CN214471162U - 一种便于安装的地下水位监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种便于安装的地下水位监测装置，其包括设置在水面上的安装平台和安装支架，安装支架上设置有监测分析装置，监测分析装置包括用于测量重力的电子测力计和与电子测力计电性连接的处理器；电子测力计下方设置有空心管，空心管的整体为密封结构，空心管顶部通过拉绳与电子测力计连接，空心管的底部连接有配重体，本方案中的电子测力计、处理器和通信模块均设置于水面上，水位监测装置不会出现因进水而导致的电气元件的损坏，且安装和维护水位监测装置方便，极大的提高了安装和维护的效率。

Description

一种便于安装的地下水位监测装置

技术领域

本实用新型涉及水位监测技术领域，特别涉及一种便于安装的地下水位监测装置。

背景技术

地下水监测是水利、环境、地质、交通、农业等部门的一项基础工作。进行地下水水位、水质和水温等要素的监测工作，在水资源的管理、保护、利用等方面发挥着重要的作用，对我国经济发展、人民生活都具有重要意义。另外，对滑坡等地质灾害进行地下水位监测，还能进一步了解滑坡等地质灾害的稳定性影响因素，进一步判断滑坡等地质灾害的变形趋势，更好地确保人民群众生命财产安全。

现有技术中的水位监测装置，结构复杂，成本较高，计算过程复杂，且水位监测装置中的主要监测仪器均需要设置在地下水位下，容易导致水位监测装置中电气元件进水损坏，且在对整个水位监测装置进行安装和维护时，需要将水位监测装置提升至水面上，导致安装和维护极为不便，降低了安装和维护的效率。

实用新型内容

针对现有技术中的上述问题，本实用新型提供了一种便于安装的地下水位监测装置，解决了现有技术中水位监测装置需要设置于地下水位液面下，导致不方便安装和维修的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

提供一种便于安装的地下水位监测装置，其包括设置在水面上的安装平台，安装平台上设置有位于水面上的安装支架，安装支架上设置有监测分析装置，监测分析装置包括用于测量重力的电子测力计和与电子测力计电性连接的处理器；

电子测力计下方设置有空心管，空心管顶端的高度高于常年最高水位线，空心管的整体为密封结构，空心管顶部通过拉绳与电子测力计连接，空心管的底部连接有配重体，配重体设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体处于悬空状态，配重体不会因空心管所受浮力变化而上浮。

进一步地，监测分析装置还包括与处理器电性连接的通讯模块。

进一步地，处理器为PLC单片机。

进一步地，配重体的顶面与空心管的底部螺纹密封连接。

进一步地，配重体的顶部为圆锥形或半球形。

进一步地，拉绳的材质为高强度钢丝绳。

进一步地，空心管根据实际测量环境，可以由多段管体连接构成，每段管体均为中空密封结构，每段管体的长度可为0.5m～3m，优选为2m，相邻两端的管体通过螺纹密封连接，位于空心管底端的管体底部与配重体顶面连接。空心管具体的连接方式为每段管体的顶部设置有螺纹槽，底部设置有螺纹端，相邻的两段管体通过螺纹槽和螺纹端配合的方式连接，且螺纹槽和螺纹端的长度相等，能完全无缝连接；位于空心管底端的管体的底部通过螺纹端与配重体的顶面连接，且配重体顶面的螺纹槽与空心管的螺纹端长度相等，能使空心管的螺纹端刚好全部嵌入配重体，从而保持空心管横截面积不变，提高测量精度。

本实用新型的有益效果为：1、本方案中的电子测力计、处理器和通信模块均设置于水面上，水位监测装置不会出现因进水而导致的电气元件的损坏，且安装和维护水位监测装置方便，极大的提高了安装和维护的效率。

2、本方案中通过将配重体设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体处于悬空状态，空心管的顶端设置于常年最高水位线上；在地下水位液面高度没变时，电子测力计记录当前重力读数，即拉绳、空心管和配重体三部分重力之和减去空心管和配重体两者受到的浮力之和；在地下水位的液面高度改变时，空心管所受到的浮力也发生相应的变化，此时电子测力计采集得到重量数据发生变化，根据电子测力计数据的变化，可以直接推测出地下水位当前高度，整个装置结构简单，成本低，便于维护，可以在水位监测技术领域推广应用。

3、本方案中水位监测装置的精度可根据实际测量精度要求进行方便的调整或提高。一是可以通过提高电子测力计的精度来实现，在空心管直径一定的情况下，当电子测力计的精度提高后，该装置可感受更小长度的空心管浮力变化，但该种方法会增大电子测力计的成本，且受制于目前的技术条件限制；二是空心管的直径可以调整大小，在电子测力计的精度值一定的情况下，可以通过增大空心管的直径来获取更高的测量精度，空心管的直径增大，其单位长度所受到的浮力也增大，当地下水位液面高度变化时，空心管单位长度所受浮力变化也更大，从而使该装置测量也更加灵敏，从而提高整个水位监测装置的测量精度。

附图说明

图1为一种便于安装的地下水位监测装置的结构示意图。

图2为空心管的结构示意图。

其中，1、安装平台；2、安装支架；3、电子测力计；4、处理器；5、空心管；501、管体；502、螺纹槽；503、螺纹端；6、拉绳；7、配重体；8、通讯模块。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

如图1～2所示，本实用新型提供一种便于安装的地下水位监测装置，其包括设置在水面上的安装平台1，安装平台1上设置有位于水面上的安装支架2，安装支架2上设置有监测分析装置，监测分析装置包括用于测量重力的电子测力计3和与电子测力计3电性连接的处理器4；处理器4可以为PLC单片机。监测分析装置还包括与处理器4电性连接的通讯模块8，在处理器4测量出水位高程后，并由通讯模块8向远程监测系统或监测终端传输数据。通讯模块8的型号可以为NRF52832蓝牙通讯模块8，通讯模块8的型号也可以为AB433P西门子plc专用无线通讯模块，实现无线通讯功能；本方案中的电器元件之间的连接关系和选型为现有的成熟技术，故在此不赘述电气元件之间的电路结构和工作原理。

本方案中的电子测力计3、处理器4和通信模块均设置于水面上，水位监测装置不会出现因进水而导致的电气元件的损坏，且安装和维护水位监测装置方便，极大的提高了安装和维护的效率。

电子测力计3下方设置有空心管5，空心管5顶端的高度高于常年最高水位线，空心管5的整体为密封结构，空心管5顶部通过拉绳6与电子测力计3连接，拉绳6的材质为高强度钢丝绳，减少拉绳6受配重体7和空心管5的重力而产生的形变，可以提高整个水位监测装置的测量精度。即使长时间使用后拉绳6有微量伸缩，可以通过测量空心管5顶部高程，并修正公式参数，进行方便的校正。

空心管5的底部连接有配重体7，配重体7的顶面设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体7处于悬空状态，配重体7的体积和重量满足水位上升空心管5浮力变化时不会产生上浮。

配重体7的顶面与空心管5的底部螺纹密封连接，方便拆卸和连接；

配重体7的顶部为圆锥形或半球形，水中的泥沙基本无法附着在配重体7的顶部，可以避免配重体7上部泥沙沉淀影响配重体7的重量而造成测量误差。即使长期使用，泥沙沉淀到配重体上造成配重体质量有轻微改变，或者拉绳伸缩长度有轻微变化，也可以通过定期校正电子测力计3安装时的初始读数和安装时地下水位高程进行高精度测量。

空心管5根据实际测量环境和需求可以由多段管体501连接而成，每段管体501均为密封中空结构，每段管体501的上表面和螺纹端503的之间的长度为0.5m～3m，根据实际测量环境和需求，空心管5长度可进行变化和优选，且根据空心管5的横截面积和长度可以选择与其匹配的配重体5，使得配重体5不会因空心管5浮力变化而产生上浮。相邻两端的管体501通过螺纹密封连接，位于空心管5顶端的管体501顶部开口封闭，位于空心管5底端的管体501底部通过螺纹端503与配重体7顶面连接。

空心管5的具体实施方式：空心管5包括多段管体501，每段管体501的顶部设置有螺纹槽502，每段管体501的底部凸出设置有螺纹端503，相邻的两段管体501通过螺纹槽502和螺纹端503螺纹配合的方式连接，且螺纹槽502和螺纹端503的长度相等，能完全无缝连接，保证空心管5拼接后保持横截面积上下完全一致，提高测量精度，位于空心管5顶端的管体501顶部开口封闭，位于空心管5底端的管体501的底部通过螺纹端503与配重体7的顶面螺纹密封连接，且空心管5底端的管体的螺纹端503完全嵌入配重体7顶面的螺纹槽，可保证多段管体501连接之后，空心管5的横截面积保持不变且方便根据不同深度的监测水位点而现场拼接，提高整个水位监测装置的灵活性和使用范围。

本方案中的空心管5的直径可以调整大小，在电子测力计3的精度值一定的情况下，可以通过增大空心管5的直径，空心管5的直径增大，所受到的浮力也增大，当地下水位液面高度变化时，空心管5浮力变化也更大，也更加灵敏，可以提高整个水位监测装置的测量精度。在空心管5直径一定的情况下，也可以通过更改配重体7的密度和重量来获取不同的仪器测试量程。

本方案中水位监测装置的精度可根据实际测量精度要求进行方便的调整。一是可以通过提高电子测力计3的精度来实现，在空心管5直径一定的情况下，当电子测力计3的精度提高后，该装置可感受更小长度的空心管5浮力变化，但该种方法会增大电子测力计3的成本，且受制于目前的技术条件限制；二是空心管5的直径可以调整大小，在电子测力计3的精度值一定的情况下，可以通过增大空心管5的直径来获取更高的测量精度，空心管5的直径增大，其单位长度所受到的浮力也增大，当地下水位液面高度变化时，空心管5单位长度所受浮力变化也更大，从而使该装置测量也更加灵敏，从而提高整个水位监测装置的测量精度。

该装置量程可根据实际测量需求，方便的进行调整，生产出多种量程规格的产品：空心管5材料和直径一定，可通过两种方式来调整仪器测量量程，一是保持配重体7体积不变，通过更改配重体7密度实现；二是配重体7密度一定，可调整配重体7体积来获取不同的仪器测试量程。另外，若地下水密度ρ是变化的，应代入地下水最大的密度值进行计算，获取配重体7所需体积或密度，否则仪器在地下水密度变大时可能失效。

地下水位监测装置的测量原理为：安装时，配重体7必须全部淹没在地下水常年最低水位线之下，并使配重体7处于悬空状态，不能接触水底面。且无论水位变化到何高度，配重体7位置始终不会因空心管浮力增大而产生上浮，拉绳也不会因为浮力变化而产生较大伸缩。且在安装地下水位监测装置时，地下水位高程已知，此时电子测力计3的读数表示为拉绳6、空心管5和配重体7三部分重力之和减去空心管5和配重体7两者受到的浮力之和；随着地下水位高度的变化，空心管5被淹没的长度会发生改变，进而造成整个悬空部分所受浮力发生变化，从而造成电子测力计3读数的变化；处理器4根据电子测力计3读数的变化可以自动测量出当前水位高度。

具体计算过程为：设配重体7受浮力为F_浮-配重，水位监测装置安装好之后配重体7顶面高程为h₀，空心管5直径固定，其横截面积为S已知，安装时地下水位高程H₀可测为已知，则当地下水位高程变化至H时，电子测力计3读数相应由F₀变化至F，电子测力计3下部拉绳6、空心管5和配重体7三部分重力为G，则：

F₀＝G-F_浮-配重-ρgS(H₀-h₀)

F＝G-F_浮-配重-ρgS(H-h₀)

从而得到：F-F₀＝ρgS(H₀-h₀)-ρgS(H-h₀)＝ρgS(H₀-H)，

推导出地下水位：H＝H₀-[(F-F₀)/ρgS]。

上述公式中：ρ为地下水密度，g为重力加速度，H₀为安装时地下水位初始高程，H为水位变化后的当前高程，F₀为电子测力计3安装时的初始读数，F为电子测力计3的当前读数。由于地下水密度ρ、重力加速度g、安装时的地下水位初始高程H₀、电子测力计3的初始读数F₀均为可测已知量，从而可根据电子测力计3的读数由上述公式进行测量。

另外，尽管本方案中，已通过对配重体7顶面进行锥形体设置，尽量避免泥沙沉淀引起配重体重量改变而引起测量误差；且对拉绳6也尽量采用高强度材料减少长期使用的伸缩造成测量误差。但为获取更高精度的测量结果，可以在仪器长时间使用后，以某一时刻电子测力计的结果作为F₀，并通过测量空心管顶部高程对公式中的H₀进行校正即可。

本方案中的地下水位监测装置通过将配重体7设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体7处于悬空状态，空心管5的顶端设置于常年最高水位线上；在地下水位液面高度没变时，电子测力计3记录当前重力读数，即拉绳6、空心管5和配重体7三部分重力之和减去空心管5和配重体7两者受到的浮力之和；在地下水位的液面高度改变时，空心管5所受到的浮力也发生相应的变化，此时电子测力计3采集得到的重力数据发生变化，根据电子测力计3数据的变化，可以直接推测出地下水位当前高度，整个装置结构简单，成本低，便于维护，可以在水位监测技术领域推广应用。

本方案中的地下水位监测装置，安装简便，核心部件均在地表，方便维护安装。传统的压力式水位计当泥沙沉淀时，会影响仪器测量精度甚至影响仪器正常使用；但本装置水下结构为悬浮状态，电子元件均在地面之上，不会因泥沙填埋影响仪器正常使用，即使长期使用，泥沙沉淀到配重体7上造成配重体质量有轻微改变，或者拉绳6伸缩长度轻微变化，也可以通过定期校正测量公式中的F₀和H₀进行高精度测量。该地下水位监测装置适用于地下水密度不怎么变化的情况下，对地下水位进行高精度测量；当地下水密度变化较大时，如需进行较为精确地测量，需要频繁人工测量地下水密度ρ，并对公式中的ρ值进行替换。

Claims (7)

1.一种便于安装的地下水位监测装置，其特征在于，包括设置在水面上的安装平台(1)，所述安装平台(1)上设置有位于水面上的安装支架(2)，所述安装支架(2)上设置有监测分析装置，监测分析装置包括用于测量重力的电子测力计(3)和与所述电子测力计(3)电性连接的处理器(4)；

电子测力计(3)下方设置有空心管(5)，所述空心管(5)顶端的高度高于常年最高水位线，空心管(5)的整体为密封结构，空心管(5)顶部通过拉绳(6)与电子测力计(3)连接，空心管(5)的底部连接有配重体(7)，配重体(7)设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体(7)处于悬空状态，配重体(7)不会因空心管(5)浮力变化而产生上浮。

2.根据权利要求1所述的一种便于安装的地下水位监测装置，其特征在于，监测分析装置还包括与所述处理器(4)电性连接的通讯模块(8)。

3.根据权利要求2所述的一种便于安装的地下水位监测装置，其特征在于，所述处理器(4)为PLC单片机。

4.根据权利要求1所述的一种便于安装的地下水位监测装置，其特征在于，所述配重体(7)的顶面与所述空心管(5)的底部螺纹密封连接。

5.根据权利要求4所述的一种便于安装的地下水位监测装置，其特征在于，所述配重体(7)的顶部为圆锥形或半球形。

6.根据权利要求1所述的一种便于安装的地下水位监测装置，其特征在于，所述拉绳(6)的材质为高强度钢丝绳。

7.根据权利要求1～6任一所述的一种便于安装的地下水位监测装置，其特征在于，所述空心管(5)包括多段管体，每段管体的长度均为0.5m～3m，相邻两端的管体通过螺纹密封连接，位于空心管(5)顶端的管体顶部开口封闭，位于空心管(5)底端的管体底部与所述配重体(7)顶面螺纹密封连接。

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