CN214407668U - 一种水位测量装置 - Google Patents

Abstract

该实用新型属于地下水位监测技术领域，尤其涉及一种水位测量装置。包括位于地面上方的第一电流计、第二电流计、控制系统和电源，所述控制系统包含数据采集计算模块和通信模块，数据采集计算模块和通信模块电性连接，以及设置在地面下的第一电阻、第二电阻、压力传感片和安装管，所述控制系统的通讯模块与远程监测系统无线连接，所述安装管的侧壁在竖直方向上设有进水孔，所述安装管上相对设有第一安装槽和第二安装槽，所述第一电阻和第二电阻的材料、横截面形状和面积均相同。本技术方案用以解决由于地下水位测量的工况复杂，导致传统的地下水位计对地下水位监测效果不佳的问题。

Description

一种水位测量装置

技术领域

该实用新型属于地下水位监测技术领域，尤其涉及一种水位测量装置。

背景技术

地下水位监测广泛应用于地质灾害、水质监测、环境监测等领域，有广泛的适用性。依据地下水位监测数据，可以为合理开采地下水提供依据；准确测量地下水位，还可以为地质灾害得成因分析和滑坡有效预警提供关键参考依据。

目前的地下水位监测最广泛应用的有浮筒式水位计和压力传感式水位仪等。浮筒式水位计使用受到钻孔质量(钻孔倾斜度)等的限制，悬索易因热胀冷缩、打结、卡线等影响仪器使用，且浮子和重锤在长期使用后，也会因锈蚀或沾染泥土等影响测试精度和仪器使用；压力传感式水位仪是将地下水压力转换成静水压力来换算，而实际地质过程中，地下水往往是流动的，且地下水浑浊度、矿物质成分及含量等都会随时间和地质条件产生变化，导致地下水的密度往往是变化的，从而使地下水的实际深度和根据水压得出的计算深度存在偏差，因此这种测量方法存在误差，甚至某些特殊情况下还存在较大的误差。

实用新型内容

针对上述技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种水位测量装置，用以解决由于地下水位测量的工况复杂，导致传统的地下水位计对地下水位监测效果不佳的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种水位测量装置，包括位于地面上方的控制系统、第一电流计、第二电流计和电源，所述控制系统包含数据采集计算模块和通讯模块，数据采集计算模块和通信模块电性连接，以及设置在地面下的第一电阻、第二电阻、压力传感片和安装管，所述控制系统的通讯模块与远程监测系统无线连接，所述安装管上相对设有第一安装槽和第二安装槽，所述第一电阻和第二电阻的材料、横截面形状和面积均相同，所述压力传感片和第一电阻均设置在第一安装槽内，且二者之间设有安装间隙，所述第二电阻设置在第二安装槽内，所述压力传感片的两侧与第一安装槽的内侧豁口边沿弹性密封连接，所述压力传感片在受到外侧水压时，受压部位向内侧折弯形变与第一电阻的侧面贴合，压力消失时会自动脱离复位，所述压力传感片朝向第一电阻的一侧设有导电层，与之对称的另一侧设有绝缘层；

所述电源的一极通过导线和导电层的下端电性连接，所述电源的另一极通过导线和第一电阻的上端电性连接，所述第一电流计设置在电源和导电层之间的导线上，所述第二电阻、第二电流计和电源形成回路，所述第一电流计和第二电流计与控制系统的数据采集计算模块电性连接。

本文远程监测系统是指现有的用以监测控制地质灾害、水质、环境的已有软件控制系统，其主要用以接收水位测量仪的水位监测数据，并进行分析、记录、判断等功能。

进一步限定，所述导电层为导电涂层、导线丝和导电片中的任意一种，其有益之处在于导电涂层、导线丝和导电片中的任意一种设置在压力传感片上，对压力传感片的形变性能的影响较小，即较小的压力就会使压力传感片发生形变，提升了地下水位监测的灵敏度。

进一步限定，所述电源、第一电流计和第二电流计的连接导线设置在第一安装槽和第二安装槽内，其有益之处在于，设置在其内部可以简化本安装管的复杂程度，使其在安装的时候更加的便捷，且多根安装管进行拼接的时候，可将导线的端部设置在第一安装槽和第二安装槽的端部，即多根安装管拼接的时候也可以使导线进行拼接和连通。

进一步限定，所述安装管可根据实际测量水位的深度进行若干段拼接，所述相邻安装管的端部采用螺纹连接，且相邻安装管的端部拧紧后，相邻第一电阻在其轴向的投影重合，相邻所述安装管的螺纹连接部设有密封垫圈，位于最下端的所述安装管设有密封端，所述安装管内的第一电阻和导电层的上端均分别设有弹簧，第一电阻和导电层的下端均分别设有导电片，其有益之处在于，拼接安装能使本仪表对地下水位测量的范围更大，且便于安装和运输，可通过在位于上方安装管的连接端设置弹簧销，位于下方安装管的连接端设置凹槽的形式对螺纹连接进行限位，或者是通过在安装管的外表面设置标识线的方式对螺纹连接进行位置限定，均可保证相邻的第一电阻、导电层和压力传感片分别能够顺利的拼接在一起，同时拼接之后，弹簧和导电片之间将会紧密接触，同时相互挤压，保证相邻第一电阻和导电层之间的导电效果，密封圈可防止地下水通过螺纹连接处进入第一安装槽和第二安装槽的内部。

进一步限定，所述安装管的底部设有排沙孔，所述安装管的上端设有高压清洗设备，其有益之处在于，长时间使用后，泥沙会通过第一进水孔进入到安装管内，并形成泥沙淤积沉淀。此时只需要通过高压清洗设备从安装管的上端向下注入高压水，高压水将会冲击安装管内部的泥沙，使其通过底部的排沙孔排出，从而消除泥沙沉淀对水位测量的影响，更优选的是在使用高压设备对安装管进行清洗时，在安装管外侧辅以水泵进行抽水，将内部的泥沙和水的混合物抽出，提升安装管内泥沙的清除效果。

进一步限定，所述密封端的上表面为斜面，所述排沙孔位于底面位置较低处安装管的壁上，其有益之处在于斜面便于泥沙汇集至低处，使其更容易通过排沙孔排出。

进一步限定，还包括设置在安装管外侧的保护套筒，所述保护套筒上从上至下设有第二进水孔，所述安装管和保护套筒之间卡接固定，其有益之处在于，保护套筒上的第二进水孔将安装管的内部和外部进行连通，使本水位测量仪能正常的工作，同时保护套筒的安装使本测量仪表能够适用于钻孔没有套管护壁措施、钻孔壁岩土稳定性差等恶劣工况下的仪表快速安装和测量，对仪表形成更好的保护，延长测量仪的使用寿命。

进一步限定，所述控制系统的通讯模块上设置有开关，所述开关设置在锁箱内，其有益之处在于，对野外安装测量仪进行泥沙冲洗时，可关闭该通讯模块的开关，避免其向远程监测系统发送错误的地下水位监测数据，设置在锁箱内的目的是，只能由指定工作人员进行操作，避免他人破坏和误操作。

进一步限定，所述第一电阻的两侧设有绝缘限位块，所述压力传感片包括两侧的弹性片和中部的刚性片，所述刚性片的宽度大于第一电阻的宽度，所述导电层设置在刚性片朝向第一电阻方向的表面上，其有益之处在于，当地下水位较深时，在水压的作用下，两侧的弹性片向第一电阻方向产生形变，带动中部刚性片上的导电层和第一电阻接触，从而接通电路进行水位测量，且弹性片产生的形变挤压力更多的作用在绝缘限位块的表面上，使第一电阻不受到压力传感片过大的压力而导致其发生不可逆的形变，进而保证水位测量的准确性。

还包括一种水位测量装置的水位计算方法，具体步骤如下：

(1)设第二电阻的长度为L₀，阻值为R₂，第二电流计测得电流为I₀，电源电压为U₀，则有：I₀＝U₀/R₂。

(2)设井斜(钻孔中心线与铅垂线的夹角)角度为α(安装时仪器中心轴线倾角与井斜角度一致)，第一电阻的长度为L，当水位变化至h高度时，压力传感片由于水压作用，h 以下部分会紧贴第一电阻，从而使第一电阻上部长度为L-(h/cosα)部分被接通，第一电流计测得电流为I，此时有：I＝U₀/R_L-(h/cosα)。

(3)由于第一电阻和第二电阻U₀相等，从而有：I₀·R₂＝I·R_L-(h/cosα)；

进而有：R_L-(h/cosα)/R₂＝I₀/I；

由于电阻1和电阻2截面积和材料电阻率均相同，有：R_L-(h/cosα)/R₂＝[L-(h/cosα)]/L₀；

由以上两式联合推导出：L-(h/cosα)＝(I₀/I)·L₀。

(4)安装本装置时，安装孔口高程可测(设为H₀)，则地下水位高程H推导可得：

H＝H₀-[L-(h/cosα)]·cosα＝H₀-(I₀/I)·L₀·cosα，带入已知量即可算出此时地下水位的高度。

当钻孔竖直时，井斜α＝0°，此时cosα＝1，此时有：H＝H₀-(I₀/I)·L₀。

上述计算方法可以以程序的形式安装在控制系统的数据采集计算模块中，根据地下水实际测量点的具体参数，手动修改或写入程序中的孔口高程H₀，井斜角度α，第二电阻的长度 L₀这些已知数据，以及结合实时采集到的第二电流计的电流I₀和第一电流计的电流I，从而自动计算测得地下水位的高度，通过上述运算方法，可知电阻率并不参与计算，避免了温度变化造成电阻率不同，所引起的误差。可进行较为精确地测量，且可测量任意井斜的地下水位高度。

本实用新型的技术效果如下：本实用新型通过双电阻电流测量的方式，能实现对地下水位全孔深高精度测量，本测量仪在进行地下水位测量时，可避免由于地下水流动状态不同，以及地下水浑浊度不同、矿物质成分和含量不同引起地下水密度不同，给测量精度造成影响的问题，同时还能避免温度变化等环境因素，造成单电阻电阻率变化所形成的误差的问题。另外该测量仪的结构简单，成本低廉，对地下水位探测孔的钻孔质量和孔壁稳定性要求不高，可适用于任意井斜的地下位测量。并且测量仪主要测量部件均牵引至地面布设，地下无核心部件，设备维护维修方便，可保证设备的长期使用，提高寿命。

附图说明

图1为本具体实施方式中水位测量仪的电路连接示意图。

图2为本具体实施方式中水位测量仪中的整体结构局部剖视图。

图3为本具体实施方式中安装管的底部剖视图示意图。

图4为本具体实施方式中水位测量仪的正视图剖视图示意图。

图5为本具体实施方式中安装管拼接示意图的剖视图。

图6为本具体实施方式中保护套筒的水平横截面示意图。

安装管1、第一电阻2、第二电阻3、压力传感片4、第一进水孔5、排沙孔6、第一电流计7、第二电流计8、电源9、清洗管10、导电层11、保护套筒12、安装地面13、弹簧 14、绝缘限位块15、导电片16、卡接环17。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

如图1、图2、图3和图4所示，一种水位测量装置的具体结构主要包括第一电阻2、第二电阻3、压力传感片4、第一电流计7、第二电流计8和电源9，在本实施例中第一电阻 2和第二电阻3的材料、横截面形状与面积均相同，且第二电阻3的长度在安装时为已知数据，即可以通过电源9流经第一电阻2和第二电阻3的电流值来推算出第一电阻2接入电路的长度。第一电流计7、第二电流计8测量的相关数值传输给控制系统的数据采集计算模块，结合控制系统中预先输入的已知参数，如孔口高程，井斜角度，第二电阻的长度进行计算，进而得出相应的地下水的高度。然后通过控制系统的通讯模块无线传输回远程监测系统。在本实施例中具体的连接结构如下，第一电阻2与压力传感片4处于上下位置安装，在二者的两端设有固定块，便于固定安装，且在中间留有一定的间隙，在本实施例中，间隙的宽度为 2-8mm，优选地为4mm，压力传感片4类似于弹片，在一侧受到外界的压力之后，弹片将会向另一个方向发生位移，在发生位移的同时受压部分的压力传感片4将会和第一电阻2紧密接触，为了实现压力传感片4导电，在压力传感片4面向间隙的一侧面上布设有导电层11，在本实施例中导电层11可以为导电涂层、导线丝和导电片中的任意一种，其有益之处在于导电涂层、导线丝和导电片中的任意一种设置在压力传感片4上，对压力传感片4的形变性能影响较小，即较小的压力就会使压力传感片4发生形变，提升了地下水位监测的灵敏度。

如图3所示，优选地，第一电阻2的两侧设有绝缘限位块15，绝缘限位块15固定在第一安装槽的侧壁上，压力传感片4包括两侧的弹性片4.1和中部的刚性片4.2，刚性片4.2 的宽度大于第一电阻的宽度，且刚性片4.1在竖直方向可以发生弯折变形，在水平方向为刚性，类似于常见的波纹板。导电层11设置在刚性片4.2朝向第一电阻2方向的表面上，其有益之处在于，当地下水位较深时，在水压的作用下，两侧的弹性片4.1向第一电阻2方向产生形变，带动中部刚性片4.2上的导电层11和第一电阻2接触，从而接通电路进行水位测量，且弹性片4.1产生的形变挤压力更多的作用在绝缘限位块15的表面上，使第一电阻2 不受到压力传感片4过大的形变压力，使其不会发生形变，保证水位测量的准确性。

为了避免压力传感片4和第一电阻2之间的间隙进水，影响地下水位测量精度，压力传感片4的两侧可直接与安装管1上的第一安装槽内壁一体无缝安装，在本实施例中采用熔接的方式，这样的防水效果更好。

本水位测量仪的电路连接关系为，其一部分为，电源9的正极通过导线和导电层11的下端电性连接，电源9的负极通过导线和第一电阻2位于水面之上的一端电性连接，且第一电流计7串接在电源9和导电层之间连接的导线上，第二部分的电路连接方式为，第二电阻 3和第二电流计8串接与电源9的正负极上，当然在本实施例中位于水下部分的电路和导线应做好防水密封，这属于本领域技术人员的公知常识。

为了实现对上述水位测量仪进行保护，在上述水位测量仪的外侧还设有安装管1，在安装管1上等间距上下设有第一进水孔5，在安装管1的壁厚内部设有第一安装槽和第二安装槽，第一安装槽和安装管1的内外部不连通，第二安装槽位于安装管1不与安装管的内外部连通，第二电阻3固定于第二安装槽的底部，保证第一电阻和第二电阻处于同一个环境内，避免温度等外界因素的变化造成第一电阻和第二电阻的电阻率有较大差异，第一电阻2和压力传感片4安装于第一安装槽内，在本实施例中压力传感片4直接与安装管1内壁一体无缝安装，便于防水。

优选地，可将本实施例中的电源9、第一电流计7和第二电流计8沿着第一安装槽和第二安装槽内布置的导线引导至地面进行安装，这样的好处在于便于仪器的安装和维护，同时还能提高其使用寿命，且本实施例中采用的是太阳能电池板对蓄电池进行充电，蓄电池对整个电路进行供电的方式保证设备在野外的正常运转，同时导线设置在第一安装槽和第二安装槽内，可以简化本安装管的复杂程度，使其在安装的时候更加的便捷，且多根安装管1进行拼接的时候，可将导线的端部设置在第一安装槽和第二安装槽的端部，即多根安装管拼接的时候也可以使导线进行拼接和连通。

优选地，在安装管1的底部设有排沙孔6，安装管1的上端设有高压清洗设备，高压清洗设备主要包括水泵和清洗管10，这样的好处在于，长期使用本水位测量仪后，泥沙会通过第一进水孔5进入到安装管1内，并形成泥沙淤积沉淀，此时只需要通过高压清洗设备从安装管1的上端向下注入高压水，高压水将会冲击安装管1内部的泥沙，使其通过底部的排沙孔6和第一进水孔5排出，同时用抽水泵在仪器外部进行抽水，即可将长期使用后的泥沙沉淀排出仪器和钻孔之外，从而消除泥沙沉淀对水位测量的影响。优选地，安装管1的底面为斜面，排沙孔6位于底面位置较低处安装管1的壁上，这样便于将泥沙汇集至底面的低处，使其更容易通过排沙孔6排出。优选地，控制系统的通讯模块上设置有开关，开关设置在锁箱内，其有益之处在于，对野外安装测量仪进行泥沙冲洗时，可关闭该通讯模块的开关，避免其向远程监测系统发送错误的地下水位监测数据，设置在锁箱内的目的是，只能有工作人员进行操作，避免他人破坏和误操作。

如图6所示，为了进一步提升本水位测量仪的实用性和安全性，让其能适应钻孔没有套管护壁措施、钻孔壁岩土稳定性差等更加复杂恶劣的工况，以及提升其使用寿命，在安装管 1外侧的保护套筒12，保护套筒12从上至下等间距设有第二进水孔，第二进水孔将安装管1 的内部和外部进行连通。安装管1和保护套筒12的连接方式为，在保护套筒12内部的上下端设有卡接环17，卡接环17的外侧面上圆周设有焊接凸块，焊接凸块和保护套筒的内壁焊接，安装管1只需放置在卡接环17的中部通孔内即可。优选地，在卡接环17的中部通孔内壁上可设保护橡胶垫圈层，避免安装管1和卡接环17刚性接触，可进一步保护安装管1不会出现磕碰和划伤的情况。

如图5所示，优选地，安装管1可根据实际测量水位的深度进行若干段拼接，为了保证拼接效果，安装管1、第一电阻2、压力传感片4的长度为2-5m一根，优选为5m，相邻安装管1的端部采用螺纹连接，且相邻安装管1的端部拧紧后，相邻第一电阻2在竖直方向上的投影重合，相邻安装管1的螺纹连接部设有密封垫圈，位于最下端的安装管1设有密封端，安装管内的第一电阻2和导电层11的上端均分别设有弹簧14，弹簧14为低阻率弹簧，目的是尽可能小的影响第一电阻2的电阻率，第一电阻2和导电层11的下端均分别设有导电片16，其有益之处在于，拼接安装能使本仪表对地下水位测量的范围更大，且便于安装和运输，对螺纹的牙数进行合理设置，使安装管螺纹连接之后，能保证第一电阻2、导电层11 和压力传感片4能够顺利的拼接在一起，同时拼接之后，弹簧14和导电片16之间将会紧密接触，同时相互挤压，保证相邻第一电阻2和导电层11之间的导电效果，密封圈可防止地下水通过螺纹连接处进入第一安装槽和第二安装槽的内部。同时在本实施例中，拼接时每段安装管1中导线的连接均采用相邻第一电阻之间的连接方式，保证导电效果。且还可以采用第一电阻的上端单独设置弹性导电片的方式，来保证拼接之后的导电效果。

还包括一种水位测量装置的水位计算方法，具体为：(1)设第二电阻的长度为L₀，阻值为R₂，第二电流计测得电流为I₀，电源电压为U₀，则有：I₀＝U₀/R₂。

(2)设井斜(钻孔中心线与铅垂线的夹角)角度为α，安装时仪器中心轴线倾角与井斜角度一致，第一电阻的长度为L，当水位变化至h高度时，压力传感片由于水压作用，h 以下部分会紧贴第一电阻，从而使第一电阻上部长度为L-(h/cosα)部分被接通，第一电流计测得电流为I，此时有：I＝U₀/R_L-(h/cosα)。

(3)由于第一电阻和第二电阻U₀相等，从而有：I₀·R₂＝I·R_L-(h/cosα)；

进而有：R_L-(h/cosα)/R₂＝I₀/I；

由于电阻1和电阻2截面积和材料电阻率均相同，有：R_L-(h/cosα)/R₂＝[L-(h/cosα)]/L₀；

由以上两式联合推导出：L-(h/cosα)＝(I₀/I)·L₀。

(4)安装本装置时，安装孔口高程可测(设为H₀)，则地下水位高程H推导可得：

H＝H₀-[L-(h/cosα)]·cosα＝H₀-(I₀/I)·L₀·cosα，带入已知量即可算出此时地下水位的高度。

当钻孔竖直时，井斜α＝0°，此时cosα＝1，此时有：H＝H₀-(I₀/I)·L₀。

需要提前说明的是，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种水位测量装置，其特征在于，包括位于地面上方第一电流计、第二电流计、控制系统和电源，所述控制系统包含数据采集计算模块和通信模块，数据采集计算模块和通信模块电性连接，以及设置在地面下的第一电阻、第二电阻、压力传感片和安装管，所述控制系统的通讯模块与远程监测系统无线连接，所述安装管的侧壁在竖直方向上设有进水孔，所述安装管上相对设有第一安装槽和第二安装槽，所述第一电阻和第二电阻的材料、横截面形状和面积均相同，所述第二电阻设置在第二安装槽内，所述第一电阻和压力传感片依次安装在第一安装槽内，且二者之间设有安装间隙，所述压力传感片的两侧与第一安装槽的内侧豁口边沿弹性密封连接，所述压力传感片在受到外界水压时，受压部位向外侧产生折弯形变与第一电阻的侧面贴合，压力消失时会自动脱离复位，所述压力传感片朝向第一电阻的一侧设有导电层，与之对称的另一侧设有绝缘层；

所述电源的一极通过导线和导电层的下端电性连接，所述电源的另一极通过导线和第一电阻的上端电性连接，所述第一电流计设置在电源和导电层之间的导线上，所述第二电阻、第二电流计和电源形成回路，所述第一电流计和第二电流计与控制系统的数据采集计算模块电性连接。

2.根据权利要求 1 所述的一种水位测量装置，其特征在于，所述导电层为导电涂层、导线丝和导电片中的任意一种。

3.根据权利要求 1 所述的一种水位测量装置，其特征在于，所述电源、第一电流计和第二电流计的连接导线设置在第一安装槽和第二安装槽内。

4.根据权利要求 1 所述的一种水位测量装置，其特征在于，所述安装管可根据实际测量水位的深度进行若干段拼接，所述相邻安装管的端部采用螺纹连接，且相邻安装管的端部拧紧后，相邻第一电阻在安装管的轴线方向上的投影重合，相邻所述安装管的螺纹连接部设有密封垫圈，位于最下端的所述安装管设有密封端，所述安装管内的第一电阻和导电层的上端均分别设有弹簧，第一电阻和导电层的下端均分别设有导电片。

5.根据权利要求 1 所述的一种水位测量装置，其特征在于，所述安装管的底部设有排沙孔，所述安装管的上端设有高压清洗设备。

6.根据权利要求 4 所述的一种水位测量装置，其特征在于，所述密封端的上表面为斜面。

7.根据权利要求 5 所述的一种水位测量装置，其特征在于，所述排沙孔位于底面位置较低处安装管的壁上。

8.根据权利要求 7所述的一种水位测量装置，其特征在于，还包括设置在安装管外侧的保护套筒，所述保护套筒从上至下设有第二进水孔，所述安装管和保护套筒之间卡接固定。

9.根据权利要求 1 所述的一种水位测量装置，其特征在于，所述控制系统的通讯模块上设置有开关，所述开关设置在锁箱内。

10.根据权利要求 1 所述的一种水位测量装置，其特征在于，所述第一电阻的两侧设有绝缘限位块，所述压力传感片包括两侧的弹性片和中部的刚性片，所述刚性片的宽度大于第一电阻的宽度，所述导电层设置在刚性片朝向第一电阻方向的表面上。

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