CN216283780U - 一种稻田地表水位自动检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种稻田地表水位自动检测装置，能够全自动监测大田水稻地表水位并自动计算出水稻日耗水量，包括触水信号检测模块、重锤测针、牵引绳、绕线轮、控制器、步进电机和脉冲控制器，重锤测针通过牵引绳悬挂在待测水位测点处，牵引绳绕制在绕线轮上；所述控制器通过脉冲控制器控制步进电机来控制牵引绳的收放，利用触水信号检测模块检测到重锤测针的触水信号来停止步进电机，通过脉冲控制器来记录步进电机旋转圈数，从而计算重锤测针的移动高度，进而得出水位；本实用新型通过步进电机的分步控制提高了重锤测针上下移动距离的检测精度，精度可达0.1mm，实现了测针测量水稻地表水层自动化读数，并大大提高了水位测量的量程。

Description

一种稻田地表水位自动检测装置

技术领域

本实用新型属于农业灌溉技术领域，具体涉及稻田地表水位检测装置。

背景技术

2020年，我国相关部门调查统计全国水稻种植总面积稳定在4.5亿亩左右，水稻作为我国主要的粮食作物，科学、高产的种植水稻至关重要。而在水资源日益枯竭及农田水环境保护背景下，如何在农田高效节水的前提，保障水稻产量是一项研究课题。水稻高效节水中最核心的是清楚水稻作物的耗水量，只有知道了水稻耗水量数据，才能制定科学的灌溉制度及推广全自动水稻灌溉技术。我国各省灌溉试验站一直在开展水稻作物需水量、灌溉制度的研究并取得了阶段性成果。

目前，国内各省灌溉试验站开展水稻耗水量测定时受自动测量水稻地表水位设备精度不够的限制，多数单位延用的监测方式仍然是人工测针监测，科研人员使用气象蒸发皿上的手动水位测针每天按时到水稻田间测量水稻田地表水位变化后人工分析日耗水量或每个生育期的耗水量。少数试验站观测人员应用高精度液位传感器自动测量水稻田间地表水层，此种方式因受液位传感器结构和安装测量方式限制，设备易损坏且监测分辨率达不到水稻日蒸发要求的0.1毫米级监测要求，无法准确监测出水稻日耗水量。

现有技术CN211121454U公开了一种自动采集读数的水位测针装置，该装置采用丝杠螺母机构驱动测针上下移动，不仅丝杠螺母机构容易损坏，无法适应稻田恶劣环境，而且丝杠螺母机构行程有限，整个装置至少需要占用两倍行程所需空间，大行程的丝杠不仅价格昂贵，而且精度也低，因此无法大面积推广应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有水稻稻田地表层水位采用人工检测，不仅操作繁琐而且测量精度低的问题，提供了一种稻田地表水位自动检测装置，能够全自动监测大田水稻地表水位并自动计算出水稻日耗水量。

本实用新型是这样实现的：

一种稻田地表水位自动检测装置，其特征在于：包括触水信号检测模块、重锤测针、牵引绳、绕线轮、控制器、驱动绕线轮转动的电机和用于检测牵引绳收放量的传感器，所述重锤测针通过牵引绳悬挂在待测水位测点处，所述牵引绳绕制在绕线轮上；所述触水信号检测模块用于检测重锤测针的触水信号，并将重锤测针的触水信号发送给电机控制电机停止。

优选的，所述电机为步进电机，对应的所述传感器为步进电机配套的脉冲控制器。

优选的，还包括将绕线轮和步进电机包裹在内的防雨外壳。

优选的，还包括测针保护管，所述测针保护管设于稻田待测水位处，所述重锤测针通过牵引绳驱动在测针保护管内上下移动。

优选的，所述测针保护管下部四周设有若干透水孔。

优选的，所述测针保护管外壁其还包裹有用于防止泥沙透过的过滤网。

优选的，所述重锤测针包括大田水位测针和设于大田水位测针上的配重。

优选的，所述触水信号检测模块包括接地电极和用于测量大田水位测针与大地之间是否电导通的信号检测装置。

本实用新型有益效果是：本实用新型提供的这种稻田地表水位检测装置，通过采用牵引绳式升降机构，不仅有效解决了使用手动测针测量水稻地表水层而无法实现自动化的问题，同时相比压差和电阻型的液位传感器测量精度更高。

本实用新型采用分离式设计，与大田水、淤泥及病虫生物等恶劣环境近距离接触的仅仅有重锤测针，将后端脉冲控制器及其电子芯片等电气部分与其分离，并通过防雨外壳保护起来，大大提高了设备的寿命。

本实用新型通过步进电机提高了重锤测针上下移动距离的检测精度(步进电机的控制精度可达每周6400个控制点)，分辨率0.01mm，精度可达0.1mm。

本实用新型通过绕线轮和牵引绳驱动重锤测针上下移动，使得量程可以达到1m左右，大大提高了水位测量量程，可以长周期在稻田使用，能完全应对枯水期和洪水期，实现长周期准确监测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种稻田地表水位自动检测装置的工作原理示意图；

图中：1-控制器，2-安装支座，3-步进电机，4-绕线轮，5-牵引绳，6-防雨外壳，7-重锤测针，8-测针保护管，9-过滤网，10-接地电极，11-水面，12-电阻表，13-脉冲控制器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供了一种稻田地表水位自动检测装置，包括触水信号检测模块、重锤测针7、牵引绳5、绕线轮4、驱动绕线轮4转动的电机和用于检测牵引绳5收放量的传感器，所述重锤测针7通过牵引绳5悬挂在待测水位测点处，所述牵引绳5绕制在绕线轮4上，所述绕线轮4和电机通过安装支座2安装在大田待测水位的测点处；所述触水信号检测模块用于检测重锤测针7的触水信号，并将重锤测针的触水信号发送给电机控制电机停止。

需要测量稻田水位时，启动电机，电机带动绕线,4转动，释放牵引绳5，重锤测针7下行，触水后，触水信号检测模块检测到触水信号当做停止信号发给电机，使得电机停止，此时通过传感器记录或者测量重锤测针7的高度，即可得出大田水位。

作为一种优选实施例，为了提高自动化程度，还可以设置一个控制器，所述触水信号检测模块与重锤测针7电性相连，用于接收重锤测针7的触水信号，所述控制器1与电机电性相连，用于控制电机启停，所述触水信号检测模块与控制器1电性相连，用于将触水信号发送给控制器1。

所述控制器1具体可以为计算机、工控机或者PLC控制器，控制器1内也可以内置定时器，利用定时器定时启动电机测量，当需要测量时，启动电机带动绕线轮4转动，放线，重锤测针7在自身重力作用下下降，当重锤测针7下端接触到水面时，通过触水信号检测模块检测到触水信号，触水信号检测模块将重锤测针7的触水信号发送给控制器1，控制器1将触水信号当做停止信号发送给电机，控制电机停止，此时重锤测针7下端所在位置记为大田水位，通过传感器记录或者测量重锤测针7的高度，即可得出大田水位。

需要说明的是，上述控制器1在解决本发明技术问题中的主要作用并非控制方法，而是发出控制电机的启停信号，比如根据计时器发出启动信号，或者人工触发电机的启动信号，当控制器1接收到触水信号检测模块检测到的触水信号时，马上发出停止信号，将电机停止，

检测牵引绳5收放量的传感器有很多，比如直接的距离传感器、通过检测绕线轮4转动圈数来计算获取的编码器等等。本实施例中，还提供一种省掉单独传感器的案例，比如采用步进电机3作为驱动电机，步进电机3具有配套的脉冲控制器13。

水位测量时，人为启动，或者控制器1发出测量启动信号给脉冲控制器13，控制步进电机3以设定的速度转动，进行放线，当重锤测针7下端接触到水面时，通过触水信号检测模块检测到触水信号，触水信号检测模块将重锤测针7的触水信号发送给控制器1，控制器1将触水信号当做停止信号发送给电机，控制电机停止，此时重锤测针7下端所在位置记为大田水位，通过脉冲控制器13记录的电机转动圈数(比如将一周分为3600份，每个脉冲点代表一份，一个脉冲点信号代表3600分之一个圆周)，而电机转动圈数等于或固定比于绕线轮4的转动圈数，通过转动圈数乘以绕线轮4周长即可得出牵引绳5收发放量，也就是重锤测针7下行移动距离，通过重锤测针7初始高度减去重锤测针7下行移动距离，得到重锤测针7接触水面时高度，即可得出大田水位，而一个脉冲信号步进电机3的转动角度或者圈数即为水位检测的精度。

需要说明的是，上述测针测量水位的原理为现有技术基本原理，具体到本发明，比如，触水信号检测模块电极和用于测量大田水位测针与电极是否导通的信号检测装置，信号检测装置可以为电阻表、电流表或者继电器等等都可以，所述电极具体可以设置为两种形式，第一种为接地电极10，接地电极10埋设在水位测点附近的大田内，电阻表12用于测量接地电极10与重锤测针7之间的电阻(如果是电流表，则是测电流突变，如果是继电器，则是直接发出控制信号，当然还需要有继电器配套的电源等等，为公知常识，不再详细说明)，当重锤测针7接触水面时，电阻表12会检测到电阻突然变小(虽然纯净水为绝缘体，但实际大田等地雨水为导体)，即为电阻突变信号，也可以记为触水信号。另外一种方式是将电极与重锤测针7的针尖之间绝缘并列设置，电阻表12检测电极和针尖之间的电阻，当重锤测针7触水时，针尖和电极同时触水，两者之间电导通，电阻表12会检测到电阻突然变小，即为电阻突变信号，也是触水信号，将触水信号传输给控制器1，控制器1即会发出停止信号控制电机停止。上述测针测量水位的原理还有很多现有技术，比如CN2533453Y、CN109459116A以及CN211121454U等都记载相关的测针测量水位技术，本发明的发明点在于将测针与电气部分相分离，提高测针在恶劣环境下的适应能力，本发明的另一个发明点在于通过脉冲控制器13控制步进电机3，来驱动测针上下移动，通过脉冲控制器13的脉冲计数来获取测针高度，从而判断水位，避免了在恶劣环境下设置距离传感器，由于环境因素导致测量不准确的问题。

如图1所示，所述牵引绳5为强度高、形变小且具有良好导电性的钢丝绳，所述牵引绳5一端缠绕在所述绕线轮4上，另一端与所述重锤测针7相连接，使所述重锤测针7通过所述牵引绳5悬挂在稻田待测水位处，所述重锤测针7包括大田水位测针和设于大田水位测针上的配重，当然所述重锤测针7也可以采用金属材料一体制造成型，因其本身具有一定重量，使得所述牵引绳5能始终绷直并铅锤于水平面，所述控制器1通过所述脉冲控制器13能控制所述步进电机3带动所述绕线轮4转动，从而控制所述牵引绳5的收放，进而实现重锤测针7的自动升降功能；所述安装支座2上还设有一个将所述绕线轮4和所述步进电机3包裹其中的防雨外壳6，防止雨水淋湿设备。

相比于用水位测针手动测量水稻地表水位，本实用新型提供的这种实施例能够通过控制器1控制所述步进电机3定时自动对水位进行检测，从而实现了稻田地表水位检测的自动化，同时相比液位传感器以及现有的通过具体电阻值的变化测量水位的方式，本实用新型提供的这种通过测针接触水面时电阻的突变来判断当前水位的位置，测量值更加精确和稳定，而且也不会受水稻田的浑浊度及地域水中离子不同导致的测量误差的影响。

如图1所示，作为一种优选的实施例，还包括一个用于保证所述重锤测针7测量精度的测针保护管8，所述测针保护管8为底部侧壁开有若干呈梅花状分布的透水孔的有机玻璃管，其外壁还包裹有用于防止泥沙透过的过滤网9，所述过滤网9为100目纱布，所述测针保护管8垂直设置在水稻大田待测水位处，并将所述重锤测针7套入其中，使所述重锤测针7能在所述测针保护管8中上下运动，通过所述保护套能有效避免重锤测针7上下运行时在田间受水稻植株以及风速的干扰，而导致实际使用稳定性和重复性低的问题，同时有机玻璃的透明性也能方便实时查看重锤测针7的工作状态。

如图1所示，在本实用新型实施例中，考虑到在户外稻田环境潮湿泥泞，所述控制器1和触水信号检测模块设置在室内或专门的控制箱中，通过缆线与设置在田间的检测模块进行连接，从而使得大部分易受环境影响的电子元器件与机械结构部分能够相互分离，从而延长整个装置在野外田间潮湿泥泞的环境中的使用寿命。

本实用新型实施例提供的一种稻田地表水位自动检测装置的具体工作流程如下：

将所述触水信号检测模块的接地电极10接入稻田地表水中，将触水信号检测模块的电阻表12两个接口分别与重锤测针7和接地电极10电性相连，如以钢丝绳作为牵引绳5，那么将电阻表12一端与钢丝绳相连，另一端通过导线与接地电极10相连即可，然后将电阻表12的信号输出与控制器1相连，所述控制器1通过脉冲控制器13控制步进电机3转动，从而带动重锤测针7在测针保护管8内向下运行寻找当前水位，当重锤测针7接触水面后，触水信号检测模块的检测回路中的电阻会发生突变，检测到触水信号，根据在寻找水位期间发送给步进电机3的脉冲数，可以计算出重锤测针7下降的行程，与此同时所述控制器1也会控制所述重锤测针7反向运动离开水面，回到初始状态。所述控制器1获取实时水位高度后，通过进一步计算还能得出早上8点-晚上8点每2个小时的水位变化量，同时通过对比每天8点时刻相对前一天的水位变化量，还可以得出水稻对应时刻的耗水量，并自动存储在所述控制器1或与控制器1配套的存储器中，从而进一步简化科研人员技术分析工作。

值得一提的是，本实用新型的保护范围并不限于水稻作物，通过改变相应的控制参数，同样的也可以满足其他种类相似或生长条件类似的水产农作物的需求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种稻田地表水位自动检测装置，其特征在于：包括触水信号检测模块、重锤测针、牵引绳、绕线轮、驱动绕线轮转动的电机和用于检测牵引绳收放量的传感器，所述重锤测针通过牵引绳悬挂在待测水位测点处，所述牵引绳绕制在绕线轮上；所述触水信号检测模块用于检测重锤测针的触水信号，并将重锤测针的触水信号发送给电机控制电机停止。

2.根据权利要求1所述的稻田地表水位自动检测装置，其特征在于：所述电机为步进电机，对应的所述传感器为步进电机配套的脉冲控制器。

3.根据权利要求2所述的稻田地表水位自动检测装置，其特征在于：还包括将绕线轮和步进电机包裹在内的防雨外壳。

4.根据权利要求2所述的稻田地表水位自动检测装置，其特征在于：还包括测针保护管，所述测针保护管设于稻田待测水位处，所述重锤测针通过牵引绳驱动在测针保护管内上下移动。

5.根据权利要求4所述的稻田地表水位自动检测装置，其特征在于：所述测针保护管下部四周设有若干透水孔。

6.根据权利要求4所述的稻田地表水位自动检测装置，其特征在于：所述测针保护管外壁包裹有防止泥沙进入的过滤网。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的稻田地表水位自动检测装置，其特征在于：所述重锤测针包括大田水位测针和设于大田水位测针上的配重，所述触水信号检测模块包括接地电极和用于测量大田水位测针与大地之间是否电导通的信号检测装置。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的稻田地表水位自动检测装置，其特征在于：所述牵引绳为具有导电性能的钢丝绳。

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