CN219301738U - 窨井水位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水位测量领域，为窨井水位测量装置，包括外壳、主板、雷达传感器和压力传感器，雷达传感器和压力传感器分别与主板连接；其中主板和雷达传感器封装于外壳内，并安装到窨井内壁的安装支架上，压力传感器沿着窨井内壁墙面通过连接杆固定在安装支架上，其中连接杆的长度大于外壳的高度，从而使得压力传感器的探头位于外壳底部的下方。本实用新型根据水位的高低情况，利用压力传感器和雷达传感器优势进行分段测量，达到全量程无盲区测量。

Description

窨井水位测量装置

技术领域

本实用新型涉及水位测量领域，尤其涉及窨井水位测量装置。

背景技术

随着经济的发展，城市日新月异，大中城市的建设在突飞猛进高速发展，城市圈也在不断扩大，地表径流水量不断增大，这对城市管网在排水能力等方面的建设也提出了更高的要求，方能在强降雨来临避免引起城市内涝，避免下穿隧道、立交桥下、城市道路等路面窨井大量冒水。

目前市面上有多种不同的窨井水位计，如超声波水位计、投入式压力水位计、雷达水位计等水位测量装置，各有缺点：超声波水位计存在测量盲区，且受温度影响；投入式压力水位计容易受污水腐蚀，且需要导气管连通外界大气压；雷达水位计功耗大等。此外，这些水位测量装置多为分体式设备，一般由电池、主机RTU、传感器三部分组成，因而体积庞大、难于安装，供电采用12-24V电池供电，需要进行多个电压转换，导致电池利用效率不高；一般采用单个水位传感器，不能进行优势互补、发挥优势，存有测量盲区。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种窨井水位测量装置，深度融合了非接触式测量与接触式测量，能根据水位的高低情况，利用非接触式传感器(压力传感器)和接触式传感器(雷达传感器)的优势进行分段测量，达到全量程无盲区测量。

本实用新型的窨井水位测量装置，包括外壳、主板、雷达传感器和压力传感器，雷达传感器和压力传感器分别与主板连接；其中主板和雷达传感器封装于外壳内，并安装到窨井内壁的安装支架上，压力传感器沿着窨井内壁墙面通过连接杆固定在安装支架上，其中连接杆的长度大于外壳的高度，从而使得压力传感器的探头位于外壳底部的下方。

本实用新型的窨井水位测量装置，水位低于压力传感器探头底部时，水位传感器采集非接触式传感器测量水位值；当水位高于压力传感器探头底部且处于非接触式传感器有效测量区域，需要非接触式传感器校准压力传感器，以非接触式传感器测量为准；当水位高于非接触式传感器有效测量区域(测量盲区)，水位传感器以压力传感器为准，并进行滤波，估算出最优的水位值。在一个优选的实施例中，窨井水位测量装置还包括地埋通信天线，所述地埋通信天线埋在窨井旁。所述地埋通信天线埋在窨井旁后，通过水泥砂浆、沥青或者环氧树脂密封处理；从而不影响通信，还达到防水作用。

在优选的实施例中，所述主板包括微处理器，以及分别与微处理器连接的负载开关、NB通信模块、LORA通信模块、充电模块、蓝牙模块、存储模块、电量监测模块、温湿度模块、进水检测模块和位移传感器。

通过温湿度模块、进水检测模块监测结构内部环境，通过位移(加速度)传感器监测结构外部环境，主要监测结构是否发生了非法位移，若结构出现了内外部异常即可将异常信息上传至监控平台并进行报警，便于及时维护。

窨井水位测量装置将电池模块、雷达测距探头、遥控终端RTU等设备置于一个结构内，大大减轻了设备重量、节省了模具成本、简便了安装、减少了维护工作量。

与现有技术相比，本实用新型取得了如下有益效果：

1、深度融合了非接触式测量与接触式测量，能根据水位的高低情况，利用非接触式传感器和接触式传感器的优势进行分段测量，达到全量程无盲区测量，解决了现有水位计采用单一水位传感器，不能进行优势互补，存有测量盲区的技术问题。

2、体积实现了小型化，集成电池、主机RTU、两种传感器一体化设计，电池并联直接供电方式(不串联、无需任何电压转换，利用率接近100％)，具有容易安装、维护成本低、设备功耗低、产品小型化等优点，解决了现有水位计难以长时间工作的技术问题。

3、设备所有部件直接使用电池电源，无需电源转换模块，电池有效利用率接近100％，延长了电池的工作时间，降低了设备维护成本。

4、能兼容不同雷达传感器，节省模具费用和数量，降低生产成本，小型化设计低成本，安装简单方便。

5、可监测设备内外部工作环境，包括温度、湿度、积水、位移等参数，出现异常时能够迅速上报异常情况，降低了设备维护成本，减少维护工作量。

附图说明

图1是本实用新型窨井水位测量装置的模块框图；

图2是本实用新型窨井水位测量装置的监测安装示意图；

图3是本实用新型窨井水位测量装置的智能监测示意图之一(非接触式测量区)；

图4是本实用新型窨井水位测量装置的智能监测示意图之二(非接触式测量和校准区)。

具体实施方式

压力传感器具有超紧凑的体积、高精度分辨率、量程较大、防水等级高的线性压力传感器模块，可以通过测量压力的方式转换为对应水位值。超声波传感器具有超紧凑的体积、高精度分辨率、量程较大、防水等级高，传输介质为空气，通过时差法测出探头距水面的距离。雷达传感器测量过程不受温度、气压、泥沙、灰尘、河流污染物、水面漂浮物、空气等环境影响；采用脉冲相参雷达(PCR)技术，具有很高的测量精度和更低的功耗以及超小的体积，优化的算法使测量结果更加精确稳定。基于此，本实用新型提出的窨井水位测量装置，利用非接触式(雷达传感器)测量校准接触式测量(压力传感器)、取长补短、深度融合、发挥优势，且具备实现小型化设计条件。

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式进行详细说明，但是本实用新型的实施方式并不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例的窨井水位测量装置，包括塑料外壳(主机)1、电缆2、环氧树脂3、电池4、压力传感器5、雷达传感器6、显控板100、主板200；显控板100上设有水平仪101、磁开关102、显示模块104等；主板200包括微处理器201，以及分别与微处理器连接的负载开关202、NB通信模块203、LORA通信模块204、有线/无线充电模块205、蓝牙模块206、存储模块208、电量监测模块209、温湿度模块210、进水检测模块211、位移传感器212等；主板和显控板通过电缆2连接，显控板上设置的水平仪、磁开关、显示模块通过电缆分别与微处理器连接。

显控板100的水平仪101，用于确保设备水平安装，以免二次反射回波造成测距不准；磁开关102是一种非接触式开关，微处理器201根据磁铁控制磁开关时间的长短来开启与关闭设备、蓝牙，进一步降低功耗；显示模块104用于显示如充电、工作状态等信息。

电池4采用可充电式或者一次性大容量锂电池，内置保护板。微处理器201负责与各模块进行通信，协调控制各模块有序工作。负载开关202采用低损耗的MOS管作为工作电压开关。NB通信模块203、LORA通信模块204分别用于远距离、近距离与监控平台通讯，以NB通信模块为主，LORA通信模块为辅，互为备份的通信方式。

无线充电模块源于无线电能传输技术，充电模块与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，充电模块及用电装置都可以做到无导电接点外露。本实施例集成有线、无线两种充电方式，蓝牙模块用于设备的调试、参数查询和设置，磁开关为非接触式开关提高设备可靠性，无线充电、蓝牙模块和磁开关不用有线连接设备，有助于设备达到IP68防水等级，提高设备的防水能力。

窨井雷达水位计安装于昼夜温差大、高湿、腐蚀性强的恶劣窨井环境中，IP68设备一旦外壳防护因高温、盐雾等长期腐蚀导致设备进水或者存在积水，维护人员并不能立即察觉到，只能等到设备因水腐蚀彻底损坏而不能工作，前往现场拆机时才能发现，此时的设备已经难以修复或者修复成本巨大，损失惨重。因此，本实用新型的窨井水位测量装置通过温湿度模块，以获取测量装置结构内部的温度、湿度；而进水检测模块置于结构最底部，用于监测结构内部是否进水或者存在积水，一旦温度、湿度、进水检测模块的检测结果异常则迅速向监控平台报警，便于及时维护。即本实用新型可实现窨井水位测量装置内部环境的监测。

另一方面，窨井雷达水位计安装在无人值守的窨井中，一般是定期巡检或设备异常时维护人员去现场查看，导致运维成本高，一旦设备因窨井水流溢出、市政施工破坏、偷盗等原因致设备发生位移(位置)变化时，水位测量数据不准确，严重时可能导致系统异常报警，直到维护人员去现场查看方能发现设备被盗或被破坏，进而导致监控长时间无数据，运维成本高。因此，本实用新型的窨井水位测量装置通过位移传感器(或加速度传感器)监测非法位移，一旦发生较大位移立即向监控平台报警。

地埋通信天线：由于窨井井盖会屏蔽导致通讯信号衰减严重，若离开基站距离近则通信问题不大，一旦超过一定距离则难以通信，因此本实施例通过设计一种地埋天线，埋在窨井旁，然后通过水泥砂浆、沥青或者环氧树脂密封处理，又不影响通信，还达到防水作用。雷达传感器为非接触式测量传感器，本实用新型可兼容不同雷达传感器，满足不同测量场景需求。此外，使用塑料外壳，以及注入环氧树脂包裹显控板、产品灌胶，从而可以长时间在深水中浸泡,达到IP68防水等级，大大提高了产品的可靠性。

如图2所示，本实施例的安装方式如下：安装支架9用膨胀螺栓11固定在窨井内壁，主机1安装在安装支架9上并用螺栓8固定；压力传感器5沿着窨井内壁墙面通过连接杆10固定在安装支架上，其中连接杆10的长度大于外壳1的高度，从而使得压力传感器5的探头位于外壳1底部的下方；地埋通信天线7与封装于外壳1内的NB通信模块连接，其连接线经安装支架布局而连接至外壳1；其中，NB通信模块与微处理器连接。本实施例中，安装支架9、膨胀螺丝11均采用不锈钢材料，耐腐蚀能力强。

由于水位测量装置多为分体式设备，体积庞大、难于安装；采用12V电池供电需要进行多个电压转换，导致电源利用效率不高，因此设备部件选型方法如下：设备部件选型原则：主机RTU、传感器等部件使用统一工作电源；小型化、一体化、低功耗设计；电池直接供电方式(不串联、可并联，无任何电压转换，利用率接近100％)。低功耗元器件选型原则：对一直上电工作的微处理器应该尽量选择低功耗版本的处理器、同一个厂家pin to pin芯片、兼容以前老产品用过的元器件，在工作和休眠时功耗更低；NB通信模块、LORA通信模块尽量选择国产的低功耗型号、批量生产型号，其稳定性好；雷达传感器需要选择低压低功耗的传感器，其余模块同样遵循上述原则。

本实施例中，窨井水位测量装置将电池、雷达传感器(测距探头)、主板200等模块置于一个外壳内，大大减轻了设备重量、节省了模具成本、简便了安装、减少了维护工作量。装置可以根据水位的高低情况，利用压力传感器和雷达传感器优势进行分段测量，达到全量程无盲区测量。

如图3、4所示，本实用新型对窨井水位的测量工作原理如下：

1、正常工作水位不高于压力传感器探头底部时，为对应的非接触式测量区，通过采集非接触式传感器(雷达传感器)的数值测量水位值，测量雷达空距值为L，对应的水位值为H＝L₂+L₃+L₄-L≦L₄。

2、当水位高于压力传感器探头底部且处于非接触式传感器有效测量区域，即L₄<H≦L₄+L₃，为对应的非接触式测量和校准区，需要通过非接触式雷达传感器校准压力传感器，由于两者存在相关性，可采用多次采集并计算实际的大气压平均值。根据压力传感器测量原理可以知道，测量的压强P是静止水体压强Pw和大气压强P₀之和，水体压强与水深成正比例关系，具体如下：

L(k)+H(k)＝L₂+L₃+L₄ (1)

P(k)＝P₀(k)+P_W(k)＝P₀(k)+ρg(H(k)-L₄)＝P₀(k)+ρg(L₂+L₃-L(k)) (2)

P₀(k)＝P(k)-ρg(L₂+L₃-L(k)) (3)

其中ρ为水的密度，g为重力加速度，两者均为常数，L₁为井盖到非接触式雷达传感器探头的距离，L₂为非接触式雷达传感器的盲区长度，L₃为非接触式雷达传感器盲区外(测量量程开始区域)至压力传感器探头底部的距离，L₄为压力传感器探头底部到井底的距离，L(k)为非接触式雷达传感器测量距离(空距)，H(k)为相应的水位高度(水深)，井盖到井底的距离L＝L₁+L₂+L₃+L₄，k为整数且0≦k≦m(例如m＝20)，考虑到大气压在短时间内变化不大，可以认为P₀恒定，对m次测量计算所得P₀(k)取平均值：

3、当水位高于非接触式传感器有效测量区域(测量盲区)，上述的平均值

可以用于接触式测量区(压力传感器测量区域，L₄+L₃≦H)的应用初始化，得到的测量压强P为：

即可得到窨井的水位值为：

采用上述校准值(也可通过物联网方式获得当地高精度的实时大气气压值)，并使用常规的Kalman滤波器进行滤波，得出最优的水位值。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.窨井水位测量装置，其特征在于，包括外壳、主板、雷达传感器和压力传感器，雷达传感器和压力传感器分别与主板连接；其中主板和雷达传感器封装于外壳内，并安装到窨井内壁的安装支架上，压力传感器沿着窨井内壁墙面通过连接杆固定在安装支架上，其中连接杆的长度大于外壳的高度，从而使得压力传感器的探头位于外壳底部的下方。

2.根据权利要求1所述的窨井水位测量装置，其特征在于，窨井水位测量装置还包括地埋通信天线，所述地埋通信天线埋在窨井旁。

3.根据权利要求2所述的窨井水位测量装置，其特征在于，所述地埋通信天线埋在窨井旁后，通过水泥砂浆、沥青或者环氧树脂密封处理。

4.根据权利要求2所述的窨井水位测量装置，其特征在于，所述主板包括微处理器、NB通信模块，NB通信模块与微处理器连接；所述地埋通信天线与封装于外壳内的NB通信模块连接，其连接线经安装支架布局而连接至外壳。

5.根据权利要求1所述的窨井水位测量装置，其特征在于，所述主板包括微处理器，以及分别与微处理器连接的负载开关、NB通信模块、LORA通信模块、充电模块、蓝牙模块、存储模块、电量监测模块、温湿度模块、进水检测模块和位移传感器。

6.根据权利要求1所述的窨井水位测量装置，其特征在于，窨井水位测量装置还包括显控板，显控板上设置的水平仪、磁开关、显示模块通过电缆分别与微处理器连接。

Images