一体化全量程窨井水位监测设备及监测方法
技术领域
本发明涉及一种水位监测设备,尤其是一种一体化全量程窨井水位监测设备及监测方法,属于水位监测技术领域。
背景技术
城市化的快速发展与建设造成地表径流系数增大,城市内涝形势日益严峻。造成城市内涝的重要原因之一是地下管网排水能力不足。因此,各大城市纷纷加强了对排水管网的监管。窨井水位是排水管网监管的核心对象,窨井水位监测的需求巨大,但是由于井下环境复杂恶劣,还没有让人十分满意的测量设备。
目前应用于窨井水位监测较多的设备包括超声波水位计、声波水位计、压力水位计等,都存在各自的弊端。超声波水位计易受温湿度等因素影响,井下潮湿的环境和较大的温度变化容易造成测量误差,且超声波存在测量盲区,无法监测窨井高水位时的情况。压力水位计一般基于表压测量,需要预留导气管,且探头部分容易受井下水流冲击并悬挂杂物。声波水位计需要立杆破路施工安装,工程量较大,对马路中间的窨井无法安装。
综上所述,非接触式的测量传感器安装维护较方便,但是存在测量盲区,压力水位计等接触式传感器由于需要下放到井底,容易受杂物影响,且当设备全淹没后无法直接测量大气压,故两者均存在局限性。绝压式压力传感器在无大气压补偿时偏差能达20-30cm,无法直接使用。因此,目前迫切需要一种新的窨井测量设备,既能实现非接触便捷安装,又能实现全量程测量。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的问题,提供了一种一体化全量程窨井水位监测设备,该设备采用一体化设计,集测量采集、数据传输、电源供电等于一体,采用便捷式可拆卸吊装结构,密封性好,适用于城市内涝、地下排水管网、污水井监测等各种恶劣环境。
本发明的另一目的在于提供一种窨井水位监测方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种一体化全量程窨井水位监测设备,包括绝压式压力传感器、雷达水位传感器、控制器、数据传输单元和供电管理单元,所述控制器分别与绝压式压力传感器、雷达水位传感器、数据传输单元、供电管理单元相连;
所述控制器,用于采集绝压式压力传感器和雷达水位传感器测量的水位数据,按量程分段计算处理得到实际窨井水位数据,并将窨井水位数据发送到数据传输单元;
所述数据传输单元,通过发射天线将窨井水位数据发送到数据中心。
进一步的,所述按量程分段计算处理得到实际窨井水位数据,具体包括:
若测量范围为绝压式压力传感器以下的测量范围,则通过雷达水位传感器完成窨井水位测量,此时绝压式压力传感器处于关闭状态;
若测量范围为雷达水位传感器与绝压式压力传感器交叉重叠的测量范围,则通过雷达水位传感器完成窨井水位测量,同时开启绝压式压力传感器,对绝压式压力传感器进行校准;
若测量范围为雷达盲区范围内至窨井内水位溢出的测量范围,则通过绝压式压力传感器完成窨井水位测量,此时雷达水位传感器处于关闭状态。
进一步的,还包括实时时钟芯片,所述实时时钟芯片分别与控制器、供电管理单元相连,用于通过供电管理单元定时唤醒控制器和数据传输单元。
进一步的,还包括内置电池和充电接口,所述充电接口与内置电池相连,所述内置电池分别与控制器、供电管理单元相连,用于为设备整体供电。
进一步的,还包括磁开关和蓝牙接口,所述蓝牙接口与控制器相连,所述磁开关与供电管理单元相连,用于通过供电管理单元唤醒控制器和数据传输单元,以及触发蓝牙接口运行。
进一步的,还包括可拆卸支架,所述设备通过可拆卸支架吊装在窨井测量位置。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种窨井水位监测方法,所述方法包括:
若水面处于量程第一部分区间,则通过雷达水位传感器测量输出雷达水位传感器与水面之间的距离,计算得到窨井水位;其中,量程第一部分区间为绝压式压力传感器以下的测量范围;
若水面上升至量程第二部分区间,则通过雷达水位传感器测量输出雷达水位传感器与水面之间的距离,计算得到窨井水位,同时开启绝压式压力传感器,对绝压式压力传感器进行校准,并得到绝压式压力传感器的校准公式;其中,所述量程第二部分区间为雷达水位传感器与绝压式压力传感器交叉重叠的测量范围;
若水面上升至量程第三部分区间,则通过绝压式压力传感器的校准公式计算得到窨井水位;其中,所述量程第三部分区间为雷达盲区范围内至窨井内水位溢出的测量范围。
进一步的,所述通过绝压式压力传感器进行校准,如下式:
H水=k·P水=k(P绝压-P大气)=k·P绝压-k·P大气=k·P绝压-Δb
=H绝压-Δb
=H-(L1-L2-L3-L4)
=L1-L2-H1-(L1-L2-L3-L4)
=L3+L4-H1
所述绝压式压力传感器的校准公式,如下式:
其中,k=1/(ρg),其中ρ为水体密度,g为重力加速度,均为常数,H为窨井水位,H1为雷达水位传感器与水面之间的距离,L1为窨井的井深,L2为雷达水位传感器与井口之间的距离,L3为雷达水位传感器的盲区范围,P水为静止水体的压强,P大气为大气压的压强。
进一步的,所述通过绝压式压力传感器的校准公式计算得到窨井水位,如下式:
H=H绝压-Δb+(L1-L2-L3-L4)
其中,L1-L2-L3-L4为绝压传感器的位置偏移值。
进一步的,所述方法还包括:
若水面下降至量程第二部分区间,雷达水位传感器恢复工作,此时将雷达水位传感器测量的数据与绝压式压力传感器测量的数据进行比较,若小于或等于指定偏差范围,判断绝压式压力传感器的数据质量满足要求,否则,判断绝压式压力传感器出现故障,判断方法如下式:
δ≥|max(Hi(绝压)-Hi(雷达))|,i=1,2,…n
其中,δ为指定偏差范围,Hi(绝压)表示绝压式压力传感器测出的水位,Hi(雷达)表示雷达传感器测出的水位,若上式成立,则判断绝压式压力传感器的数据质量满足要求,若上式不成立则判断绝压式压力传感器出现故障,量程第三部分区间的数据无效,通过数据传输单元向数据中心发出故障报警信号。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
1、本发明通过控制器可以采集绝压式压力传感器和雷达水位传感器测量的水位数据,按量程分段计算处理可以得到实际窨井水位数据,以实现全量程测量,并将窨井水位数据发送到数据传输单元,由数据传输单元通过发射天线将窨井水位数据发送到数据中心,集测量采集、数据传输、电源供电等于一体,适用于城市内涝、地下排水管网、污水井监测等各种恶劣环境。
2、本发明采用的按量程分段计算处理,可以将测量范围划分为三部分,第一测量范围是绝压式压力传感器以下的测量范围,通过雷达水位传感器完成窨井水位测量,此时绝压式压力传感器处于关闭状态,第二测量范围是雷达水位传感器与绝压式压力传感器交叉重叠的测量范围,通过雷达水位传感器完成窨井水位测量,同时开启绝压式压力传感器,对绝压式压力传感器进行校准,无需额外进行大气压补偿,第三测量范围是雷达盲区范围内至井内水位溢出,通过绝压式压力传感器完成水位测量,此时雷达水位传感器处于关闭状态,通过划分三部分测量,能实现窨井水位的全量程测量,实现了非接触式测量与零盲区的结合。
3、本发明在水位从第三测量范围下降至第二测量范围时,雷达水位传感器恢复工作,此时再将雷达水位传感器测量的数据与绝压式压力传感器测量的数据进行比较,当小于或等于指定偏差范围时认为绝压式压力传感器的数据质量满足要求,否则认为绝压式压力传感器出现故障,通过数据传输单元向数据中心发出故障报警信号,可以提醒工作人员对设备进行维护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例,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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的一体化全量程窨井水位监测设备的结构图。
图2为本发明实施例1的一体化全量程窨井水位监测设备的结构框图。
图3为本发明实施例1的一体化全量程窨井水位监测设备的窨井水位监测原理图。
图4为本发明实施例1的一体化全量程窨井水位监测设备的窨井水位监测流程图。
其中,101-机体,102-绝压式压力传感器,103-雷达水位传感器,104-控制器,105-数据传输单元,106-供电管理单元,107-发射天线,108-实时时钟芯片,109-内置电池,110-充电接口,111-磁开关,112-蓝牙接口,113-可拆卸支架。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
如图1和图2所示,本实施例提供了一种一体化全量程窨井水位监测设备,包括机体101、绝压式压力传感器102、雷达水位传感器103、控制器104、数据传输单元105和供电管理单元106,绝压式压力传感器102和雷达水位传感器103设置在机体101上,具体地,绝压式压力传感器102通过连接杆设置在机体101的底部,雷达水位传感器103设置在机体101的底部,控制器104、数据传输单元105和供电管理单元106设置在机体101内,控制器104分别与绝压式压力传感器102、雷达水位传感器103、数据传输单元(Data Transfer Unit,简称DTU)105、供电管理单元106相连。
控制器104可以采集绝压式压力传感器102和雷达水位传感器103测量的水位数据,按量程分段计算处理得到实际窨井水位数据,并将窨井水位数据发送到数据传输单元105;其中,按量程分段计算处理得到实际窨井水位数据,具体包括:
若测量范围为绝压式压力传感器102以下的测量范围,则通过雷达水位传感器103完成窨井水位测量,此时绝压式压力传感器102处于关闭状态。
若测量范围为雷达水位传感器103与绝压式压力传感器102交叉重叠的测量范围,则通过雷达水位传感器103完成窨井水位测量,同时开启绝压式压力传感器102,对绝压式压力传感器102进行校准,无需额外进行大气压补偿。
若测量范围为雷达盲区范围内至窨井内水位溢出的测量范围,则通过绝压式压力传感器102完成窨井水位测量,此时雷达水位传感器103处于关闭状态。
数据传输单元105可以通过发射天线107将窨井水位数据发送到数据中心,可以采用移动/电信双卡切换,数据开始无线传输前先读取两种网络信号的质量,选取信号质量较优的一路优先发送,当其发送超时失败时自动切换到另一路发送,从而保证传输可靠性,数据传输单元105优先采用NB-IOT网络,该发射天线107设置在机体101上,具体设置在机体101的顶部。
为了减少控制器104和数据传输单元105的使用频率,本实施例的设备还可包括实时时钟芯片(Real Time Clock,简称RTC)108,实时时钟芯片108设置在机体101内,其分别与控制器104、供电管理单元106相连,通过供电管理单元106可以定时唤醒控制器104和数据传输单元105,即控制器104和数据传输单元105平时处于休眠状态,当定时间隔到达时,由实时时钟芯片108唤醒控制器104和数据传输单元105,每次采集传输完成后,关闭唤醒控制器104和数据传输单元105电源,再次进入休眠状态,等待下一次的定时间隔到达。
进一步地,本实施例的设备还可包括内置电池109和充电接口110,内置电池109和充电接口110设置在机体101内,机体101在充电接口110的对应位置上开有充电孔,充电接口110与内置电池109相连,内置电池109为可充电充电,其分别与控制器104、供电管理单元106、实时时钟芯片108相连,用于为设备整体供电,当设备电量不足时,将整个设备从窨井取出后,连接充电接口110方便地对设备充电,无需拆开设备充电;优选地,充电接口110可以配备防水胶塞。
进一步地,本实施例的设备还可包括磁开关111和蓝牙接口112,磁开关111和蓝牙接口112设置在机体101内,磁开关111与供电管理单元106相连,可实现人工唤醒控制器104和数据传输单元105,具体通过供电管理单元106唤醒控制器104和数据传输单元105,而不需要等待实时时钟芯片108唤醒;蓝牙接口112与控制器104相连,磁开关111可以触发蓝牙接口112运行,通过移动终端(手机、平板电脑等)与设备进行蓝牙连接,利用移动终端上安装的APP可以实现水位信息查看、参数配置、历史存储数据获取、设备程序升级,利用磁铁贴近磁开关位置即可闭合开关,当磁铁远离磁开关位置时开关断开,设备掉电进入低功耗模式。
进一步地,本实施例的机体101上可以贴有二维码,通过移动终端的微信或APP应用扫描二维码可以进入监测页面,提供窨井实时水位数据显示、设备安装时间、安装地点、管理人员等基本信息、站点运维统计等。
为了方便安装和拆卸设备,本实施例的设备还包括可拆卸支架113,可拆卸支架113设置在机体101的一侧,通过可拆卸支架113与螺钉配合可以将设备吊装在窨井测量位置,通过旋开螺钉,可快速方便地取出设备,不影响窨井例行维护管养。
如图3和图4所示,本实施例还提供了一种窨井水位监测方法,该方法基于上述设备实现,包括以下步骤:
S401、若水面处于量程第一部分区间,则通过雷达水位传感器测量输出雷达水位传感器与水面之间的距离,计算得到窨井水位。
本步骤中,量程第一部分区间为绝压式压力传感器以下的测量范围,窨井水位采用下式计算:
H=L1-L2-H1 (1)
其中,H为窨井水位,H1为雷达水位传感器与水面之间的距离,L1为窨井的井深,L2为雷达水位传感器与井口之间的距离。
S402、若水面上升至量程第二部分区间,则通过雷达水位传感器测量输出雷达水位传感器与水面之间的距离,计算得到窨井水位,同时开启绝压式压力传感器,对绝压式压力传感器进行校准,并得到绝压式压力传感器的校准公式。
本步骤中,量程第二部分区间为雷达水位传感器与绝压式压力传感器交叉重叠的测量范围,窨井水位采用上述式(1)进行计算,但会通过通过绝压式压力传感器进行校准,校准方法如下:
由绝压式传感器的测量原理知,其测量到的压强实际是静止水体的压强P水加上大气压的压强P大气,而水深与水体压强成正比关系,因此需要减去大气压才能求得准确的水深值。
其中,k=1/(ρg),其中ρ为水体密度,g为重力加速度,均为常数,由于大气压在短时间内的变化可忽略不计,因此可认为Δb不变。因此可根据雷达水位计的测量值H1及绝压式传感器的H绝压求出Δb,经过该区间的多次测量取平均从而得到绝压式传感器的校准公式,记录得到的Δb,如下式:
S403、若水面上升至量程第三部分区间,则通过绝压式压力传感器的校准公式计算得到窨井水位。
本步骤中,量程第三部分区间为雷达盲区范围内至窨井内水位溢出的测量范围,校准公式由量程第二部分区间计算得到,由绝压传感器求出实际窨井水深的公式为:
H=H绝压-Δb+(L1-L2-L3-L4) (4)
其中,L1-L2-L3-L4为绝压传感器的位置偏移值。
进一步地,为了进行数据质量校核,本实施例的窨井水位监测方法还包括:
S404、若水面下降至量程第二部分区间,雷达水位传感器恢复工作,此时将雷达水位传感器测量的数据与绝压式压力传感器测量的数据进行比较,若小于或等于指定偏差范围,判断绝压式压力传感器的数据质量满足要求,否则,判断绝压式压力传感器出现故障,通过数据传输单元向数据中心发出故障报警信号。
判断方法如下式:
δ≥|max(Hi(绝压)-Hi(雷达))|,i=1,2,…n (5)
其中,δ为指定偏差范围,Hi(绝压)表示绝压式压力传感器测出的水位,Hi(雷达)表示雷达传感器测出的水位,若式(5)成立,则判断绝压式压力传感器的数据质量满足要求,若上式不成立则判断绝压式压力传感器出现故障,量程第三部分区间的数据无效。
实施例2:
本实施例为具体应用实例,绝压式压力传感器的连接杆长30cm,雷达盲区为15cm,即绝压式压力传感器与雷达水位传感器有15cm测量范围的重叠区间。
假设水位不断上升,进入量程第二部分区间后,在此区间内,雷达水位传感器依次测到的数据为A1,A2,……A10,同时,绝压式压力传感器依次测到的数据为B1,B2,……B10,依据校准公式有:
但此时仍然用雷达水位传感器的结果作为测量水位输出。
当水位继续上升进入第三部分区间后,由绝压式压力传感器校准后可得窨井水位:
H=H绝压-Δb+(L1-L2-L3-L4) (7)
综上所述,本发明通过控制器可以采集绝压式压力传感器和雷达水位传感器测量的水位数据,按量程分段计算处理可以得到实际窨井水位数据,以实现全量程测量,并将窨井水位数据发送到数据传输单元,由数据传输单元通过发射天线将窨井水位数据发送到数据中心,集测量采集、数据传输、电源供电等于一体,适用于城市内涝、地下排水管网、污水井监测等各种恶劣环境;采用的按量程分段计算处理,可以将测量范围划分为三部分,一是绝压式压力传感器以下的测量范围,通过雷达水位传感器完成窨井水位测量,此时绝压式压力传感器处于关闭状态,二是雷达水位传感器与绝压式压力传感器交叉重叠的测量范围,通过雷达水位传感器完成窨井水位测量,同时开启绝压式压力传感器,对绝压式压力传感器进行校准,无需额外进行大气压补偿,三是雷达盲区范围内至井内水位溢出,通过绝压式压力传感器完成水位测量,三部分实现全量程测量,可以提高窨井水位的测量精度。
以上所述,仅为本发明专利较佳的实施例,但本发明专利的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内,根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都属于本发明专利的保护范围。