CN103364046A - 气介式智能水位计及水位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气介式智能水位计及水位测量方法，气介式智能水位计包括处理器、存储单元、供电单元、传输模块和水位采集单元，其中，存储单元、传输模块和水位采集单元均与处理器和供电单元相连，供电单元和处理器相连；水位采集单元包括压力传感器和密封气管，密封气管套接在压力传感器连接口上，且压力传感器连接口直径与密封气管管径相当。本发明方法通过密封气管将液压转换为气压变化，通过压力传感器采集气压变化，处理器根据气压变化推算探测点至液面的深度，并获得水位值。本发明具有体积小、使用便捷、测量准确、环境依赖性低等优点，可广泛应用于各种环境的工业、水利及农业生产中。

Description

气介式智能水位计及水位测量方法

技术领域

本发明属于水位测量技术领域，尤其涉及一种气介式智能水位计及水位测量方法。

背景技术

随着水资源日益匮乏，如何精确计量水资源的消耗，实现水资源的高效、合理、准确利用，便成为了现代农业发展的关键需求之一。具有精准、自动记测并配以遥传功能的现代水位计能较好地满足上述需求，因此得到了极大的应用和发展。

区别于早期的自记式水位计，现代水位计多采用传感器来感知水位变化，按传感器工作原理可划分为浮子式水位计、压力式水位计及气泡式水位计等。这几类水位计虽都能够满足水位测量需求，但由于对应用环境都有着较强针对性，故也存在着诸多不足：浮子式水位计需建设专用测井，投资费用高；压力式水位计受计量水质条件影响，误差较大；气泡式水位计装置复杂，财力物力成本高，且数据采集较慢。此外，现有水位计多采用市电或太阳能提供电源，易受天气、供电情况及传输线路影响；在数据传输上，现有水位计算与远端控制中心之间多采用有线传输方式，不利于大规模应用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种使用便捷、测量准确、环境依赖性低的气介式智能水位计及水位测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种气介式智能水位计，包括处理器、存储单元、供电单元、传输模块和水位采集单元，其中，存储单元、传输模块和水位采集单元均与处理器和供电单元相连，供电单元和处理器相连；水位采集单元包括压力传感器和密封气管，密封气管套接在压力传感器连接口上，且压力传感器连接口直径与密封气管管径相当。

上述压力传感器为硅集成压力传感器。

上述密封气管为胶皮软管或无缝钢管，具有防腐蚀性。

上述传输模块为无线传输模块。

上述供电单元为锂电池。

上述存储单元为TF卡，且以FAT32文件***存储数据。

本发明气介式智能水位计还包括显示模块。

一种水位测量方法通过密封气管将液压转换为气压变化，通过压力传感器采集气压变化，处理器根据气压变化推算探测点至液面的深度，并获得水位值。

上述的处理器根据气压变化推算探测点至液面的深度，具体包括步骤：

压力传感器感应到气压变化后输出电压V_out；

处理器根据输出电压V_out推算气压变化值P，即为探测点处液压；

处理根据气压变化值P和液体密度推算探测点至液面的深度。

本发明水位测量方法，还包括步骤：

根据获得水位值和水位报警界限判断水位是否超限，若水位超限，则通过传输模块向远程控制中心发生报警信息；若水位未超限，则将水位值作为历史数据保存至存储单元。所述的通过传输模块向远程控制中心发生报警信息式采用网络模式、短信控制模式或电话控制模块。

本发明水位测量方法中，处理器根据预设的数据采集周期和定时上报周期判断是否需要采集水位数据或向远程控制中心上报水位数据，当不需要采集水位数据且不需要向远程控制中心上报水位数据时，水位计处于休眠模式，即，处理器处于休眠状态，传输模块、显示模块和水位采集单元关闭。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明采用气介式的被动接触方式采集水位数据，装置轻便，安装简单，无需建测井，无需复杂装置及笨重气瓶，可大大降低功耗且稳定性好；在水位变幅过快时，也能快速采集水位数据，精度高，兼容性好，对环境依赖低，可广泛应用于各种环境的工业、水利及农业生产中。

2、本发明水位测量方法独特，将水位转化为气压变化，变水压感知为气压感知，压力传感器不直接接触液体，可防阻塞、防结垢，从而延长压力传感器使用寿命。

3、本发明的优选方案采用锂电池独立供电，使用寿命长，且不受天气、市电供电情况等的影响，方便随时监测水位，特别适合现场无法供电的野外水渠、水井等地的巡回检测，可靠性强。

4、本发明的优选方案采用无线通信方式将采集数据传送给远程控制中心，无需布线，便于安装，具有很大的灵活性、准确度。

5、本发明通过存储单元实现水位数据的FAT32文件***存储，使得存储单元可被PC识别并直接读写其中存储的数据，方便历史水位数据的查看和保存

6、本发明将控制装置一体化于壳体内，结构紧凑，且壳体还具有防水、防潮、抗电磁干扰、抗雷击等优点，实用性强。这里控制装置指处理器、供电单元、传输模块、存储单元和压力传感器。

7、本发明水位计在不需要采集水位数据或上报水位数据时，处于休眠模式，可降低功耗。

8、本发明可根据实际情况选择短信控制模式、网络模式或电话控制模式与远程控制中心进行通信，方便灵活。

附图说明

图1为本发明水位采集工作原理示意图；

图2为本发明一种具体实施的结构框图；

图3为本发明水位计的工作流程。

其中，1-壳体，2-显示窗口，3-密封气管，4-密封连接口，5-天线。

具体实施方式

本发明气介式智能水位计通过将液压转化为气压变化，变液压感知为气压感知，通过压力传感器感知气压变化，并根据气压变化推算水位值。

下面将结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

见图1～2，本具体实施水位计包括处理器、存储单元、供电单元、显示模块、传输模块和水位采集单元，处理器为MSP430型号低功耗系列微处理器；存储单元为TF卡，可实现水位数据的FAT32文件***存储，可被电脑识别并直接读写存储单元中存储的数据；供电单元为锂电池；显示模块包括显示电路和显示屏；传输模块为无线传输模块，并连接天线,所采用的天线频率范围为900/1800MHz、最大功率50W。

水位采集单元包括压力传感器和密封气管3，压力传感器为MPX5010DP型号硅集成压力传感器，密封气管3为防腐蚀性良好的胶皮软管或无缝钢管。密封气管套接在硅集成压力传感器的外凸连接口上，并采用固体凝胶密封，连接处见图1中的密封连接口4，硅集成压力传感器连接口直径与密封气管管径相当。使用时，密封气管一端伸入液体中，该端端头固定于探测点。探测点处液体挤压密封管内空气，从而将探测点液压通过密封气管传递至压力传感器连接口。

将密封气管3一端固定于探测点的一种具体方法为：在密封气管外套一段硬质管，可以为金属管或硬塑料管，将硬质管固定于支架，支架固定在渠道底床或侧床上。

本发明的处理器、存储单元、供电单元、显示模块和传输模块均置于壳体1内，为保证壳体1的防水、防潮及抗电磁干扰，壳体1为密封的不锈钢或塑料壳体。壳体1上设有透明的显示窗口2，透过显示窗口2可观察显示屏上显示的内容。

本发明涉及的原理及理论基础如下：

水位计采集水位信息时，液压压缩密封气管内空气，将探测点液压传递至压力传感器；根据压力传感器的输出电压推算探测点至液面的深度，并获得水位值。

以MPX5010DP型号硅集成压力传感器为例，该压力传感器通过感知密封气管内的气压变化，形成输出电压V_out：

V_out＝V_s·(0.09×P+0.04)±5.0%V_Fss     （1）

式（1）中：

V_S为传感器输入电压，本具体实施例中，V_S＝5.0V；

V_FSS为误差造成的干扰电压：

V_FSS＝Pressure.Error×Temp.Factor×0.09×V_S     （2）

Temp＝0～85℃     （3）

Pressure.Error为压强采集过程中产生的误差，待测压强在0～10kPa范围内时，其误差不超过±0.5kPa，待测压强不在此范围内时，其误差大于±0.5kPa；

Temp.Factor为压强采集结果受温度影响的系数；

Temp为传感器工作的最佳温度范围，在0°～85℃温度范围工作时，Temp.Factor＝1，即采集结果不受温度变化影响；当传感器工作在-40°～0℃或85°～125℃时，Temp.Factor随温度升高或降低线性变化，最高为3.0。

压力传感器的输出电压V_out转换成对应的ADC值后传输至处理器，处理器根据公式（1）获得压强值P，即探测点处液压；采用液体的深度-压强公式（4）推算探测点至液面的深度h：

P＝ρgh     （4）

式（4）中：

ρ为液体密度，g为重力加速度；由P和ρ即可推算探测点至液面的深度h，h加上液位基值即为测量的水位值。液位基值为探测点到水底的距离。

图3为本发明水位计的工作流程。水位计上电开机时，检测存储单元、传输模块、显示模块的运行状态，若检测到故障，则根据故障类型，产生故障提示；若无故障，则根据预设值，初始化数据采集周期、定时上报周期和水位报警界限限等运行参数，随即启动。本发明水位计在不需要采集水位信息且不需要上报水位数据时，处于休眠模式，此时，处理器处于休眠状态，无线传输模块、显示模块和水位采集单元均关闭，主要保留实时时钟单元工作。

根据数据采集周期判断是否需要采集水位数据。当需要采集水位数据时，实时时钟单元产生相应中断，唤醒处理器，处理器进入正常工作状态，随即发出电平信号导通与压力传感器中ADC模块（模数变化器）相连的三极管；ADC模块开始工作，处理器连续读取ADC模块输出的ADC值，待ADC值稳定后，取读取的一系列ADC值的平均值，并根据ADC平均值、公式（1）和公式（4）推算实时水位值，该过程大概需要2～3秒，同时，处理器控制显示模块更新显示实时水位值。

获得实时水位值后，根据水位报警界限判断水位是否超限。若实时水位值超过报警界限，开启无线传输单元，与远程控制中心建立通信连接，并将水位超限报警信息发送至远程控制中心，发送完毕后断开与远程控制中心的通信连接并关闭无线传输单元；若无法与远程控制中心成功建立通信连接，可采用短信控制模式或电话控制模式与远程控制中心进行通信，发送完毕关闭无线传输单元。若实时水位值未超过报警界限，则将此次采集的水位数据作为历史数据保存至文件***，随后水位计进入休眠模式，等待下一次唤醒。

根据定时上报周期判断是否需要采集上报水位数据。当需要上报时，实时时钟产生相应中断，唤醒处理器，处理器进入正常工作状态。首先，处理器读取上次上报结束至本次上报之间采集并保存的水位数据，开启无线传输单元，与远程控制中心建立通信连接，并将水位数据发送至远程控制中心，发送完毕后断开与远程控制中心的通信连接并关闭无线传输单元；若无法与远程控制中心成功建立通信连接，处理器采用短信控制模式或电话控制模式与远程控制中心进行通信，，发送完毕关闭无线传输单元。上报结束后，关闭无线传输单元，水位计进入休眠模式，等待下一次唤醒。

为了提高水位计与远程控制中心通信的灵活性，本发明处理器与远程控制中心的通信除了采用传统的网络模式外，即服务器登录模式交互信息，还包括短信控制模式和电话控制模式。短信控制模式指处理器通过向远程控制中心的手机号码发送短信命令，与远程控制中心进行信息交互；电话控制模式指处理器通过电话呼叫远程控制中心的手机号码，与远程控制中心进行信息交互。

Claims (10)

1.一种气介式智能水位计，其特征在于，包括：

处理器、存储单元、供电单元、传输模块和水位采集单元，其中，存储单元、传输模块和水位采集单元均与处理器和供电单元相连，供电单元和处理器相连；水位采集单元包括压力传感器和密封气管，密封气管套接在压力传感器连接口上，且压力传感器连接口直径与密封气管管径相当。

2.如权利要求1所述的气介式智能水位计，其特征在于：

所述的压力传感器为硅集成压力传感器。

3.如权利要求1所述的气介式智能水位计，其特征在于：

所述的传输模块为无线传输模块。

4.如权利要求1所述的气介式智能水位计，其特征在于：

所述的供电单元为锂电池。

5.如权利要求1所述的气介式智能水位计，其特征在于：

所述的存储单元为TF卡，且以FAT32文件***存储数据。

6.一种水位测量方法，其特征在于：

通过密封气管将液压转换为气压变化，通过压力传感器采集气压变化，处理器根据气压变化推算探测点至液面的深度，并获得水位值。

7.如权利要求6所述的水位测量方法，其特征在于：

所述的处理器根据气压变化推算探测点至液面的深度具体为：

压力传感器感应到气压变化后输出电压V_out；

处理器根据输出电压V_out推算气压变化值P，即为探测点处液压；

处理根据气压变化值P和液体密度推算探测点至液面的深度。

8.如权利要求6所述的水位测量方法，其特征在于，包括步骤：

根据获得水位值和水位报警界限判断水位是否超限，若水位超限，则通过传输模块向远程控制中心发生报警信息；若水位未超限，则将水位值作为历史数据保存至存储单元。

9.如权利要求8所述的水位测量方法，其特征在于：

所述的通过传输模块向远程控制中心发生报警信息式采用网络模式、短信控制模式或电话控制模块。

10.如权利要求6所述的水位测量方法，其特征在于：

处理器根据预设的数据采集周期和定时上报周期判断是否需要采集水位数据和向远程控制中心上报水位数据，当不需要采集水位数据且不需要向远程控制中心上报水位数据时，水位计处于休眠模式，即，处理器处于休眠状态，传输模块、显示模块和水位采集单元关闭。

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