CN211783588U - 一种水流速度和流向测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水流速度和流向测量装置，包括水下传感器装置和水上数据采集装置；所述水下传感器装置上设有深度传感器、流速传感器和流向传感器，所述深度传感器上设有防水结构；所述水上数据采集装置包括主控模块和通讯电路，所述深度传感器的输出端、流速传感器的输出端和流向传感器的输出端均与主控模块的输入端连接，所述主控模块还与通讯电路连接。本实用新型在水下传感器装置上增设了深度传感器，通过深度传感器来采集水深数据，无需使用机械码表测量水深数据，降低了测量装置的故障率，能够节约成本，而且还提高了测量精度，可靠性高，可广泛应用于自动化控制技术领域。

Description

一种水流速度和流向测量装置

技术领域

本实用新型涉及自动化控制技术领域，尤其是一种水流速度和流向测量装置。

背景技术

现有的流速流向仪在测量流向时，需要用到水文绞车，绞车上使用机械码表测量水深数据，但是由于流速流向测量仪在使用过程中经常需要搬运，且不可避免受到水的腐蚀，导致机械码表的故障率较高，测量精度较低，不够可靠，而机械码表的维修成本也较大。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种可靠性高且成本低的水流速度和流向测量装置。

本实用新型实施例提供了一种水流速度和流向测量装置，包括水下传感器装置和水上数据采集装置；

所述水下传感器装置上设有深度传感器、流速传感器和流向传感器，所述深度传感器上设有防水结构；所述水上数据采集装置包括主控模块和通讯电路，所述深度传感器的输出端、流速传感器的输出端和流向传感器的输出端均与主控模块的输入端连接，所述主控模块还与通讯电路连接。

进一步，所述流速传感器上设有螺旋桨。

进一步，所述水下传感器装置上设有用于固定所述水下传感器装置的安装孔。

进一步，所述水下传感器装置上设有用于固定深度传感器的安装板。

进一步，所述水下传感器装置上设有七针插座。

进一步，所述水下传感器装置上还设有导流尾翼。

进一步，所述导流尾翼上设有安装杆。

进一步，所述水上数据采集装置还包括数码管显示电路、LED灯和蜂鸣器电路，所述数码管显示电路的输入端、LED灯和蜂鸣器电路的输入端均与主控模块的输出端连接。

进一步，所述水上数据采集装置还包括外围插座、按键电路、电源电路和复位电路，所述外围插座与主控模块连接，所述按键电路的输出端、电源电路的输出端和复位电路的输出端均与主控模块的输入端连接。

进一步，所述主控模块为ATmega16芯片。

上述本实用新型实施例中的一个技术方案具有如下优点：本实用新型的实施例在水下传感器装置上增设了深度传感器，通过深度传感器来采集水深数据，无需使用机械码表测量水深数据，降低了测量装置的故障率，能够节约成本，而且还提高了测量精度，可靠性高。

附图说明

图1为本实用新型的一种水流速度和流向测量装置的整体结构框图；

图2为本实用新型的水下传感器装置的结构示意图；

图3为本实用新型的水下传感器装置的电路原理图；

图4为本实用新型的水上数据采集装置的结构示意图；

图5为本实用新型的通讯电路的电路原理图；

图6为本实用新型的电源电路的电路原理图；

图7为本实用新型的数码管电路的电路原理图；

图8为本实用新型的按键电路的电路原理图；

图9为本实用新型的复位电路的电路原理图；

图10为本实用新型的LED灯和蜂鸣器电路的电路原理图；

图11为本实用新型的外围插座的电路原理图。

具体实施方式

为解决传统旋桨流速流向仪技术落后兼容性低、故障率高，操作复杂，生产、维修成本大，流速信号计数不准，流向测量结构复杂，只能指针式显示等问题。有必要研制一种兼容大部分旋桨流速仪的数显流速流向测量装置，来提高测量精度以及测量系统的稳定性。传统仪器测量中需要使用水文绞车来放置仪器到指定的深度，绞车的码表通常是机械结构，容易损坏，所以本实用新型的装置加入深度传感器来代替原来的机械码表，减少了对码表的维护，提高整个系统的可靠性。

参照图1，本实用新型由水下传感器和水上数据采集装置构成一套完整的流速流向测量系统。装置的组成与连接如图1，仪器工作在测量状态时，通过水下传感器装置与水上数据采集装置即可获取相关数据。

水下传感器可以直接安装到传统的旋桨流速仪上，构成一套水下传感器装置，通过七芯电缆线与水上数据采集装置连接，水上数据采集装置从水下传感器装置采集到流速脉冲信号数与流向值。

具体地，参见图2，本实用新型的水下传感器装置，图2中：

流速传感器的螺旋桨1用于：水流推动螺旋桨转动，形成脉冲信号，水流越快，脉冲信号的频率越高。

流速传感器信号的正极2用于：除此端点外，整个水下传感器装置的金属外壳为流速传感器的负极，两点通过电路把信号集成到七针插座6。

水下传感器装置的安装孔3，用于固定装置。

流向深度传感器的安装板4，用于为流速传感器信号负极。

流向深度传感器的防水结构5内装有GY-26电子罗盘与深度传感器，通过电路结构把信号引到七针插座6。

七针插座6用于：可通过电缆与水上数据采集装置连接。

导流尾翼7用于：通过该结构，装置可以通过流向调整仪器姿态与方向，从而使电子罗盘5可以读取整个装置的姿态，从而测得流向数据。

导流尾翼的固定安装杆8用于：加强尾翼机械强度。

图3是本实用新型的水下传感器装置的电路原理图，如图3所示，流向传感器、流速传感器和深度传感器均通过电路连接到七针插座，然后通过电缆线连接到水上数据采集装置。

其中，图3中的流向传感器(也称为流向模块)，使用GY-26电子罗盘，GY-26是一款低成本平面数字罗盘模块，纯固态元件，无机械结构，输入电压低，功耗小，体积小。其工作原理是通过磁传感器中两个相互垂直轴同时感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度，此罗盘以RS232协议与其他设备通信。该产品精度高，稳定性高。并且具有重新标定的功能，能够在任意位置得到准确的方位角，其输出的波特率是9600bps，数据以询问方式输出，具有硬铁校准功能磁偏角补偿功能，适应不同的工作环境。分辨率达到0.1°，测量精度达到2°，工作电流只有15mA。电子罗盘通过七针插座与水上数据采集装置通讯，水上装置每5秒采集一个电子罗盘的角度数据，然后通过取矢量值得到流向数据，减少单次读数带来的误差。

深度传感器(也称为深度模块)，使用MS5837-30BA传感器测量压力数据，从而转换成水深数据。该传感器是一个高分辨率的压力传感器，常用于航模，量程为0-30Bar，水深测量分辨率高达2mm，通讯协议简单，把I2C接口改为串口后，接到7针测量接头，集成于本装置。图中七针测量接头第5引脚用于控制深度传感器供电，达到分时使用串口的目的。

流速传感器(也称为流速模块)，本实用新型是一款兼容性高的装置，可以兼容市面上任意一款传统的旋桨流速传感器，如重庆华正水文仪器有限公司的LS25系列旋桨流速仪，ZSX系列流速流向仪；南京水利水文自动化研究所的LS系列流速仪等。测流原理为水流推动螺旋的转动，从而产生脉冲信号，上位机可以通过对相应时间内的信号数进行计数，从而算出流速。但由于流速的快慢变化，产生的脉冲信号波会存在抖动的情况，导致计数不稳定，所以水上数据采集装置会有相应的滤波电路，来达到精准计数的效果。本实用新型中水下传感器装置使用重庆华正水文仪器有限公司的ZSX-3型流速流向仪的水下流速传感器，该模块为1转1信号，测量范围：流速0.20-3.Om/s。若更换其它型号的流速传感器，只需对流速传感器的相关参数进行简单设置即可，参数设置为本领域技术人员的公知技术，在本实用新型中不再赘述。

本实用新型实施例的水上数据采集装置使用ATmega16芯片进行数据的采集与处理。ATmega16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口(以下简称串口)，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器。

其中，本实施例的水上数据采集装置的ATmega16芯片采用了T0、T1两个定时器；T0用于计算测量历时，产生1S精准计时，计算测量历时，T1用于数码管动态刷新显示。芯片外部中断INT0用于流速信号的记录与处理。使用串行USART来采集电子罗盘、深度传感器的数据以及用于参数配置。

如图4所示，本实用新型实施例的水上数据采集装置包括数码管显示电路、LED灯和蜂鸣器电路，所述数码管显示电路的输入端、LED灯和蜂鸣器电路的输入端均与主控模块的输出端连接。

水上数据采集装置还包括外围插座、按键电路、电源电路、晶振电路和复位电路，所述外围插座与主控模块连接，所述按键电路的输出端、电源电路的输出端、晶振电路的输出端和复位电路的输出端均与主控模块的输入端连接。

如图5所示，本实用新型的通讯电路使用MAX232芯片与4个104瓷片电容(图5中的C1-C4)，此外部电路成本低廉，通过九针串口插座与计算机连接，使之能与计算机参数设置软件通讯，达到测量参数设置的效果。

如图6所示，本实用新型的电源电路使用4-6V供电，可以使用充电宝、手机充电头、4节5号干电池等供电方式，所以电源电路中使用1个104瓷片电容、1个10uf铝电解电容，用于补偿因为流速信号带来的脉冲，使电源电压稳定。

如图7所示，本实用新型的数码管电路用于显示脉冲信号数、时间、流向、测量参数等。由于ATmega系列芯片引脚电流不足以驱动数码管工作，所以使用4个9012三极管(Q1-Q4)与若干电阻搭建成数码管动态刷新电路，该电路成本低，稳定可靠，检修方便，最大程度的使用ATmega芯片的各个引脚，通过单片机程序控制芯片I/O口来动态刷新数码管，利用数码管的余辉和人视觉的系统的暂留性，达到显示的效果，这种电路设计可以减少元器件的使用，达到降低成本的目的。

如图8所示，本实用新型的按键电路用于操作装置开始测量及查询数据等。其中，S1为开始按键、S50为50S按键、S100为100S按键，这些按键所对应的芯片引脚外接一个10K上拉电阻，把引脚电平置高位，当按键按下时，对应引脚电平为0，达到判断按键是否按下的效果。SKS为流速信号模拟按键，用于模拟流速传感器发回的信号，接于芯片的INT0外部中断引脚，该引脚的外部中断功能可以精准计数。按键并联1个104瓷片电容，用于减少流速传感器发回脉冲信号的抖动，达到精准计数的目的。

如图9所示，本实用新型的复位电路中，SFW按键为复位按键，对应电路为芯片使用手册提供的复位专用电路，该电路能重启单片机芯片。

如图10所示，本实用新型的电路中的蜂鸣器、LED灯，当引脚电平为低时，LED灯亮，蜂鸣器响，当INT0引脚电平为低时，控制PC7引脚电平为低，用于观察及判断脉冲信号数与装置计数是否一致。

如图11所示，对于本实用新型的外围插座，用于采集角度数据、水深、流速信号。外围插座连接到水上数据采集装置面板，用于操作装置。另外，七针测量插座连接水下传感器装置中的流向传感器和流速传感器模块连接(如图3所示)。

综上所述，本装置可以兼容市面绝大部分流速仪和流速流向仪，操作简便，零件模块化，生产，维修低廉，有效解决原来仪器操作复杂，故障率高，流速信号计数不准，流向测量不能数显等问题，流向测量部分没有机械结构，稳定可靠，大大提高了测量精度与整套测量系统的稳定性。通过加入深度传感器测量水深数据，达到了免去使用和维护水文绞车的码表，又可以提高水深测量精度的效果。可通过串口连接外部电脑参数设置软件，操作简便，达到减少数据采集装置按键的效果。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：包括水下传感器装置和水上数据采集装置；

所述水下传感器装置上设有深度传感器、流速传感器和流向传感器，所述深度传感器上设有防水结构；所述水上数据采集装置包括主控模块和通讯电路，所述深度传感器的输出端、流速传感器的输出端和流向传感器的输出端均与主控模块的输入端连接，所述主控模块还与通讯电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：所述流速传感器上设有螺旋桨。

3.根据权利要求1所述的一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：所述水下传感器装置上设有用于固定所述水下传感器装置的安装孔。

4.根据权利要求1所述的一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：所述水下传感器装置上设有用于固定深度传感器的安装板。

5.根据权利要求1所述的一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：所述水下传感器装置上设有七针插座。

6.根据权利要求1所述的一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：所述水下传感器装置上还设有导流尾翼。

7.根据权利要求6所述的一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：所述导流尾翼上设有安装杆。

8.根据权利要求1所述的一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：所述水上数据采集装置还包括数码管显示电路、LED灯和蜂鸣器电路，所述数码管显示电路的输入端、LED灯和蜂鸣器电路的输入端均与主控模块的输出端连接。

9.根据权利要求8所述的一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：所述水上数据采集装置还包括外围插座、按键电路、电源电路和复位电路，所述外围插座与主控模块连接，所述按键电路的输出端、电源电路的输出端和复位电路的输出端均与主控模块的输入端连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种水流速度和流向测量装置，其特征在于：所述主控模块为ATmega16芯片。

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