水位流量传感器、水位流量监测系统及水位流量监测方法

摘要

本发明旨在提供一种可精确快速测量水位流量、使用寿命长、工作稳定的水位流量传感器、水位流量监测系统及水位流量监测方法，该水位流量传感器包括其上设置有多个触点的水位探测杆、与触点连接的多路电压比较电路、与多路电压比较电路对应连接的多路选择电路、接收多路选择电路输出信号的主控电路、与主控电路连接的数据变送输出电路；本水位流量监测系统包括上位机、上述水位流量传感器，水位流量传感器经由RS-232/RS-485转换器与上位机对应连接，其本发明具有耐腐蚀、使用寿命长，可在水体内连续监测渠道中水位流量，并将结果显示在数码管上及上位机中等优点。

说明书

技术领域

本发明及水位流量监测领域，具体涉及一种用于探测流量的水位流量传感器、水位流量监测系统及水位流量监测方法。 

背景技术

目前，我国是个缺水大国，而农业灌溉用水占我国总用水量的60%以上，因此，对农业实现精确灌溉，以节约农业水资源是农田灌溉的一项十分迫切的要求，同时也是实现可持续发展的重大举措。 

目前，在灌区常用的量水方法有流速仪量水、水工建筑物量水、特设量水设备量水等，其中流速仪量水主要以流速面积法为主，尽管测量精度高，但价格昂贵，操作麻烦，不便于大面积推广。对于灌溉渠道来说，该方法一般用于水位流量关系的校核率定和控制重要断面的水量监测。利用水工建筑物量水虽然简单易行，但误差较大，加之水工建筑物老化、变形、冲於等原因，测量精度没有保障。利用特设量水设备设施进行量水，设施工程造价高，且渠道水流情况对观测精度影响较大，如泥沙淤积、漂浮物影响等；且水位流量的率定工作量大，不便于实行数字和图形信息自动化传输。因此，我国灌区迫切需要结合灌溉渠道或河道实际情况，研发经济、实用，价格适宜、便于实现数字信息传输的水位流量量测和监测设备。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，旨在提供一种可精确快速测量水位流量的、且使用寿命长、工作稳定的水位流量传感器、水位流量监测系统及水位流量监测方法。 

为了实现本发明的目的，本采用的技术方案为： 

设计一种水位流量传感器，包括水位探测杆，在所述水位探测杆上设置有一定数量的触点，还包括与所述触点对应连接的多路电压比较电路、与所述多路电压比较电路对应连接的多路选择电路、用于接收所述多路选择电路输出信号并输出流量信号的主控电路、用于接收所述主控电路所输出的流量信号、并将流量信号传送至上位机的数据变送输出电路。

所述主控电路包括微控芯片、均与所述微控芯片对应连接的时钟电路、复位电路和JTAG接口电路，所述微控芯片为MSP430系列单片机中的任一一种。 

所述时钟电路包括低频振荡电路、高频振荡电路，所述低频振荡电路包括10.768KHz～32.768KHz的低频晶体振荡器，所述高频振荡电路包括450KHz～8MHz的高频晶体振荡器；所述多路选择电路包括多路复用器ADG732；所述数据变送输出电路包括与所述微控芯片对应连接的MAX3232芯片、与该MAX3232芯片对应连接的RS-232接口；所述复位电路为R-C复位电路。 

所述水位探测杆包括壳体，所述触点沿其轴线方向以0.5～5.0mm等间距距离设置在壳体外表面。 

所述触点为不锈钢螺钉，该不锈钢螺钉上的螺钉冒设置于所述壳体外表面。 

所述多路电压比较电路、多路选择电路、微控芯片、时钟电路均位于电路板上，所述电路板设置于所述壳体内部空腔中，并由环氧树将其密封。 

该水位流量传感器还包括与所述微控芯片对应连接的并用于显示流量信息的数码显示管组。 

一种水位流量监测系统，包括上位机、以上所述的水位流量传感器；所述水位流量传感器经由RS-232/RS-485转换器与所述上位机对应连接。 

一种利用以上所述水位流量监测系统进行水位流量监测的方法，包括如下步骤： 

①   将所述水位流量传感器的水位探测杆按常规方法布设于待检测的渠道或河流的对应位置处；

②   由水位流量传感器的多路电压比较电路采集不同触点间的电压并与参考电压进行比较，之后将结果输出至多路选择电路中；

③   多路选择电路将输入的电压信号进行编码并输入至水位流量传感器的主控电路中；

④   主控电路将输入至其内的编码信号处理为水深信号R，并将该水深信号R代入下式中计算出待检测渠道或河流对应位置处的流量Q：

            （1）；

式（1）中A为渠道过水断面面积；n为渠道糙率；i为渠道纵坡；其中，在水位流量传感器布设位点固定的情况下，渠道过水断面面积A与水深信号R呈对应的函数关系，因而只需测定对应的水深信号，即可获知对应检测点的流量；

⑤   所述主控电路将所得流量Q经由RS-232/RS-485转换器输出至上位机中、及输出至显示终端显示。

本发明的有益效果在于： 

1.本水位流量传感器测量精度高、稳定可靠，通过测得水位探测杆不同触点的电压值，并进行比较，通过微控芯片的分析处理后可将水位流量信息实时显示在显示终端上显示，便于工作人员直观的观察，其次可经由本传感器中的数据变送输出电路将输出信息传输至上位机中。

2.本发明的水位探测杆由不锈钢螺钉作为壳体外部的触点，并由环氧树脂将壳体内部空腔及电路板进行密封，在该传感器进水水中时，首先可可以使得本水位探测杆具有很好的耐腐蚀性、密封性，避免水体对该水位探测杆及其内部的电路造成腐蚀等损坏，增加其使用寿命。 

3.本发明流量监测系统在对水体进行流量监测时，不受室外坏境等因素影响，可将流量信号实时输出至室内上位机中，方便快捷的监测流量信息；便于操作人员的实时观察，节省人力、物力等资源；且该系统操作使用维护简便，生产制造成本低，易于推广使用。 

4.本发明流量监测系统在输出流量信号的同时，也可将水深R实时的输出至显示终端，以及上位机中，便于操作人员获知相关参数。 

附图说明

图1为本发明中水位探测杆主要结构示意图； 

图2为本发明水位流量传感器电路原理示意图；

图3为本发明中JTAG接口、复位电路、时钟电路及与微控芯片电路连接示意图；

图4为本发明中数据变送输出电路示意图；

图1中：1.电线；2.电路板；3.触点；4.壳体；5. 环氧树脂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明： 

实施例1：一种水位流量传感器，参见图1至图4，包括水位探测杆，该水位探测杆包括壳体4，在壳体4外表面沿其轴线方向上以2.0mm等间距距离设置有多个用于与外部电路（电路板2）连接的触点3，触点3为不锈钢螺钉，该不锈钢螺钉上的螺钉冒设置于壳体4外表面，如图1中所示。该水位流量传感器还包括与上述触点3对应连接的多路电压比较电路、与多路电压比较电路对应连接的并用于接收多路电压比较电路输出电压的多路选择电路、用于接收多路选择电路输出信号并输出水位信号的主控电路、用于接收主控电路所输出的流量信号、并将流量信号传送的数据变送输出电路。上述多路选择电路包括多路复用器ADG732。主控电路包括MSP430F149单片机、均与MSP430F149单片机对应连接的时钟电路、复位电路和JTAG接口电路，JTAG接口为MSP430F149单片机的程序下载器，同时JTAG接口也作为MSP430F149单片机的程序调试接口；JTAG接口的1、3、5、7、9、13引脚分别与MSP430F149单片机的TD0、TDI、TMS、TCK、DVss、RST引脚连接；时钟电路包括低频振荡电路、高频振荡电路，低频振荡电路包括32.768KHz的低频晶体振荡器Y2，其与MSP430F149单片机中的XIN、XOUTI/TCLK两引脚对应连接，高频振荡电路包括8MHz的高频晶体振荡器Y1、与该高频晶体振荡器Y1组成串联回路的电容C2、C3，该高频晶体振荡器Y1的两端与MSP430F149单片机中的XT2IN、XT2OUT两引脚对应连接。高频晶体振荡器Y1、低频晶体振荡器Y2为MSP430F149单片机分别提供32.768KHz和8MHz时钟；采用低频晶体振荡器Y2可以满足低功耗的要求，8MHz的高频振荡器Y1，在不用时可以将其关闭，以降低功耗。数据变送输出电路包括与MSP430F149单片机的UTXDO、URXDO引脚连接的MAX3232芯片、与该MAX3232芯片对应连接的RS-232接口；RS-232接口主要用于实现与上位机建立通信连接，将数据实现向上位机的传输。复位电路为R-C复位电路，包括串联的按键S、电阻R1，与按键S、电阻R1并联的电容C1，按键S与电容C1并联后与MSP430F149单片机中的RST引脚对应连接。该水位流量传感器还包括与MSP430F149单片机对应连接的并用于显示水位信息的数码显示管组，通过数码显示管组的显示可将经由该水位流量传感器检测处理的流量信息显示在数码显示管组上，便于直观的观察。上述的多路电压比较电路、多路选择电路、MSP430F149单片机、时钟电路均印刷于电路板2上，并将电路板2设置于壳体4内部空腔中，并由环氧树脂5将其密封，用于防止水进入其内对电路板造成损坏。通过电线1将检测的数据传输出去。其多路电压比较电路采集水位信号后，与参考电压比较，其输出电压（即比较结果）进入多路复用器ADG732的输入通道中，多路复用器ADG732的数据输出通道与MSP430F149单片机对应连接。上述多路复用器ADG732根据其上的5位二进制地址线A0、A1、A2、A3和A4能够编码成32个地址，其多路复用器ADG732上的五位地址选端依次与MSP430F149单片机的P6.3、P6.4、P6.5、P6.6和P6.7引脚相连，这样单片机通过改变这几个IO口（P6.3、P6.4、P6.5、P6.6、P6.7引脚）的输入，就可以改变ADG732的选通地址，将32路输入之一切换至公共输出端。多路复用器ADG732的控制端CS、WR和EN依次与MSP430F149单片机的P3.0、P3.1和P3.2与相连，单片机改变P3.0、P3.1和P3.2引脚的输入就可以改变ADG732的工作状态。

本发明还涉及一种水位流量监测系统，包括上位机、以上所述的水位流量传感器；该水位流量传感器经由RS-232/RS-485转换器与上位机对应通信连接。 

本发明还涉及一种利用以上所述水位流量监测系统进行水位流量监测的方法，包括如下步骤： 

①   将所述水位流量传感器的水位探测杆按常规方法布设于待检测的渠道或河流的对应位置处；

②   由水位流量传感器的多路电压比较电路采集不同触点间的电压并与参考电压进行比较，之后将结果输出至多路选择电路中；

③   多路选择电路将输入的电压信号进行编码并输入至由水位流量传感器的主控电路中；

④   主控电路将输入至其内的编码信号处理为水深信号R，并将该水深信号R代入下式中计算出待检测渠道或河流对应位置处的流量Q：

             （1）

式（1）并计算出其流量Q；试中A为渠道过水断面面积；n为渠道糙率；i为渠道纵坡；其中，在水位流量传感器布设位点固定的情况下，渠道过水断面面积A与水深信号R呈对应的函数关系，因而只需测定对应的水深信号，即可获知对应检测点的流量；

⑤   所述主控电路将所得流量Q经由RS-232/RS-485转换器输出至上位机中、及输出至数码管组（显示终端）上显示。

所述式（1）包括由如下步骤得到： 

（1）确定渠道的渠道糙率n、过水断面面积A、渠道纵坡i。

   （2）将渠道过水断面面积A、水深R代入均匀流公式（2）中： 

     （2），

其中C为谢才系数；

（3）将曼宁公式代入均匀流公式（2）中，即可得到：

。

从该式可以看出，在渠道断面形状、尺寸、纵坡及糙率确定后，渠道中水流流量仅仅是水深R的函数。故只要能测到渠道中的水深R，就可计算出渠道中水流流量。假定渠道为圆形管道，其横截面为圆形，在该圆形管道确定后其形状、尺寸、纵坡及糙率均能确定，其过水断面面积，其中D为该圆形管道直径，为充满角；且，从该式可看出，在该圆形管道确定后其D可直接得出，水深可由本水位流量传感器测得，故该式中的充满角便可得出，故过水断面面积便可得出；因此流量Q便可得出。再如假定渠道横截面为矩形，其上下宽为d,高为L,A=d(L-R)；由该式可得出在该矩形渠道确定后其上下宽、高均可确定，故其A仅是R的函数，故只需测得水深R便可得出过水断面面积A，故中只需只需测得水深R便可得出Q的大小。 

本发明的本水位流量传感器、水位流量监测系统、及与两者相结合的水位流量检测方法具有如下优点： 

①本水位流量传感器只需要3.3VDC的锂电池进行供电即可，功耗低。

②在使用时，本水位流量传感器从非活动状态转入低功耗模式休眠状态的电流只有0.7μA。 

③本水位流量传感器当外部中断时，从休眠状态进入活动状态只需要6μS。 

本发明选取黄河下游河南省人民胜利渠灌区东干渠为试验点，该渠道采用混凝土衬砌。将本发明与流速仪（流速仪为目前流速检测相对准确的一种仪器）观测的流量实测值进行对比，试验数据及其误差分析见表1。 

表1  流量监测对比 

由上表观测结果可知，本发明的流量测量值与流速仪观测的流量实测值相比，最大相对误差在2.89%，本发明完全可以满足水文规范要求，符合水文观测规范精度要求。同时，为实现我国农田灌溉渠道水位流量观测自动化和数字信息与图形自动传输提供技术支持，为灌区实现科学化精细灌溉，实现节约用水，提高科学管理水平提供条件。

最后指出，本实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。