一种水位监测装置及方法专利检索-··通过测量直接施加到液体或流动的固态材料上的电磁波或声波参数的变化专利检索查询-专利查询网

一种水位监测装置及方法

专利类型	发明公开	法律事件	公开; 实质审查; 撤回;
专利有效性	无效专利	当前状态	撤回
申请号	CN202010112049.1	申请日	2020-02-24
公开(公告)号	CN111089634A	公开(公告)日	2020-05-01
申请人	浙江机电职业技术学院;	申请人类型	学校
发明人	屠佳佳; 李莎; 刘哲纬; 沈冰;	第一发明人	屠佳佳
权利人	浙江机电职业技术学院	权利人类型	学校
当前权利人	浙江机电职业技术学院	当前权利人类型	学校
省份	当前专利权人所在省份：浙江省	城市	当前专利权人所在城市：浙江省杭州市
具体地址	当前专利权人所在详细地址：浙江省杭州市滨江高教园滨文路528号	邮编	当前专利权人邮编：310053
主IPC国际分类	G01F23/28	所有IPC国际分类	G01F23/28 ; G01F23/04 ; G01F25/00
专利引用数量	0	专利被引用数量	2
专利权利要求数量	7	专利文献类型	A
专利代理机构	苏州和氏璧知识产权代理事务所	专利代理人	许庆;
摘要	本发明公开了一种水位监测装置及方法，属于水利行业智慧水利水位监测领域。一种水位监测装置，包括竖支架和横支架和固定连接在渠道壁上的水位标尺，所述竖支架和横支架固定相连，且所述竖支架和横支架之间还连接有第一肋板；所述竖支架的外壁还连接有设备箱，所述竖支架的顶部外壁连接有光照传感器；所述横支架的外壁连接有滑动模组，所述滑动模组的底部外壁还连接有工业摄像机，所述工业摄像机的外壁连接有液面传感器，所述液面传感器的外壁设有保护套；所述横支架的底部还连接有支撑杆，所述支撑杆的底部连接有非接触式水位计；本发明采用一体化结构设计，便于现场安装，可靠性高、成本低、易推广。
权利要求	1.一种水位监测装置，包括竖支架（1）和横支架（2）和固定连接在渠道壁上的水位标尺，其特征在于，所述竖支架（1）和横支架（2）固定相连，且所述竖支架（1）和横支架（2）之间还连接有第一肋板；所述竖支架（1）的外壁还连接有设备箱（3），所述竖支架（1）的顶部外壁连接有光照传感器（4）；所述横支架（2）的外壁连接有滑动模组，所述滑动模组的底部外壁还连接有工业摄像机（601），所述工业摄像机（601）的外壁连接有液面传感器（602），所述液面传感器（602）的外壁设有保护套（603）；所述横支架（2）的底部还连接有支撑杆，所述支撑杆的底部连接有非接触式水位计（201）。 2.根据权利要求1所述的一种水位监测装置，其特征在于，所述滑动模组主要包括固定板（5），所述固定板（5）的顶部和底部均连接有挡板，所述挡板的顶部外壁连接有步进电机（501），所述步进电机（501）的输出端连接有丝杆（502），所述丝杆（502）上螺纹连接有螺纹块（503），所述螺纹块（503）的底部固定连接有推杆（6），所述工业摄像机（601）连接在推杆（6）的底部。 3.根据权利要求2所述的一种水位监测装置，其特征在于，两个所述挡板之间连接有限位杆（504），所述螺纹块（503）滑动连接在限位杆（504）上，所述挡板上还设有与推杆（6）相配合的凹槽（506）。 4.根据权利要求3所述的一种水位监测装置，其特征在于，所述固定板（5）的外壁连接有安装板（505），所述安装板（505）和横支架（2）上均设有相互配合的螺纹孔。 5.根据权利要求1所述的一种水位监测装置，其特征在于，所述竖支架（1）的底部连接有底板（101），所述底板（101）通过螺栓连接在地面上。 6.根据权利要求5所述的一种水位监测装置，其特征在于，所述设备箱（3）的外壁连接有连接板（301），所述连接板（301）与竖支架（1）通过螺栓连接。 7.一种水位监测方法，包括权利要求1-6任一项所述的一种水位监测装置，其特征在于，采用以下步骤进行操作： S1，首先将滑动模组固定连接在横支架（2）上，然后将底板（101）通过螺栓固定连接在岸边； S2，通过非接触式水位计（201）观察水位的高度； S3，启动步进电机（501），使其带动输出端的丝杆（502）转动，从而使螺纹块（503）带动推杆（6）移动，从而使液面传感器（602）下降直至解除水面； S4，通过工业摄像机（601）对水位标尺进行拍摄，从而对水面水位的高度进行监测； S5，将两者监测的结果进行比较，分析得出精确的水位高度。
说明书全文	一种水位监测装置及方法技术领域 [0001] 本发明涉及水利行业智慧水利水位监测技术领域，尤其涉及一种水位监测装置及方法。背景技术 [0002] 随着社会经济的不断发展与进步，水利事业在国民经济中的地位也越来越重要，水利工程等的安全运行、管理已经成为水利行业的重中之重，也是水利数字化的驱动力。而水位数据作为水利基础数据，是水利数字化建设中不可或缺的重要参数。江河、湖泊、水库、渠道等水利工程的水位监测，与及时、准确地获得水位数据变得尤为重要，而且水位监测站点繁多，成本也是必须考虑的重要因素。 [0003] 目前，常用的水位监测方法有接触式监测与非接触式监测，接触式监测主要采用压力式水位传感器作为前端采集单元，非接触式监测主要采用超声波水位计与雷达水位计。压力式水位传感器由于需要放入江河、湖泊、水库、渠道等的底部，靠水压数据反应水位，容易进入泥沙等导致测量不准确，需要经常性维护，同时安装、维护也不太方便；非接触式水位计安装方便，测量精度高，但是主要以进口为主，一方面成本高，无法大批量实现安装，另一方面长时间测量数据会产生漂移，仍需要定期到现场标定水位数据并维护；非接触式还有依靠图像识别技术采集水位，一般利用附近的安全监控球机识别水位标尺刻度实现，虽然技术上可行但是影响安全监控而且价格非常高，另外晚上或者光线不好的天气严重影响水位识别，因此也无法满足数字水利的需求。发明内容 [0004] 本发明的目的是为了解决背景技术中存在的问题，而提出的一种水位监测装置及方法。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种水位监测装置，包括竖支架和横支架和固定连接在渠道壁上的水位标尺，所述竖支架和横支架固定相连，且所述竖支架和横支架之间还连接有第一肋板；所述竖支架的外壁还连接有设备箱，所述竖支架的顶部外壁连接有光照传感器；所述横支架的外壁连接有滑动模组，所述滑动模组的底部外壁还连接有工业摄像机，所述工业摄像机的外壁连接有液面传感器，所述液面传感器的外壁设有保护套；所述横支架的底部还连接有支撑杆，所述支撑杆的底部连接有非接触式水位计。 [0006] 优选的，所述滑动模组主要包括固定板，所述固定板的顶部和底部均连接有挡板，所述挡板的顶部外壁连接有步进电机，所述步进电机的输出端连接有丝杆，所述丝杆上螺纹连接有螺纹块，所述螺纹块的底部固定连接有推杆，所述工业摄像机连接在推杆的底部。 [0007] 优选的，两个所述挡板之间连接有限位杆，所述螺纹块滑动连接在限位杆上，所述挡板上还设有与推杆相配合的凹槽。 [0008] 优选的，所述固定板的外壁连接有安装板，所述安装板和横支架上均设有相互配合的螺纹孔。 [0009] 优选的，所述竖支架的底部连接有底板，所述底板通过螺栓连接在地面上。 [0010] 优选的，所述设备箱的外壁连接有连接板，所述连接板与竖支架通过螺栓连接。 [0011] 一种水位监测方法，采用以下步骤进行操作：S1，首先将滑动模组固定连接在横支架上，然后将底板通过螺栓固定连接在岸边； S2，通过非接触式水位计观察水位的高度； S3，启动步进电机，使其带动输出端的丝杆转动，从而使螺纹块带动推杆移动，从而使液面传感器下降直至解除水面； S4，通过工业摄像机对水位标尺进行拍摄，从而对水面水位的高度进行监测； S5，将两者监测的结果进行比较，分析得出精确的水位高度。 [0012] 与现有技术相比，本发明提供了一种水位监测装置及方法，具备以下有益效果：1、该水位监测装置，首先将滑动模组固定连接在横支架上，然后将底板通过螺栓固定连接在岸边，通过非接触式水位计观察水位的高度，启动步进电机，使其带动输出端的丝杆转动，从而使螺纹块带动推杆移动，从而使液面传感器下降直至解除水面，通过工业摄像机对水位标尺进行拍摄，从而对水面水位的高度进行监测，将两者监测的结果进行比较，分析得出精确的水位高度。 [0013] 2、该水位监测方法，首先单片机模块控制非接触式水位计采集水位数据1，由单片机模块和液面传感器控制步进电机正反转运行，依靠步进电机带动工业摄像机和液面传感器上下运动，从而调节工业摄像机至水位标尺的最佳拍摄位置，然后将拍摄的水位标尺图像传回单片机模块完成处理图像与识别工作，获得水位数据2，同时可实现将水位数据实时上传至监控中心，监控中心可通过无线或有线方式远程控制单片机模块实现各传感器和执行器的控制，然后将水位数据1与水位数据2进行对比校正，且水位数据1和水位数据2可通过无线和有线通信方式实时传输至监控中心，拍摄的水位标尺图像存储于单片机SD卡中，当设备处于空闲状态时再备份水位标尺图像至监控中心，该方法可有效提高水位数据采集的实时性，同时有效保存、备份图像数据，监控中心可配置软件平台，实现远程控制自适应水位监测装置、显示实时数据、记录历史数据和报警数据等功能。附图说明 [0014] 图1为本发明提出的一种水位监测装置的结构示意图；图2为本发明提出的一种水位监测装置滑动模组的结构示意图；图3为本发明提出的一种水位监测装置固定板截面的结构示意图；图4为本发明提出的一种水位监测装置法体1中A部分的结构示意图；图5为本发明提出的一种水位监测装置的系统图。 [0015] 图中：1、竖支架；101、底板；2、横支架；201、非接触式水位计；3、设备箱；301、连接板；4、光照传感器；5、固定板；501、步进电机；502、丝杆；503、螺纹块；504、限位杆；505、安装板；506、凹槽；6、推杆；601、工业摄像机；602、液面传感器；603、保护套。具体实施方式 [0016] 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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 [0017] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0018] 实施例1：参照图1-4，一种水位监测装置，包括竖支架1和横支架2和固定连接在岸边的水位标尺，竖支架1和横支架2固定相连，且竖支架1和横支架2之间还连接有第一肋板，可使竖支架 1和横支架2连接更稳固；竖支架1的外壁还连接有设备箱3，竖支架1的顶部外壁连接有光照传感器4；横支架2的外壁连接有滑动模组，滑动模组的底部外壁还连接有工业摄像机601，工业摄像机601的外壁连接有液面传感器602，液面传感器602的外壁设有保护套603；横支架2的底部还连接有支撑杆，支撑杆的底部连接有非接触式水位计201。 [0019] 滑动模组主要包括固定板5，固定板5的顶部和底部均连接有挡板，挡板的顶部外壁连接有步进电机501，步进电机501的输出端连接有丝杆502，丝杆502上螺纹连接有螺纹块503，螺纹块503的底部固定连接有推杆6，工业摄像机601连接在推杆6的底部；启动步进电机501，使其带动输出端的丝杆502转动，然后在限位杆504的作用下使螺纹块505向下移动，然后带动推杆6向下移动，方便监测。 [0020] 两个挡板之间连接有限位杆504，螺纹块503滑动连接在限位杆504上，挡板上还设有与推杆6相配合的凹槽506；限位杆504可使螺纹块503不会跟随丝杆502转动，使其更好的上下移动。 [0021] 固定板5的外壁连接有安装板505，安装板505和横支架2上均设有相互配合的螺纹孔；通过将安装板505与横支架2上的螺纹孔相配合，从而使滑动模组固定，且可使安装板 505与横支架2上的不同的螺纹孔相配合，从而调整滑动模组的位置。 [0022] 竖支架1的底部连接有底板101，底板101通过螺栓连接在地面上；通过底板101可使竖支架1连接更稳定。 [0023] 设备箱3的外壁连接有连接板301，连接板301与竖支架1通过螺栓连接；通过连接板301可使设备箱3方便安装与拆卸。 [0024] 本发明中，首先将滑动模组固定连接在横支架2上，然后将底板101通过螺栓固定连接在岸边，通过非接触式水位计201观察水位的高度，启动步进电机501，使其带动输出端的丝杆502转动，从而使螺纹块503带动推杆6移动，从而使液面传感器602下降直至解除水面，通过工业摄像机601对水位标尺进行拍摄，从而对水面水位的高度进行监测，将两者监测的结果进行比较，分析得出精确的水位高度。 [0025] 实施例2：参照图5，一种水位监测方法，采用以下步骤进行操作： S1，首先将滑动模组固定连接在横支架2上，然后将底板101通过螺栓固定连接在岸边； S2，通过非接触式水位计201观察水位的高度； S3，启动步进电机501，使其带动输出端的丝杆502转动，从而使螺纹块503带动推杆6移动，从而使液面传感器602下降直至解除水面； S4，通过工业摄像机601对水位标尺进行拍摄，从而对水面水位的高度进行监测； S5，将两者监测的结果进行比较，分析得出精确的水位高度。 [0026] 本发明中，首先单片机模块控制非接触式水位计201采集水位数据1，由单片机模块和液面传感器602控制步进电机501正反转运行，依靠步进电机501带动工业摄像机601和液面传感器602上下运动，从而调节工业摄像机601至水位标尺的最佳拍摄位置，然后将拍摄的水位标尺图像传回单片机模块完成处理图像与识别工作，获得水位数据2，同时可实现将水位数据实时上传至监控中心，监控中心可通过无线或有线方式远程控制单片机模块实现各传感器和执行器的控制，然后将水位数据1与水位数据2进行对比校正，且水位数据1和水位数据2可通过无线和有线通信方式实时传输至监控中心，拍摄的水位标尺图像存储于单片机SD卡中，当设备处于空闲状态时再备份水位标尺图像至监控中心，该方法可有效提高水位数据采集的实时性，同时有效保存、备份图像数据，监控中心可配置软件平台，实现远程控制自适应水位监测装置、显示实时数据、记录历史数据和报警数据等功能。 [0027] 其中，非接触式水位计201主要采用超声波或雷达水位计，其优点是不用接触水面，即可直接测得水位数据，目前多数采用国外进口设备，具有价格高，测量精度高，现场安装维护方便等特点，长时间使用会出现数据漂移现象，需要定期到现场校准，随着经济社会的发展，国产非接触式水位计也慢慢出现在市场上，价格比进口设备低很多，测量精度能够符合监测要求，但数据漂移现象更为严重，也需要定期到现场校准。 [0028] 工业摄像机601主要采用CCD或CMOS核心组件，防水性能好，以及具有传输速度快，色彩还原性好，成像清晰等特点，优点是：惰性小、灵敏度高、抗强光照射、几何失真小以及均匀性较好；抗冲振能力强；另外小而轻、寿命长。工业摄像机正朝着小型化、轻量化、廉价化发展，可以通过多种方式与单片机模块或工作站服务器进行通信，能够实现良好的推广应用。 [0029] 液面传感器602是利用红外光学原理，将检测的液位、液面信号通过光学传递，转换为电信号输出，通过信号处理电路采集的电压信号判别液位情况，该类传感器设计紧凑，体积小巧，防水性能好、圆柱外形方便钻孔安装；安装方式灵活多样化，可以上置，下置，侧向，斜向安装，传感器头部光顺，清洗容易，而且精度高，可控精度在±0.5mm之内；光线原理，无摩擦等机械运动部件，使用寿命大大增加。液面传感器与工业摄像头捆绑安装，其安装位置低于工业摄像机最低位置5cm左右，以防止测量时工业摄像机601接触水面。 [0030] 保护套603采用3-5cm圆柱形或圆锥形耐潮湿、耐腐蚀套管，用密封材料固定于液面传感器头部，用于液面传感器头部传感单元的保护，以免下雨时雨点附着产生干扰信号，使装置出现误判误动作的情况。 [0031] 设备箱3采用高防水等级，密封性良好，内部放置断路器、避雷器、电源控制器、单片机模块和数据传输模块，一方面给现场各类传感器供电，另一方面实现图像、数据处理和数据传输等功能。 [0032] 滑动模组由步进电机501和丝杠502滑台组成，是一种能提供直线运动的机械结构，可卧式或者立式使用，也可以组合成特定的运动机构使用，如自动化行业中通常称为XY轴、XYZ轴等多轴向运动机构，在本装置中，将滑动模组竖直安装于支架上，单片机模块控制步进电机可使滑台上下运动，进而控制工业摄像头定位，滑动模组有十几厘米至1米等规格，具体可根据实际情况合理选择，安装摄像头的支架固定于丝扛滑台上，可随滑台直线移动。 [0033] 竖支架1和横支架2用于安装非接触式水位计201、工业摄像机601、液面传感器602、滑动模组、设备箱3、光照传感器4等设备。 [0034] 渠道壁用于固定水位标尺，渠道壁可以是垂直的，也可以斜坡。 [0035] 水位标尺是在江、河、湖泊或其他水体的指定地点测定水面高程常用的装置，一般用于地表水的监测，由金属或非金属材料制作而成，上面标有刻度，精度一般以厘米计，其中最小刻度1cm，水利上一般以1米为一节，以纯红、蓝为一块，方便阅读。 [0036] 本发明按照水位监测相关要求，水位数据一般要求每5分钟上传1次，因此每隔5分钟单片机模块控制步进电机501使丝杠502向下运行，丝杠502下降过程中带动工业摄像机 601和液面传感器602下移，等到单片机收到液面传感器602头部接触水面信号，立即停止步进电机501，并控制工业摄像机601拍摄此时的水位标尺刻度照片，并传回单片机模块处理图像识别刻度，作为水位数据2，与此同时，单片机控制非接触式水位计201采集此时的数位数1，数据采集完成后，单片机控制步进电机501反转带动丝杠502、工业摄像机601、液面传感器602向上运动10-15cm，这种检测方法可以保证液面传感器602和工业摄像机601与水面始终保持10-15cm的距离，无论水位上涨或下降，一方面保证工业摄像机601的使用安全防止泡水，另一方面提高测量效率使单次数据测量在几秒至十几秒内完成。 [0037] 水位标尺图像采集完成后，先通过单片机模块进行图像处理和识别，得到水位数据2，此时将非接触式水位计201采集水位数据1同时上传至监控中心保存和显示，供管理人员查看，数据传输完成后，存在5分钟左右的空闲时间，此时将图像传输至监控中心备份，这样就不会因为图像传输影响水位数据的上传，保证水位数据传输的实时性，原图和识别的数据存储至本地SD卡中，定期进行覆盖。 [0038] 不管进口设备还是国产设备，非接触式水位计201长期使用会出现水位数据的漂移现象，因此需要定期到安装现场进行维护，而目前水位监测站点繁多且分散，有些站点甚至非常偏远，因此维护工作量巨大，成本高，经常导致维护跟不上的情况，给社会发展带来巨大的隐患，而简单应用图像抓拍方式获取水位数据也存在问题，例如阴雨天气、晚上光线差和有强光照射时都会对图像造成较大的影响，图像识别后很可能产生较大的水位误差，即使监控中心有人工干涉也无济于事或者工作量巨大，因此本装置采用非接触式水位计 201与水位标尺图像相结合的方式，利用各自的特点来解决使用单种方法采集水位存在的缺点。 [0039] 具体方法如下：利用光照传感器4实时采集光照，当光照强度判别为白天较好天气的某个合适照度范围内时，以水位标尺图像识别的水位数据2为准，对非接触式水位计201 进行校准，校准执行过程可设置为白天定时自动校准1次，也可以通过监控中心报警提示管理员人工远程校准，远程校准时监控中心平台会弹出当前水位标尺图像，以供管理员查看参考，这样可有效解决非接触水位201存在的长期不校准数据漂移现象；当光照强度判别为阴雨天气或晚上时，以非接触式水位计201采集的水位数据1为准，对水位标尺图像识别的水位数据2仅作为参考数据，因为非接触式水位计201产生水位数据的漂移不可能在几个小时甚至1天时间内产生，白天标定后的数据准确性和可靠性都很高，这样可有效解决天气不佳时图像质量缺陷造成水位误差较大的情况，当水位数据1和水位数据2相差较大时，可通过监控中心报警提示管理员人工检查，通过两种水位监测方式的结合可有效解决单种水位采集方法的缺点，而且设备上增加的成本对于现场维护成本来说基本可以忽略不计，对于非接触水位计201完全可以采用国产设备，因此具有良好的社会效益和推广价值。 [0040] 本发明设计的水位监测一体化装置由非接触式水位计201、工业摄像头601、滑动模组、液面传感器602、水位标尺、单片机模块等组成，具有自适应、自校准功能，未见有相关装置，装置采用一体化结构设计，便于现场安装，可靠性高、成本低、易推广。 [0041] 利用液面传感器602接触液体立即触发信号的特性，可以自适应控制工业摄像头601距离水面的距离，以及控制采集水位标尺图像和非接触水位计201采集水位数据的同步性。 [0042] 利用单片机模块在线处理水位标尺图像与识别水位的功能，以及合理利用水位采集的间隔时间来传输水位标尺图像，同时实现了水位数据的实时传输，原始图像和数据的备份。 [0043] 利用光照传感器采集照度判别白天、黑夜和天气情况，处于合适光照范围时，以水位标尺图像识别的水位数据2为准，白天定时自动或人工远程对非接触式水位计201进行校准1次，可有效解决非接触水位计201存在的长期不校准数据漂移现象；当光照强度不佳时，以非接触式水位计201采集的水位数据1为准，可有效解决天气不佳时图像质量缺陷造成水位误差较大的情况。 [0044] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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