运算放大器U1反相端和第二运算放大器U2同相端的信号延时，调节时，通过调整第十电位器R10旋钮，改变第十电位器R10两端距第十电位器R10抽头端的分压比，进而调节第一电容C1升压充能的时长，既第一运算放大器U1反相端和第二运算放大器U2同相端的延时时间，实现内置启振的频率调节。

进一步的，所述控制模块还包括第十一电阻R11、第十二电阻R12，所述第十一电阻R11一端和第一运算放大器U1输出端连接，另一端和电源、第十二电阻R12一端连接，第十二电阻R12另一端和第二运算放大器U2输出端、第一三极管D1基极连接：

为防止内置振荡时第一运算放大器U1和第二运算放大器U2其一在输出时，导致电源信号过流损坏第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第四三极管D4、第一三极管D1，设置第十一电阻R11和第十二电阻R12进行限流。

进一步的，所述控制模块还包括第五发光二极管D5、第六发光二极管D6，所述第五发光二极管D5阳极和阴极分别串接在第三三极管D3集电极和第一晶振X1另一端，第六发光二极管D6阳极和阴极分别串接在第二三极管D2集电极和第一晶振X1一端：

为防止无法提供频率检测接口，同时外置检测对第一晶振X1进行干扰，设置第五发光二极管D5和第六发光二极管D6提供振荡频率检测接口，需要连接时，通过第五发光二极管D5和第六发光二极管D6与检测电路的光电三极管光耦合，实现信号隔离，防止第一晶振X1两端外置接口后检测电路造成信号干扰。

进一步的，所述控制模块还包括第十三电阻R13，所述第十三电阻R13两端串接在第四三极管D4发射极和第三三极管D3集电极之间：

为防止电源供电波动时，第三三极管D3故障，设置第十三电阻R13防止第四三极管D4发射极电位低于第三三极管D3基极时第三三极管D3无导通。

进一步的，所述控制模块还包括第七PMOS管D7、第十三电阻R13、第一输入端IN1，所述第七PMOS管D7漏极和源极分别串接在第一运算放大器U1反相端和第十电位器R10抽头端之间，第七PMOS管D7栅极和第十三电阻R13一端连接，第十三电阻R13另一端和第一输入端IN1连接：

为防止电路故障时，持续振荡损坏电路，使第一电容C1信号先经第七PMOS管D7源极、漏极后到达第一运算放大器U1反相端，第一输入端IN1接收故障信号，信号经第十三电阻R13到达第七PMOS管D7栅极，使第七PMOS管D7栅极到源极电源到达截止正压差，第七PMOS管D7截止。

进一步的，所述第十电位器R10为数字电位器：

为防止电位器被故意或意外调节，设置数字电位器，控制方式属于现有技术，不做阐述。

进一步的，所述控制模块还包括接收单元、分析单元、成像单元，接收单元用于接收水面回波，并反馈到分析单元进行分析，成像单元对分析后数据进行成像。

进一步的，水位流速流量监测一体化监测系统的方法，其步骤如下：

步骤1：将监测设备置于检测点，并启动设备，通过设备内发射超声波照射并接收其回波;

步骤2：根据接收回波，基于多普勒效应计算公式对其回波进行分析;

步骤3：分析此数据以获得水面至超声波发射点的距离、距离变化率、方位、高度信息;

步骤4：将分析的数据进行成像处理。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

无需外接晶体管驱动晶振，防止振荡过程中因信号振荡信号的正负切换存在的死区导致停止启振荡，提供内置的频率调节功能，便于调节，以及提振荡频率的检测接口，且检测结构可防止外接的信号干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的水位流速流量监测一体化监测系统的控制模块电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明，应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

参阅附图1，本发明是提供水位流速流量监测一体化监测系统，包括控制模块，所述控制模块包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一三极管D1、第二三极管D2、第三三极管D3、第四三极管D4、第一晶振X1，所述第一电阻R1一端和电源连接，另一端和第二运算放大器U2反相端、第二电阻R2一端连接，第二电阻R2另一端和第一运算放大器U1同相端、第三电阻R3一端连接，第三电阻R3另一端和接地端连接，第二运算放大器U2同相端和第一运算放大器U1反相端连接，第二运算放大器U2输出端和第一三极管D1基极连接，第一三极管D1集电极和电源连接，第一三极管D1发射极和第四电阻R4一端连接，第四电阻R4另一端和第二三极管D2基极、第五电阻R5一端连接，第五电阻R5另一端和第三三极管D3集电极连接，第二三极管D2集电极和第六电阻R6一端、第七电阻R7一端、第一晶振X1一端连接，第二三极管D2发射极和接地端连接，第七电阻R7另一端和第八电阻R8一端、电源连接，第三三极管D3集电极和第八电阻R8另一端、第一晶振X1另一端连接，第三三极管D3基极和第四三极管D4发射极连接，第三三极管D3发射极和接地端连接，第四三极管D4集电极和电源连接，第四三极管D4基极和第一运算放大器U1输出端连接：

为防止超声波需要外接晶体管驱动进行启振，先设置第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3进行串联分压，将第一电阻R1与第二电阻R2之间与第一运算放大器U1反相端连接，第二电阻R2与第三电阻R3与第一运算放大器U1同相端连接，保证第二运算放大器U2反相端电压信号大于第一运算放大器U1同相端，振荡时，对第一运算放大器U1反相端和第二运算放大器U2同相端提供振荡前的频率设置信号，第一运算放大器U1和第二运算放大器U2将同相端和反相端进行差分，并反差分振荡信号到输出端，频率设置信号由升压电路提供，升压起始阶段时，第一运算放大器U1反相端电压信号小于第一运算放大器U1同相端，第一运算放大器U1输出端反馈信号到第四三极管D4基极，第四三极管D4导通，电源你信号经第四三极管D4集电极、发射极后分两路到达第三三极管D3基极和第七电阻R7，到达第三三极管D3基极使第三三极管D3导通，到达第七电阻R7的电压信号因第四三极管D4发射极电位大于电源信号到达第七电阻R7的电位，同时第七电阻R7电位差大于第一晶振X1电位差，电源信号到达第一晶振X1进行启振，随第一运算放大器U1反相端等于或大于第一运算放大器U1同相端时，第四三极管D4截止：

考虑到启振时，第一运算放大器U1和第二运算放大器U2输出端处于信号死区区间时，会导致第一晶振X1停止启振过程，设置第八电阻R8，第四三极管D4发射极到达第七电阻R7时，先经第八电阻R8，当第四三极管D4截止后，第八电阻R8对第七电阻R7反馈到第三三极管D3的信号进行上拉，保证第一晶振X1持续启振，随第二运算放大器U2同相端大于第二运算放大器U2反相端时，第二运算放大器U2输出端输出信号到第一三极管D1基极，第一三极管D1导通，电源信号经第一三极管D1发射极、第四电阻R4、到达第二三极管D2基极和第五电阻R5，第二三极管D2导通，电源经第七电阻R7的信号经第二三极管D2发射极到接地端形成回路，第一晶振X1电位差下降停止，同时到达第五电阻R5的信号到达第一晶振X1另一端，因第四三极管D4截止，第一晶振X1振荡，设置第五电阻R5防止电源信号经第八电阻R8后到达第二三极管D2基极形成回流，导致第一晶振X1另一端电位下降无法振荡。

具体地，所述控制模块还包括第一继电器K1、第九电阻R9、第十电位器R10、第一电容C1，所述第一继电器K1线圈一端第一晶振X1一端连接，第一继电器K1线圈另一端和接地端连接，第一继电器K1常闭辅助触点一端和电源连接，第一继电器K1常闭辅助触点另一端和第一继电器K1常开辅助触点一端、第九电阻R9一端连接，第一继电器K1常开辅助触点另一端和接地端连接，第九电阻R9另一端和第十电位器R10一端连接，第十电位器R10另一端和接地端连接，第十电位器R10抽头端和第一电容C1一端连接，第一电容C1另一端和接地端连接：

为防止频率设置信号需要外设以及外设后不便于调节，让经过第五电阻R5的信号到达第一晶振X1另一端的同时，经第一继电器K1线圈，第一继电器K1两组辅助触点跳变，第一继电器K1常闭辅助触点断开，第一继电器K1常开辅助触点闭合，第一电容C1信号经第九电阻R9、第一继电器K1常开触点或第十电位器R10形成回路，反之，电源信号经第九电阻R9、第十电位器R10一端、第十电位器R10抽头端、第一电容C1一端，经第一电阻R1抽头端的信号先经第一电容C1进行升压，实现对第一运算放大器U1反相端和第二运算放大器U2同相端的信号延时，调节时，通过调整第十电位器R10旋钮，改变第十电位器R10两端距第十电位器R10抽头端的分压比，进而调节第一电容C1升压充能的时长，既第一运算放大器U1反相端和第二运算放大器U2同相端的延时时间，实现内置启振的频率调节。

具体地，所述控制模块还包括第十一电阻R11、第十二电阻R12，所述第十一电阻R11一端和第一运算放大器U1输出端连接，另一端和电源、第十二电阻R12一端连接，第十二电阻R12另一端和第二运算放大器U2输出端、第一三极管D1基极连接：

为防止内置振荡时第一运算放大器U1和第二运算放大器U2其一在输出时，导致电源信号过流损坏第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第四三极管D4、第一三极管D1，设置第十一电阻R11和第十二电阻R12进行限流。

具体地，所述控制模块还包括第五发光二极管D5、第六发光二极管D6，所述第五发光二极管D5阳极和阴极分别串接在第三三极管D3集电极和第一晶振X1另一端，第六发光二极管D6阳极和阴极分别串接在第二三极管D2集电极和第一晶振X1一端：

为防止无法提供频率检测接口，同时外置检测对第一晶振X1进行干扰，设置第五发光二极管D5和第六发光二极管D6提供振荡频率检测接口，需要连接时，通过第五发光二极管D5和第六发光二极管D6与检测电路的光电三极管光耦合，实现信号隔离，防止第一晶振X1两端外置接口后检测电路造成信号干扰。

具体地，所述控制模块还包括第十三电阻R13，所述第十三电阻R13两端串接在第四三极管D4发射极和第三三极管D3集电极之间：

为防止电源供电波动时，第三三极管D3故障，设置第十三电阻R13防止第四三极管D4发射极电位低于第三三极管D3基极时第三三极管D3无导通。

具体地，所述控制模块还包括第七PMOS管D7、第十三电阻R13、第一输入端IN1，所述第七PMOS管D7漏极和源极分别串接在第一运算放大器U1反相端和第十电位器R10抽头端之间，第七PMOS管D7栅极和第十三电阻R13一端连接，第十三电阻R13另一端和第一输入端IN1连接：

为防止电路故障时，持续振荡损坏电路，使第一电容C1信号先经第七PMOS管D7源极、漏极后到达第一运算放大器U1反相端，第一输入端IN1接收故障信号，信号经第十三电阻R13到达第七PMOS管D7栅极，使第七PMOS管D7栅极到源极电源到达截止正压差，第七PMOS管D7截止。

具体地，所述第十电位器R10为数字电位器：

为防止电位器被故意或意外调节，设置数字电位器，控制方式属于现有技术，不做阐述。

具体地，所述控制模块还包括接收单元、分析单元、成像单元，接收单元用于接收水面回波，并反馈到分析单元进行分析，成像单元对分析后数据进行成像。

具体地，水位流速流量监测一体化监测系统的方法，其步骤如下：

步骤1：将监测设备置于检测点，并启动设备，通过设备内发射超声波照射并接收其回波;

步骤2：根据接收回波，基于多普勒效应计算公式对其回波进行分析;

步骤3：分析此数据以获得水面至超声波发射点的距离、距离变化率、方位、高度信息;

步骤4：将分析的数据进行成像处理。

Claims (9)

1.水位流速流量监测一体化监测系统，包括控制模块，其特征在于，所述控制模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一晶振，所述第一电阻一端和电源连接，另一端和第二运算放大器反相端、第二电阻一端连接，第二电阻另一端和第一运算放大器同相端、第三电阻一端连接，第三电阻另一端和接地端连接，第二运算放大器同相端和第一运算放大器反相端连接，第二运算放大器输出端和第一三极管基极连接，第一三极管集电极和电源连接，第一三极管发射极和第四电阻一端连接，第四电阻另一端和第二三极管基极、第五电阻一端连接，第五电阻另一端和第三三极管集电极连接，第二三极管集电极和第六电阻一端、第七电阻一端、第一晶振一端连接，第二三极管发射极和接地端连接，第七电阻另一端和第八电阻一端、电源连接，第三三极管集电极和第八电阻另一端、第一晶振另一端连接，第三三极管基极和第四三极管发射极连接，第三三极管发射极和接地端连接，第四三极管集电极和电源连接，第四三极管基极和第一运算放大器输出端连接。

2.根据权利要求1所述的水位流速流量监测一体化监测系统，其特征在于，所述控制模块还包括第一继电器、第九电阻、第十电位器、第一电容，所述第一继电器线圈一端第一晶振一端连接，第一继电器线圈另一端和接地端连接，第一继电器常闭辅助触点一端和电源连接，第一继电器常闭辅助触点另一端和第一继电器常开辅助触点一端、第九电阻一端连接，第一继电器常开辅助触点另一端和接地端连接，第九电阻另一端和第十电位器一端连接，第十电位器另一端和接地端连接，第十电位器抽头端和第一电容一端连接，第一电容另一端和接地端连接。

3.根据权利要求1所述的水位流速流量监测一体化监测系统，其特征在于，所述控制模块还包括第十一电阻、第十二电阻，所述第十一电阻一端和第一运算放大器输出端连接，另一端和电源、第十二电阻一端连接，第十二电阻另一端和第二运算放大器输出端、第一三极管基极连接。

4.根据权利要求1所述的水位流速流量监测一体化监测系统，其特征在于，所述控制模块还包括第五发光二极管、第六发光二极管，所述第五发光二极管阳极和阴极分别串接在第三三极管集电极和第一晶振另一端，第六发光二极管阳极和阴极分别串接在第二三极管集电极和第一晶振一端。

5.根据权利要求1所述的水位流速流量监测一体化监测系统，其特征在于，所述控制模块还包括第十三电阻，所述第十三电阻两端串接在第四三极管发射极和第三三极管集电极之间。

6.根据权利要求2所述的水位流速流量监测一体化监测系统，其特征在于，所述控制模块还包括第七PMOS管、第十三电阻、第一输入端，所述第七PMOS管漏极和源极分别串接在第一运算放大器反相端和第十电位器抽头端之间，第七PMOS管栅极和第十三电阻一端连接，第十三电阻另一端和第一输入端连接。

7.根据权利要求2所述的水位流速流量监测一体化监测系统，其特征在于，所述第十电位器为数字电位器。

8.根据权利要求1所述的水位流速流量监测一体化监测系统，其特征在于，所述控制模块还包括接收单元、分析单元、成像单元，接收单元用于接收水面回波，并反馈到分析单元进行分析，成像单元对分析后数据进行成像。

9.根据权利要求1-8任意一项所述水位流速流量监测一体化监测系统的方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤1：将监测设备置于检测点，并启动设备，通过设备内发射超声波照射并接收其回波;

步骤2：根据接收回波，基于多普勒效应计算公式对其回波进行分析;

步骤3：分析此数据以获得水面至超声波发射点的距离、距离变化率、方位、高度信息;

步骤4：将分析的数据进行成像处理。

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