一種地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位?溫度測量系統(tǒng)，包括曲柄連桿活塞氣泵、第1?第4兩位三通電磁閥、第1?第2一位兩通電磁閥、儲(chǔ)氣罐、第1?第2壓差傳感變送器、帶有顯示屏的控制器、耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜、溫度傳感器、溫度變送器和單向閥，耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜和溫度傳感器放置在地?zé)峋臏y管中；溫度傳感器、耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜的信號(hào)線、溫度變送器和控制器依次相連；第1?第4兩位三通電磁閥和第1?第2一位兩通電磁閥的電控端及第1?第2壓差傳感變送器的信號(hào)端和曲柄連桿活塞氣泵的啟動(dòng)控制端分別與控制器的接口端相連。采用加壓和抽氣融合方式進(jìn)行測量，該系統(tǒng)精度很高、耐高溫耐腐蝕、經(jīng)久耐用、抗振動(dòng)、抗干擾、可長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
【專利說明】
一種地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及地?zé)崴疁y量領(lǐng)域，特別是涉及一種地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 地?zé)崴诰€深動(dòng)態(tài)液位-溫度測量的意義在于保護(hù)潛水電栗的正常工作，避免 潛水電栗因?yàn)榭粘槎鴵p壞，更重要的是長期監(jiān)測地?zé)崴囊何缓蜏囟葦?shù)據(jù)，為地?zé)崴疅?能利用后的回灌平衡提供可靠動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以預(yù)防地面沉降，保護(hù)水工地質(zhì)環(huán)境。
[0003] 現(xiàn)在測水井的液位儀一般采用人工或伺服電機(jī)下線法，不能達(dá)到在線測量的目 的；采用依據(jù)硅壓力傳感器的原理的液位測量因其長距離大氣導(dǎo)管的彎曲，使得測量100-200米長距離、100米寬的動(dòng)態(tài)液位變化不能實(shí)現(xiàn)，即使實(shí)現(xiàn)，傳感導(dǎo)線因?qū)夤艿闹睆揭?求，傳感導(dǎo)線直徑很大，又因地?zé)崴臏囟雀?，在線長期測量采用依據(jù)硅壓力傳感器的原理 的液位測量，對傳感變送器使用環(huán)境(高溫)技術(shù)要求、封裝材料(鈦合金)和封裝技術(shù)(高溫 防水)要求都非?？量?，同時(shí)整個(gè)壓力變送器必須在標(biāo)準(zhǔn)的地?zé)峋臏y管(直徑為1英寸）中 投入放置，因此整個(gè)壓力傳感變送器的直徑要小于15mm。更進(jìn)一步說，由于壓力傳感變送器 長期在礦化度高的高溫地?zé)崴蟹胖?，壓力傳感變送器的外殼很快結(jié)垢并堵塞測量口，使 得壓力傳感變送器運(yùn)行失效。
[0004] 采用光纖光柵壓力和溫度測量方法，因其光纖包層的水解性和耐溫的限制（85攝 氏度），同時(shí)因?yàn)椴ㄩL解調(diào)器的成本問題，因此也不能適用于在線式地?zé)峋乃?溫度測 量。
[0005] 采用電容式水位測量系統(tǒng)(兩條平行的輻射交聯(lián)聚乙烯封裝的纜線）雖然耐地?zé)?水腐蝕和耐高溫，但由于抽水栗工況的干擾和200米長距離的探深，測量數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定，深 動(dòng)態(tài)的地?zé)峋粶y量根本無法進(jìn)行。
[0006] 氣泡水位計(jì)準(zhǔn)確量程最長40米，其測量值因介質(zhì)密度和溫度影響很大，因此不適 應(yīng)地?zé)崴纳顒?dòng)態(tài)水位測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述各種技術(shù)路線測量的缺點(diǎn)，提供一種耐高 溫、耐腐蝕、抗振動(dòng)和干擾、測量精度高且能長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行的地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài) 水位-溫度測量系統(tǒng)。
[0008] 為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] -種地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)，包括曲柄連桿活塞氣栗、第1-第4兩位三通電磁閥、第1-第2-位兩通電磁閥、儲(chǔ)氣罐、第1-第2壓差傳感變送器、帶有顯示 屏的控制器、耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜、溫度傳感器、溫度變送器和第1-第4單向閥，
[0010] 所述耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜和溫度傳感器放置在地?zé)峋臏y量管中；
[0011] 所述溫度傳感器、耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜的信號(hào)線、溫度變送器和控制器依次 相連；
[0012] 所述第1-第4兩位三通電磁閥和第1-第2-位兩通電磁閥的電控端以及所述第1-第2壓差傳感變送器的信號(hào)端和曲柄連桿活塞氣栗的啟動(dòng)控制端分別與所述控制器的接口 端相連;控制器通過與儲(chǔ)氣罐連接的第1、第2-位兩通閥進(jìn)行控制。
[0013] 以下均以導(dǎo)氣管密封連接:所述曲柄連桿活塞氣栗的出氣端口 Bl與第1兩位三通 電磁閥中的C2端口相連、兩位三通電磁閥中的A2端口與第2兩位三通電磁閥中的A3端口相 連，曲柄連桿活塞氣栗的進(jìn)氣端口 Al與第3兩位三通電磁閥中的C4端口相連，兩位三通電磁 閥的M端口與第4兩位三通電磁閥的B3端口相連;所述第1兩位三通電磁閥的B2端口、第3兩 位三通電磁閥的A4端口分別與第1、第4單向閥相連，其方向?yàn)榻邮沾髿夥较?，?兩位三通 電磁閥（3)的C3端口與第1 一位兩通電磁閥的一個(gè)端口A5相連，第1 一位兩通電磁閥的另一 個(gè)端口 B5與儲(chǔ)氣罐的一個(gè)端口 A6相連，儲(chǔ)氣罐的另一個(gè)端口 B6與第2-位兩通電磁閥的一 個(gè)端口 A7相連，第2-位兩通電磁閥的另一個(gè)端口 B7與第4兩位三通電磁閥的一個(gè)端口 A8相 連，第4兩位三通電磁閥的另一個(gè)端口 C8與耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜的中間導(dǎo)氣管相連;所 述第1壓差傳感變送器的一個(gè)端口 A9與儲(chǔ)氣罐的又一個(gè)端口 C6相連，第1壓差傳感變送器的 另一個(gè)端口 B9通過第3單向閥直通大氣空間；所述第2壓差傳感變送器的一個(gè)端口 AlO與兩 位三通電磁閥的另一個(gè)端口 B8相連，第2壓差傳感變送器的另一個(gè)端口 BlO通過第4單向閥 直通大氣空間。
[0014] 優(yōu)選的是，所述第1壓差傳感變送器的量程為0-1.4MPa、0_5V輸出;所述第2壓差傳 感變送器10的量程為0-500KPa、0-5V輸出。
[0015]所述耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜的中心為導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管的外圍設(shè)有四條信號(hào)線。 [0016]所述耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜在地?zé)峋疁y管中的入水深度至少為80米。
[0017]本發(fā)明的有益效果如下：
[0018] 本發(fā)明系統(tǒng)從克服壓力、電容、電導(dǎo)、熱阻、氣泡、等各種方式測量地?zé)峋罅砍趟?位存在的技術(shù)缺陷的目的出發(fā)，發(fā)明了具有真正實(shí)用意義的地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水 位-溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的零點(diǎn)可自動(dòng)校正，可完全消除零點(diǎn)漂移誤差，通過溫度傳感器， 可有效補(bǔ)償液體比重受溫度變化的影響，因此該系統(tǒng)精度高、耐高溫耐腐蝕、抗振動(dòng)、抗干 擾、可長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行、免維護(hù)，其現(xiàn)場安裝便捷，操作靈活，填補(bǔ)了地?zé)峋畡?dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 中的水位監(jiān)測儀器的空白。因其制造工藝簡單，因此制造成本低、性價(jià)比高，可廣泛推行應(yīng) 用，滿足國土地?zé)崴Y源的全面普查和地?zé)峋畡?dòng)態(tài)監(jiān)測的需求。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明測量系統(tǒng)的氣電模塊和氣路圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明測量系統(tǒng)的電子模塊和電路圖；
[0021]圖3是本發(fā)明中加壓測量的壓力數(shù)值曲線；
[0022]圖4是本發(fā)明中加壓測量的注壓氣路圖；
[0023 ]圖5所示為本發(fā)明中加壓測量的測壓過程；
[0024] 圖6所示為本發(fā)明中抽氣測量的抽氣過程；
[0025] 圖7所示為本發(fā)明中抽氣過程的測壓過程；
[0026]圖8是本發(fā)明中抽氣測量的壓力數(shù)值曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)的組成和 工作過程進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明的地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)包括：曲 柄連桿活塞氣栗1，第1-第4兩位三通電磁閥2、3、4、8,第1-第2-位兩通電磁閥5、7,儲(chǔ)氣罐 6、第1-第2壓差傳感變送器9、10,帶有顯示屏的控制器11、耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜12、溫 度傳感器13、溫度變送器14和第1-第4單向閥15a-15d。耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜12和溫度 傳感器13放置在地?zé)峋臏y管中。
[0029] 第1壓差傳感變送器9的量程為0-1.4MPa、0_5V輸出；第2壓差傳感變送器10的量程 為0-500KPa、0-5V輸出。
[0030] 所述耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜12的中心為導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管的外圍設(shè)有四條信號(hào) 線。耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜12在地?zé)峋疁y管中的入水深度至少為80米。
[0031] 參見圖1，本發(fā)明的測試系統(tǒng)中，氣路部分的連接關(guān)系如下：
[0032]以下以導(dǎo)氣管密封連接：曲柄連桿活塞氣栗1的出氣端口 Bl與兩位三通電磁閥2中 的C2端口相連、兩位三通電磁閥2中的A2端口與兩位三通電磁閥3中的A3端口相連，曲柄連 桿活塞氣栗1的進(jìn)氣端口 Al與兩位三通電磁閥4中的C4端口相連，兩位三通電磁閥4的M端 口與兩位三通電磁閥3的B3端口相連；
[0033]以下以導(dǎo)氣管密封連接:兩位三通電磁閥2的B2端口、兩位三通電磁閥4的A4端口 分別與第1、第2單向閥15a、15b相連，其方向?yàn)榻邮沾髿夥较?，兩位三通電磁閥3的C3端口與 一位兩通電磁閥5的一個(gè)端口 A 5相連，一位兩通電磁閥5的另一個(gè)端口 B 5與儲(chǔ)氣罐6的一個(gè) 端口 A6相連，儲(chǔ)氣罐6的另一個(gè)端口 B6與一位兩通電磁閥7的一個(gè)端口 A7相連，一位兩通電 磁閥7的另一個(gè)端口 B7與兩位三通電磁閥8的一個(gè)端口 A8相連，兩位三通電磁閥8的另一個(gè) 端口 C8與耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜12的中間導(dǎo)氣管密封相連。
[0034]以下以導(dǎo)氣管密封連接:壓差傳感變送器9的一個(gè)端口 A9與儲(chǔ)氣罐6的又一個(gè)端口 C6相連，壓差傳感變送器9的另一個(gè)端口 B9通過第3單向閥15c直通大氣空間。
[0035]以下以導(dǎo)氣管密封連接:壓差傳感變送器10的一個(gè)端口 AlO與兩位三通電磁閥8的 另一個(gè)端口 B8相連，壓差傳感變送器10的另一個(gè)端口 BlO通過第4單向閥15d直通大氣空間。
[0036] 參見圖2,本發(fā)明的測試系統(tǒng)中，電路部分的連接關(guān)系如下：
[0037] 其中，溫度傳感器13、耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜12的信號(hào)線、溫度變送器14、帶有 顯示屏的控制器11依次相連；
[0038] 其中，曲柄連桿活塞氣栗1的啟動(dòng)控制端W1、兩位三通電磁閥2電控端W2,兩位三通 電磁閥3電控端W3，兩位三通電磁閥4電控端W4，一位兩通電磁閥5電控端W5、一位兩通電磁 閥7電控端W7、兩位三通電磁閥8電控端W8、壓差傳感器變送器9的信號(hào)端X9、壓差傳感器變 送器10的信號(hào)端XlO分別與帶有顯示屏的控制器11的接口端相連。
[0039] 上述測量系統(tǒng)的工作過程如下：
[0040]將耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜12放入地?zé)峋疁y管中，耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜12入 水深度至少為80米。
[00411 參見圖4,在控制器11的控制下，兩位三通電磁閥2的C2與兩位三通電磁閥2的A2導(dǎo) 通，兩位三通電磁閥3的A3與兩位三通電磁閥3的C3導(dǎo)通，兩位三通電磁閥4的A4與兩位三通 電磁閥4的C4導(dǎo)通，一位兩通電磁閥5的A5與一位兩通電磁閥5的B5導(dǎo)通，一位兩通電磁閥7 的A7、B7斷開，啟動(dòng)曲柄連桿活塞氣栗1，壓縮氣流依次通過81、02^2^3、03)5、85)6，在 儲(chǔ)氣罐6形成高壓氣室。參見圖5,控制器11通過壓差傳感器變送器9實(shí)時(shí)測量儲(chǔ)氣罐6的壓 力數(shù)值(減去一個(gè)大氣壓力差值），當(dāng)其值為1.3MPa時(shí)，在控制器9的控制下，關(guān)閉曲柄連桿 活塞氣栗1、一位兩通電磁閥5關(guān)閉、一位兩通電磁閥7導(dǎo)通，兩位三通電磁閥8的A8與C8導(dǎo) 通，壓縮空氣通過耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜12的導(dǎo)氣管中注入到地?zé)峋?。根?jù)流體力 學(xué)原理，當(dāng)導(dǎo)氣管向熱水體冒出氣泡時(shí)，儲(chǔ)氣室6的壓力大于熱水體壓力，而只有當(dāng)氣水交 換面位于導(dǎo)氣管口時(shí)，此時(shí)儲(chǔ)氣室6內(nèi)的壓力才恰好等于導(dǎo)氣管口的靜水壓力，通過連續(xù)測 量儲(chǔ)氣高壓氣室6中壓力的變化(壓力隨著時(shí)間緩慢降低），控制器11不斷采樣高壓儲(chǔ)氣室 內(nèi)的壓力值，可以測出從停止氣栗工作后到水氣交接而進(jìn)入氣管里面這段時(shí)間內(nèi)的壓力。
[0042] 參見圖3,根據(jù)其變化曲線取其平均值為P9,根據(jù)〃:=4, γ為地?zé)崴拿芏龋琍9為 減去大氣壓力的壓差值，因此上述公式為以加壓方式測出的是探入地?zé)峋畠?nèi)導(dǎo)氣電纜實(shí)際 入水深度值Hi，單位為HiH2O (米水柱）。
[0043] 參見圖6,當(dāng)控制器11通過壓差傳感器變送器9實(shí)時(shí)測量的壓力值發(fā)生快速下降 時(shí)，在控制器11指令下，兩位三通電磁閥2的端DC2與Β2導(dǎo)通，兩位三通電磁閥3的端口C3與 Β3導(dǎo)通，兩位三通電磁閥4的端口 C4與M導(dǎo)通，一位兩通電磁閥5的Α5與Β5導(dǎo)通，一位兩通電 磁閥7的Α7與Β7導(dǎo)通，兩位三通電磁閥8的端口 C8與Α8導(dǎo)通，開啟啟動(dòng)曲柄連桿活塞氣栗1， 進(jìn)行抽氣運(yùn)行工作狀態(tài)。
[0044] 參見圖7,控制器11通過壓差傳感器變送器9實(shí)時(shí)測量儲(chǔ)氣罐6的壓力數(shù)值(減去一 個(gè)大氣壓力差值），當(dāng)其值為IOOKPa時(shí)，在壓差傳感器變送器9的控制下，關(guān)閉曲柄連桿活塞 氣栗1、關(guān)斷一位兩通電磁閥7,并且，兩位三通電磁閥8的端口 C8與端口 Β8導(dǎo)通，壓差傳感器 變送器10開始進(jìn)行測量。
[0045] 參嘰圖S.枏抿I佶奪仆曲線取其平均值P1Q，根據(jù)流體力學(xué)原理，可計(jì)算出：
[0046]
[0047] 其中：γ為地?zé)崴拿芏龋?br>[0048] Pio為減去大氣壓力的差值；
[0049] L為導(dǎo)氣管長度。
[0050] 上述公式為:通過抽氣(導(dǎo)壓)方式測得的探入地?zé)峋畠?nèi)導(dǎo)氣電纜實(shí)際入水深度值 Η2，單位為mH2〇 (米水柱）。
[0051] 將加壓方式和抽氣導(dǎo)壓方式測量的結(jié)果按下式計(jì)算得出探入地?zé)峋畠?nèi)導(dǎo)氣電纜 實(shí)際入水深度值的平均值Ho，單位為HiH2O(米水柱）。
[0052]
[0053] 進(jìn)一步，通過下式：
[0054] Hshuiwei = Lo-Ho
[0055] 其中：
[0056] Lo為從地?zé)峋谙路诺木€纜的長度；
[0057] Hshuiwei為從地?zé)峋诘降責(zé)崴娴乃恢怠?br>[0058] 得出本次測量的精確水位值Hshuiwei。同時(shí)通過溫度傳感器13和溫度變送器14可以 測出地?zé)峋臏囟戎怠?br>【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)，其特征在于:包括曲柄連桿活塞 氣栗（1)、第1-第4兩位三通電磁閥（2、3、4、8)、第1-第2-位兩通電磁閥（5、7)、儲(chǔ)氣罐(6)、 第1-第2壓差傳感變送器（9、10)、帶有顯示屏的控制器（11)、耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜 (12)、溫度傳感器(13)、溫度變送器(14)和第1-第4單向閥（15 &-15(1)， 所述耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜(12)和溫度傳感器(13)放置在地?zé)峋臏y量管中； 所述溫度傳感器（13)、耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜（12)的信號(hào)線、溫度變送器（14)和控 制器(11)依次相連； 所述第1 -第4兩位三通電磁閥（2、3、4、8)和第1 -第2-位兩通電磁閥（5、7)的電控端 (￥2、13、14、18、15、17)以及所述第1-第2壓差傳感變送器(9、1〇)的信號(hào)端09、乂1〇)和曲柄 連桿活塞氣栗（1)的啟動(dòng)控制端(Wl)分別與所述控制器（11)的接口端相連;控制器（11)通 過與儲(chǔ)氣罐(6)連接的第1、第2-位兩通閥（5、7)進(jìn)行控制； 以下均以導(dǎo)氣管密封連接:所述曲柄連桿活塞氣栗（1)的出氣端口 Bl與第1兩位三通電 磁閥（2)中的C2端口相連、兩位三通電磁閥（2)中的A2端口與第2兩位三通電磁閥（3)中的A3 端口相連，曲柄連桿活塞氣栗（1)的進(jìn)氣端口 Al與第3兩位三通電磁閥(4)中的C4端口相連， 兩位三通電磁閥（4)的M端口與第4兩位三通電磁閥（3)的B3端口相連;所述第1兩位三通電 磁閥（2)的B2端口、第3兩位三通電磁閥（4)的A4端口分別與第1、第2單向閥（15a、15b)相連， 其方向?yàn)榻邮沾髿夥较?，?兩位三通電磁閥（3)的C3端口與第1 一位兩通電磁閥（5)的一個(gè) 端口 A5相連，第1一位兩通電磁閥（5)的另一個(gè)端□ B5與儲(chǔ)氣罐(6)的一個(gè)端□ A6相連，儲(chǔ)氣 罐(6)的另一個(gè)端口 B6與第2-位兩通電磁閥（7)的一個(gè)端口 A7相連，第2-位兩通電磁閥 (7)的另一個(gè)端口 B7與第4兩位三通電磁閥（8)的一個(gè)端口 A8相連，第4兩位三通電磁閥（8) 的另一個(gè)端口 C8與耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜（12)的中間導(dǎo)氣管相連;所述第1壓差傳感變 送器(9)的一個(gè)端口 A9與儲(chǔ)氣罐(6)的又一個(gè)端口 C6相連，第1壓差傳感變送器(9)的另一個(gè) 端口 B9通過第3單向閥（15c)直通大氣空間;所述第2壓差傳感變送器(10)的一個(gè)端口 AlO與 兩位三通電磁閥（8)的另一個(gè)端口 B8相連，第2壓差傳感變送器（10)的另一個(gè)端口 BlO通過 第4單向閥（15d)直通大氣空間。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)，其特征在于： 所述第1壓差傳感變送器(9)的量程為0-1.4MPa、0-5V輸出。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)，其特征在于： 所述第2壓差傳感變送器10的量程為0_500KPa、0-5V輸出。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)，其特征在于： 所述耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜(12)的中心為導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管的外圍設(shè)有四條信號(hào)線。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地?zé)崴诰€大量程動(dòng)態(tài)水位-溫度測量系統(tǒng)，其特征在于： 所述耐高溫導(dǎo)氣信號(hào)控制線纜(12)在地?zé)峋疁y管中的入水深度至少為80米。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK105890673SQ201610487988
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】郭澎, 張福海, 劉永
【申請人】南開大學(xué)