CN207197630U - 三电极式钻孔水位智能监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三电极式钻孔水位智能监测仪，包括单片机，单片机分别与供电系统、第一开关三极管、第二开关三极管、SIM模块和存储器相连，供电系统的正极分别与A/D转换器、第一、第二开关三极管连接，供电系统的负极与固定电阻连接，固定电阻与C电极连接，第一开关三极管与A电极连接，第二开关三极管与B电极连接；第一、第二开关三极管由单片机控制发送脉冲，控制第一、第二开关三极管的导通或断开。本实用新型原理简单，准确度高，能够大大提高钻孔水位监测、测量效率。

Description

三电极式钻孔水位智能监测仪

技术领域

本实用新型涉及一种水位监测设备，尤其是一种三电极式钻孔水位智能检测仪。

背景技术

水位监测应用于生活中的许多领域，针对水文观测、城市地下水位观测及所有涉及水文钻孔领域，其水文观测大多停留在使用组合工具人工测量，即利用测绳、测钟、电线、深度传感器和万能表依靠人工观测和判断，导致整个观测过程费时费力，且观测精度很低。

中国专利申请201510371413.5，公开了一种水箱液位监测装置，包括第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第一控制单元、第二控制单元、第一开关单元、第二开关单元、蜂鸣器、第一继电器以及第二继电器，所述第一电极和所述第二电极相互绝缘且固定在储水装置内部的第一预设高度处，所述第三电极和所述第四电极相互绝缘且固定在储水装置内部的第二预设高度处，所述第一预设高度高于所述第二预设高度。该专利适应于工业锅炉、民用建筑用水池、水塔、水箱，以及石油化工、造纸、食品、污水处理等行业内开口或密闭储罐，地下池槽中各种液体的液位测量。在水位超过预定高度时，进行报警，该专利重点在于判断水位是否到达设定高度，而缺乏对水位高度的实时测量。

中国专利申请201610420704.3，公开了一种淤积及水位监测仪及其应用方法，淤积及水位监测仪包含监测主机(6)和淤积及水位传感器(8)，淤积及水位传感器为长条状，沿长度方向分布多个电极(7)。长条状的淤积及水位传感器的长度方向垂直向下布置，测量每个电极的电容值；根据各个电极电容值不同，以及各个电极之间的间距，实时得出淤积厚度。本实用新型可同时监测水位与淤积，即监测水面又同时监测水底，可以长时间的无需人工干预的监测淤泥的厚度、水位的高度，在分析淤泥的沉积规律、水位的变化情况，以及测算库容或水流。该专利采用静压式水位传感器用于测水深，而且必须保证淤积及水位传感器的外壳足够重量，垂直下沉，进入淤泥和淤积时保证垂直不歪斜。因此，该专利在测量钻孔水位时难以满足条件，而且探测精度低。

中国专利申请201610696792.X，公开了一种精确测量地下水位的装置及方法，该装置的深度传感器以及地表电极分别与采集器的深度传感器信号输入端以及地表电极信号输入端导线连接；2根井中电极与采集器的井中电极信号输入端电缆连接；采集器包括报警模块以及数据处理模块；报警模块在井中电极传感器与地下水面接触时启动报警；深度传感器实时监测随水位电极传感器下放于井中时电缆的下放深度；数据处理模块根据电极采集结果计算出准确的地下水位深度。该专利水依靠2根井中电极之间的电阻、地表电极与2根井中电极之间的的电阻是否无穷大和深度传感器的读数，主要还是依靠深度传感器测量地下水位。虽然测量水位的准确度有所挺高，但整个过程操作复杂，而且缺乏自动、智能化监测，技术水平还停留在依靠深度传感器和人工观测来实现水位的测量。

中国专利201620232868.9，公开了一种旋转式滗水器匀速水位控制装置，包括：水位监测单元以及滗水器控制单元；水位监测单元与滗水器的滗水槽外侧固定连接，水位监测单元包括电极固定筒以及安装于筒中顺次高低落差设置的高位电极、中位电极以及低位电极，滗水器控制单元包括一变频模块以及与变频模块相连的电极信号转换模块，电极信号转换模块经由导线分别与高位电极、中位电极以及低位电极相连接，通过电极设入的水位变化导通或断开对应的高位电极、中位电极以及低位电极，变频器根据对应的高位电极、中位电极以及低位电极输出的信号强弱作出相应的变频变化，以供滗水器匀速下降。该专利中三电极的高度差对应滗水水位高度设置；重点在水位达到设定高度时，进行判断，而不能对水位进行测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有测试工具的零散，观测精度低，并且投入的时间和人力过多的问题，提供一种三电极式钻孔水位智能监测仪，其原理简单，准确度高，能够大大提高钻孔水位监测、测量效率。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种三电极式钻孔水位智能监测仪，包括单片机，所述单片机分别与供电系统、第一开关三极管、第二开关三极管、SIM模块和存储器相连，所述供电系统的正极分别与A/D转换器、第一、第二开关三极管连接，供电系统的负极与固定电阻连接，固定电阻与C电极连接，第一开关三极管与A电极连接，第二开关三极管与B电极连接；ABC三电极在接触到水的时候，依靠水的导电性，形成AC回路或BC回路，利用A/D转换器读取AC回路或BC回路的电压值，然后转换为数字信号，输回给单片机，A电极电阻与长度成线性关系，计算得到A电极钻孔口至钻孔水位高度的电阻值，精确计算出钻孔的水位；所述第一、第二开关三极管由单片机控制发送脉冲，控制第一、第二开关三极管的导通或断开；

所述ABC电极由不同电阻率材料组成，A电极为镍铬电阻丝，B电极和C电极为康铜电阻丝；

所述ABC三个电极成等边三角形排列，ABC电极中每一个电极上均套有第一PVC管，三个电极整体的外部套有第二PVC管，每一个PVC管表面均布有透水孔。

所述SIM模块通过无线信号将处理的电压值信息传递至云服务。

所述单片机、A/D转换器、储存器和SIM模块包装于同一个密闭空间内，通过引出天线，实现WEB查询。

所述ABC三电极通过电缆连接，把ABC三电极下放钻孔中，单片机、A/D转换器、储存器和SIM模块放置钻孔口外部位置。

一种利用三电极式钻孔水位智能监测仪的监测方法，包括以下步骤:

a.将A/D转换器、单片机、储存器和SIM模块置于钻孔口外部；

b.将ABC三电极连接后下放到井中，所述ABC三电极底端位于钻孔口内，当电极长度达到钻孔水位以下时，利用水的导电性可以形成AC回路或BC回路；

c.通过WEB查询，采集读取第一、第二开关三极管同时断开时，A/D转换器的电压值，当电压值低于设定值时，提示供电系统电量不足，测量前，A/D转换器输入电压为电源电压U₀；

d.通过单片机给第一开关三极管发送脉冲，此时AC回路导通，BC回路断开，读取A/D转换器的AC回路的电压值为U_AC，然后停止给第一开关三级管发送脉冲；

e.通过单片机给第二开关三极管发送脉冲，此时AC回路断开，BC回路导通，读取A/D转换器的BC回路的电压值为U_BC；

f.由于A电极电阻率相比较B、C电极电阻率比较大，且A电极电阻与长度成正比，BC电阻率忽略不计，于是根据串联电路电流相等和电阻与电阻率的线性关系，有如下公式：

R_A＝ρ_AL (3)

R_A＝R_AC-R_BC (4)

其中U₀为电源，U_AC为AC回路AC电极之间电压，U_BC为BC回路BC电极之间电压，R₀为已知固定电阻，R_AC为AC回路电阻，R_BC为BC回路电阻，L为A电极电阻丝长度，ρ_A为A电极电阻率，由于BC电极电阻忽略，于是有如下公式：

L即为地面到水位的距离。

本实用新型提供了一种智能化、精确测量钻孔水位的装置，实用中，仅需把ABC电极下放于观测钻孔内，ABC三电极在接触到水时，依靠水的导电性，形成AC或BC回路；

通过单片机给第一开关三级管和第二开关三极管发送脉冲，导通或者断开AC回路和BC回路；利用A/D转换器可以读取AC回路或BC回路的电压值；经过单片机处理控制，电压大小经过换算，可以计算得到A电极钻孔口至钻孔水位高度的电阻值，又由于A电极电阻与长度成线性关系，从而计算出钻孔口到钻孔水位的电阻值，SIM模块上传至云服务，WEB查询，实现钻孔水位的智能化监测、测量。

相比于现有技术，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型利用ABC三电极之间的电阻，原理简单，准确度高，能大大提高钻孔水位监测、测量效率。

(2)本实用新型通过在ABC三电极外单独套上了PVC管，PVC管上布置透水孔，同时在外面套了一个大的PVC管，PVC管上都布上透水孔，有效起到保护作用。

(3)本实用新型依靠单片机处理，可以对A/D转换器读取的电压值进行保存、通过SIM模块上传至云服务，便于WEB查询，大大保证了对水位监测、测量的远程化、智能操作。

(4)本实用新型设定自检提示，当第一、第二开关三级管都断开时，A/D转换读取电压值小于设定值(如电压小于10V)，提示供电不足。

(5)本实用新型观测精度高，能实现自动化、智能化的测量。

附图说明

图1是ABC电极图；

图2是本实用新型整体结构示意图；

其中，1.供电系统，2.A电极，3.第一开关三极管，4.单片机，5.SIM模块，6.存储器，7.A/D转换器，8.固定电阻，9.B电极，10.C电极，11.第二开关三极管，12.钻孔口，13.钻孔水位，14.AC回路，15.BC回路，16.WEB查询，17.云服务。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1、图2所示，三电极式钻孔水位智能监测仪，包括单片机4，所述单片机4分别与供电系统1、第一开关三极管3、第二开关三极管11、SIM模块5和存储器6相连，所述供电系统1的正极分别与A/D转换器7、第一、第二开关三极管连3、11接，供电系统1的负极与固定电阻8连接，固定电阻8与C电极10连接，第一开关三极管3与A电极2连接，第二开关三极管11与B电极9连接；ABC三电极在接触到水的时候，依靠水的导电性，形成AC回路14或BC回路15，利用A/D转换器7读取AC回路14或BC回路15的电压值，然后转换为数字信号，输回给89C51单片机4，A电极2的电阻与长度成线性关系，计算得到A电极钻孔口12至钻孔水位13高度的电阻值，精确计算出钻孔的水位；所述第一、第二开关三极管3、11由单片机4控制发送脉冲，控制第一、第二开关三极管3、11的导通或断开；本实用新型依靠开关三级管，通过单片机4控制，实现智能化监测。

ABC电极由不同电阻率材料组成，A电极2为电阻率高的镍铬电阻丝，B电极9和C电极10为电阻率很小的康铜电阻丝，电阻率为毫欧姆级，可以忽略不计；ABC三个电极成等边三角形排列，ABC电极中每一个电极上均套有第一PVC管，防止电极相互接触，三个电极整体的外部套有第二PVC管，每一个PVC管表面均布有透水孔，确保钻孔水位13可以接触电极，从而利用水的导电性，形成AC回路14或BC回路15。

SIM模块5通过无线信号将处理的电压值信息传递至云服务，进行WEB查询16，以及通过云服务17接收信号，控制单片机发送脉冲。

单片机4、A/D转换器7、储存器6和SIM模块5包装于同一个密闭空间内，通过引出天线，实现WEB查询。WEB查询16，用于记录AC回路14和BC回路15之间的电压，并根据欧姆定律、电阻率与长度之间的线性关系，可以精确的计算出钻孔的水位。

ABC三电极通过电缆连接，把ABC三电极下放钻孔中，单片机4、A/D转换器7、储存器6和SIM模块5放置钻孔口12外部位置。

一种利用三电极式钻孔水位智能监测仪的监测方法，包括以下步骤:

a.将A/D转换器7、单片机4、储存器6和SIM模块5置于钻孔口12外部；

b.将ABC三电极连接后下放到井中，所述ABC三电极底端位于钻孔口12内，当电极长度达到钻孔水位以下时，利用水的导电性可以形成AC回路14或BC回路15；

c.通过WEB查询16，采集读取第一、第二开关三极管3、11同时断开时，可以设置自检，A/D转换器7的电压值，当电压值低于设定值时，提示供电系统电量不足，测量前，A/D转换器7输入电压为电源电压U₀；

d.通过单片机4给第一开关三极管3发送脉冲，此时AC回路14导通，BC回路15断开，读取A/D转换器7的AC回路14的电压值为U_AC，然后停止给第一开关三级管3发送脉冲；

e.通过单片机4给第二开关三极管11发送脉冲，此时AC回路14断开，BC回路15导通，读取A/D转换器7的BC回路15的电压值为U_BC；

f.由于A电极电阻率相比较B、C电极电阻率比较大，且A电极电阻与长度成正比，B、C电阻率忽略不计，于是根据串联电路电流相等和电阻与电阻率的线性关系，有如下公式：

R_A＝ρ_AL (3)

R_A＝R_AC-R_BC (4)

其中U₀为电源，U_AC为AC回路AC电极之间电压，U_BC为BC回路BC电极之间电压，R₀为已知固定电阻，R_AC为AC回路电阻，R_BC为BC回路电阻，L为A电极电阻丝长度，ρ_A为A电极电阻率，由于BC电极电阻忽略，于是有如下公式：

L即为地面到水位的距离。

在本实施例中，三电极式钻孔水位监测仪有三种工作状态：一为AC回路14和BC回路15都断开状态；二为AC回路开关三级管导通，BC回路开关三极管断开；三为AC回路开关三级管断开，BC回路开关三极管导通。

本实施例中经过单片机处理，单片机一方面给开关三极管发送脉冲，导通或者断开回路，另一方面处理A/D返回的电压值，通过SIM模块，上传至云服务，便于WEB查询。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种三电极式钻孔水位智能监测仪，其特征是， 包括单片机，所述单片机分别与供电系统、第一开关三极管、第二开关三极管、SIM模块和存储器相连，所述供电系统的正极分别与A/D转换器、第一、第二开关三极管连接，供电系统的负极与固定电阻连接，固定电阻与C电极连接，第一开关三极管与A电极连接，第二开关三极管与B电极连接；ABC三电极在接触到水的时候，依靠水的导电性，形成AC回路或BC回路，利用A/D转换器读取AC回路或BC回路的电压值，然后转换为数字信号，输回给单片机；所述第一、第二开关三极管由单片机控制发送脉冲，控制第一、第二开关三极管的导通或断开；

所述ABC电极由不同电阻率材料组成，A电极为镍铬电阻丝， B电极和C电极为康铜电阻丝。

2.如权利要求1所述的三电极式钻孔水位智能监测仪，其特征是，所述ABC三个电极成等边三角形排列，ABC电极中每一个电极上均套有第一PVC管，三个电极整体的外部套有第二PVC管，每一个PVC管表面均布有透水孔。

3.如权利要求1所述的三电极式钻孔水位智能监测仪，其特征是，所述SIM模块通过无线信号将处理的电压值信息传递至云服务。

4.如权利要求1所述的三电极式钻孔水位智能监测仪，其特征是，所述单片机、A/D转换器、储存器和SIM模块包装于同一个密闭空间内，通过引出天线，实现WEB查询。

5.如权利要求1所述的三电极式钻孔水位智能监测仪，其特征是，所述ABC三电极通过电缆连接，把ABC三电极下放钻孔中，单片机、A/D转换器、储存器和SIM模块放置钻孔口外部位置。