CN212621015U - 一种水位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水位测量装置，属于水工模型试验技术领域，该装置包括设置在支撑板内的电源、导线、开关、电阻丝和滑片；电源包括第一电源和第二电源；第一电源通过导线依次连接开关、电阻丝形成闭合回路，第二电源通过导线依次连接电压采集模块和单片机构成闭合回路；滑片一端与电阻丝接触，另一端与电压采集模块连接；滑片与浮体结构相连。本实用新型的一种水位测量装置，提高测量效率，方便测量；同时该装置可用于实验室，便于推广。

Description

一种水位测量装置

技术领域

本实用新型属于水工模型试验技术领域，具体涉及一种水位测量装置。

背景技术

水工模型中，水位是一种基本要素，在试验中需要经常对其进行测量。在现有水工模型试验中，通常使用水位测量装置量测模型内指定点水位，传统水位测量装置采用游标卡尺读数，整数与小数之间距离太远，实验中时常出现整数读数错误造成随机误差；在传统测针使用时需要人工调整旋钮，同时保证视线与液面水平、测针尖刚好与液面接触，受人为因素影响大，增加了试验时间；降低试验效率；由于连通器原理测针筒与模型的连接管道过细(一般直径为5～8mm)，因此测针筒内水位变化较慢，无法准确测量。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于提供一种水位测量装置，方便测量。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种水位测量装置，包括设置在支撑板内的电源、导线、开关、电阻丝和滑片；所述的电源包括第一电源和第二电源；所述的第一电源通过导线依次连接开关、电阻丝形成闭合回路，所述的第二电源通过导线依次连接电压采集模块和单片机构成闭合回路；所述的滑片一端与电阻丝接触，另一端与电压采集模块连接；所述的滑片与浮体结构相连。

进一步地，所述的电压采集模块一侧导线与电阻丝构成滑片的滑道。

进一步地，在所述的支撑板底部设置用于限制浮体结构运动轨迹的立轴滚珠限位环。

进一步地，所述的立轴滚珠限位环包括光滑滚珠和空心壳套，所述的光滑滚珠在空心壳套内自由滚动，所述的空心壳套与支撑板刚性连接。立轴滚珠限位环约束浮体结构中支杆运动轨迹，进而限制滑片运动范围，前后两个滑片确保滑片与导线以及电阻丝良好接触。立轴滚珠限位环设置在支撑板底部且不与浮体中支杆接触。光滑滚珠与浮体结构中的支杆相互限制。

进一步地，所述的浮体结构包括浮球和支杆，所述的支杆的一端与浮球相连，所述的支杆的另一端与滑片刚性相连，所述的支杆与电阻丝平行。

进一步地，所述的滑片包括滑套和滑杆，滑套绕滑杆自由滚动，浮体结构中的支杆与滑杆刚性连接，滑套与电阻丝和导线滚动接触导电。滑片起始位于电阻丝上端与电压采集模块另一侧电阻丝位置重合，此时浮球位于模型最高水位以上；量测模型最低水位时，滑片仍在电阻丝长度范围以内。量测模型最低水位时滑片位移距离小于电阻丝长度。

该装置直接量测模型内水位时，光滑滚珠和滑片能够保证浮体结构与电阻丝平行；该装置通过测针筒间接量测模型水位时，采用的测针筒与试验模型内的连接管道通过弹性固定环固定在测针筒下部连接口处，连接管道直径大于等于5cm，测针筒尺寸大于等于6cm×6cm。弹性固定器包括圆珠和弹簧。弹性固定器将连接管道固定到测针筒上。

进一步地，所述的单片机与LED数显屏幕相连。电压采集模块采集所测段电阻丝电压经单片机计算后输出到LED数显屏幕上，并存储数据文件。

进一步地，在所述的支撑板顶部设置水平气泡。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的一种水位测量装置，提高测量效率，方便测量；同时该装置可用于实验室，便于推广。

附图说明

图1为水位测量装置的整体结构示意图；

图2为水位测量装置的水位感应部分安装图；

图3为水位测量装置的水位数显部分安装图；

图4为水位测量装置立轴滚珠限位环的纵剖图、横剖图；

图5为水位测量装置滑片安装图；

图6为水位测量装置水平气泡安装图；

图7为水位测量装置测针筒与连接管道17连接图；

图8为水位测量装置弹性固定器结构图；

附图标记：1-支撑板；2-导线；3-开关；4-第一电源；5-电阻丝；6-液面；7- 水平气泡；8-LED数显屏幕；9-单片机；10-第二电源；11-电压采集模块；12- 滑片；13-浮体结构；14-立轴滚珠限位环；15-测针筒；16-弹性固定器；17-连接管道；12-1为滑套；12-2为滑杆；16-1为圆珠；16-2为弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。

如图1-8所示，一种水位测量装置，包括设置在支撑板1内的电源、导线2、开关3、电阻丝5和滑片12；电源包括第一电源4和第二电源10，其中，第一电源4连接开关3、电阻丝5形成闭合回路；滑片12一端与电阻丝5接触，另一端与电压采集模块11连接，其随浮体结构13运动实时监测水位变化。电压采集模块11另一端通过导线连接第二电源10，再连接单片机9构成闭合回路。电压采集模块11采集所测段电阻丝5电压经单片机9计算后输出到LED数显屏幕 8上，并存储数据文件。电压采集模块11一侧导线2与电阻丝5构成滑片12的滑道，立轴滚珠限位环14约束浮体结构中支杆运动轨迹，进而限制滑片12运动范围，前后两个滑片12确保滑片12与导线2以及电阻丝5良好接触。一种水位测量装置能够实现自动追踪水位变化，通过单片机9内部计算后将瞬时水位、时均水位输出到在LED数显屏幕8上，并存储数据，可精确反应水工模型中水位的非恒定变化。

浮体结构13包括浮球和支杆，两者一体铸造，材料密度小于水且为空心薄壁结构，如PE材料、ABS工程塑料等。由其浮力支撑浮体结构13和滑片12重量，浮球形状可根据不同试验场景和需求更换。在测针筒15内有待测液体，液面6淹没浮球。当浮球被水淹没深度为h₀时能够使浮体和滑片12浮于水上。浮体结构13、具有滑道作用的导线2和电阻丝5、滑片12四者巧妙结合，固定滑片12运动轨道的同时能自动追踪水位变化。

支杆的一端与浮球相连，支杆的另一端与两个滑片12刚性相连；水平气泡 7水平嵌套固定在支撑板1顶部，辅助观察支撑板1上部水平、电阻丝5竖直。弹性固定器16包括圆珠16-1和弹簧16-2。弹性固定器16将连接管道17固定到测针筒15上(弹性固定器16作为一个连接工具，可拆卸，不与其他部件固定连接)。

如图4(a)-(b)所示，立轴滚珠限位环14由光滑滚珠和空心壳套组成，光滑滚珠在空心壳套和支杆限制的圆环范围内自由滚动，空心壳套与支撑板1 刚性连接，设置在支撑板1底部且不与浮体中支杆接触。光滑滚珠与浮体结构 13中的支杆相互限制。支杆仅能沿立轴滚珠限位环14轴线上下位移，支杆与电阻丝5平行。

滑片12包括滑套12-1和滑杆12-2，滑套12-1可绕滑杆自由滚动，浮体结构13中的支杆与滑片中的滑杆12-2刚性连接，滑套12-1与电阻丝5和导线2 滚动接触导电。两者均由导电、动摩擦因数小的材料制成，如石墨、导电塑料等。滑片12起始位于电阻丝5上端与电压采集模块11另一侧电阻丝5位置重合，此时浮球位于模型最高水位以上；量测模型最低水位时，滑片12仍在电阻丝5长度范围以内。量测模型最低水位时滑片12位移距离小于电阻丝5长度。

该装置可以直接或者通过测针筒15间接测量模型水位。在量测测针筒15 内水时，测针筒15尺寸和测针筒15与模型的连接管道17尺寸远大于传统尺寸，两者用弹性固定器16连接。设备各部件采用可拆卸式安装固定在支撑板1的固定位置，方便各部件的更换。装置通过滑片12将水位转化为电压采集模块11可用的电压数据。电压数据由电压采集模块11采样后传递给单片机9，经单片机9 内部运算后将实际水位数据输出到LED数显屏幕8上，并存储数据文件。通过单片机9设定连续采集一段时间的水位数据，最终将时均水位值和瞬时水位值输出到LED数显屏幕8上，并存储水位变化过程数据文件。

该装置不仅能够直接测量模型内水位，还能替代传统测针通过测针筒15间接测量水位。该装置直接量测模型内水位时，光滑滚珠和滑片12能够保证浮体结构13与电阻丝5平行，不受水流影响；该装置通过测针筒15间接量测模型水位时，采用的测针筒15与试验模型内的连接管道17通过弹性固定环固定在测针筒15下部连接口处，避免漏水，采用的测针筒15与试验模型内的连接管道17 直径较大，管道直径大于等于5cm，测针筒15尺寸大于等于6cm×6cm，能够快速反应试验模型内水位。装置各部件均采用可拆卸式安装，方便部件更换。

工作过程：水位下降时浮体结构13随水位下降，重力作用下带动滑片12 下移，电压采集模块11所测段电阻丝5分压增大，经单片机9计算后由LED数显屏幕8显示时均和瞬时水位；当水位上升时，浮体结构13随水位上升，浮力作用下推动滑片12上移，电压表所测电阻丝5长度减小，所测段电阻丝5分压降低，电压采集模块11所测段电阻丝5分压减小，经单片机9计算后由LED数显屏幕8显示时均和瞬时水位。测量者可以直接读取电压表读数确定水位变化和大小。

实施例1

一种水位测量装置，本装置主要由三部分组成，包括水位数显部分、水位感应部分、固定配件部分，各部件均采用可拆卸式安装在支撑板1上。水位感应部分由浮体结构13，电阻丝5、第一电源4、若干导线2、第一开关3组成；水位数显部分由第二电源、若干导线2、电压采集模块11、单片机9、LED数显屏幕 8(单片机型号：51单片机；数显屏幕：5110液晶屏)组成；固定配件部分由一系列起固定作用的卡槽、立轴滚珠限位环14、弹性固定环、支撑板1组成。该装置具体连接顺序如下：第一电源连接开关3、电阻丝5形成闭合回路，电压采集模块11通过滑片12和若干导线2采集部分电阻丝5两端分压，滑片12与浮体结构13刚性连接，支撑板1下端用两个立轴滚珠圈固定浮体结构13中的支杆，使支杆位于滑片12滑道正中间且与电阻丝5平行；第二电源10为单片机9和 LED数显屏幕8供电，单片机9另一侧连接电压采集模块11，接收电压数据，处理后传递给LED数显屏幕8，显示瞬时、时均水位，并存储水位数据。

由于浮体结构13和滑片12的质量一定，浮体结构13被水淹没的高度h₀时排开水的体积为V_排，此时能够浮体结构13和滑片12能够悬浮在水中。

ρ_wV_排g＝Mg

式中，M为浮体结构13和滑片12总质量；g为重力加速度；V_排为排开水的体积；ρ_w为水的密度。由上式可知，h₀的值是一个固定值。当水位上升时，浮体结构13随水位上升，浮力作用下带动滑片12上移，电压表所测电阻丝5长度减小，所测段电阻丝5分压降低，因此电压采集模块11采集到的电压数据减小，经单片机9计算输出到LED数显屏幕8的瞬时水位值增大；当水位降低时，浮球随水位下降，重力作用下带动滑片12下移，电压表所测电阻丝5长度增加，所测段电阻丝5分压升高，因此电压采集模块11采集到的电压数据增大，经单片机9计算输出到LED数显屏幕8的瞬时水位值减小。测量者可以直接读取电压表读数确定水位变化和大小。

电压采集模块11所得到的某一时刻电压数值为：

由此可得，电压采集模块11所采集段电阻丝5长度为：

式中h为电压采集模块11所采集段电阻丝5长度，L₁为电阻丝5的总长度， R₁为电阻丝5的阻值，R₂为电源、导线2、电阻丝5回路中除电阻丝5的阻值之和，U₀为第一电源电压，U_t为电压采集模块11所采集的某一时刻的电压；h₀为浮体结构13被水淹没的高度，为某一定值。根据上式可知，调整电阻丝5阻值单位长度电阻阻值可以控制电阻丝5两端的电压范围，可根据模型最高水位与最低水位更滑电阻丝5长度。由于模型试验多为缩小模型，模型水位变化小一般不超过20cm，推荐使用长度为0.4m的电阻丝5。

水工模型试验前均需用水准仪或其他设备用基准面率定相应水位，本装置提供率定点，即为支撑板1顶端。电阻丝5顶部距离率定点的垂直距离为h₁，率定点与基准面的距离为l。率定原理如图1。由图1可知模型内瞬时水位高程为：

H_t＝L-l-h-l₀+h₀

式中，H_t为模型内瞬时水位高程；L的数值为基准面高程；l为率顶点与基准面的距离；l₀为浮体长度；h₀为浮体结构13被水淹没的高度。

当试验要求测量时均模型内水位时，可通过单片机9设定采集时间T和采集频率n，通过下式得到模型内的时均水位：

式中，

为时均水位；H_ti为某一时刻瞬时水位；n为采集时间T内采集频率。

以上仅为本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种水位测量装置，其特征在于：包括设置在支撑板(1)内的电源、导线(2)、开关(3)、电阻丝(5)和滑片(12)；所述的电源包括第一电源(4)和第二电源(10)；所述的第一电源(4)通过导线(2)依次连接开关(3)、电阻丝(5)形成闭合回路，所述的第二电源(10)通过导线(2)依次连接电压采集模块(11)和单片机(9)构成闭合回路；所述的滑片(12)一端与电阻丝(5)接触，另一端与电压采集模块(11)连接；所述的滑片(12)与浮体结构(13)相连。

2.根据权利要求1所述的一种水位测量装置，其特征在于：所述的电压采集模块(11)一侧导线(2)与电阻丝(5)构成滑片(12)的滑道。

3.根据权利要求1所述的一种水位测量装置，其特征在于：在所述的支撑板(1)底部设置用于限制浮体结构(13)运动轨迹的立轴滚珠限位环(14)。

4.根据权利要求3所述的一种水位测量装置，其特征在于：所述的立轴滚珠限位环(14)包括光滑滚珠和空心壳套，所述的光滑滚珠在空心壳套内自由滚动，所述的空心壳套与支撑板(1)刚性连接。

5.根据权利要求1所述的一种水位测量装置，其特征在于：所述的浮体结构(13)包括浮球和支杆，所述的支杆的一端与浮球相连，所述的支杆的另一端与滑片(12)刚性相连，所述的支杆与电阻丝(5)平行。

6.根据权利要求5所述的一种水位测量装置，其特征在于：所述的滑片(12)包括滑套(12-1)和滑杆(12-2)，滑套(12-1)绕滑杆(12-2)自由滚动，浮体结构(13)中的支杆与滑杆(12-2)刚性连接，滑套(12-1)与电阻丝(5)和导线(2)滚动接触导电。

7.根据权利要求1所述的一种水位测量装置，其特征在于：所述的单片机(9)与LED数显屏幕(8)相连。

8.根据权利要求1所述的一种水位测量装置，其特征在于：在所述的支撑板(1)顶部设置水平气泡(7)。

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