冰層厚度傳感器及其檢測方法
2023-06-01 10:42:21 2
專利名稱：冰層厚度傳感器及其檢測方法
技術領域：
冰層厚度傳感器及其檢測方法屬於自動化檢測技術領域的一項發明。它是一種可以在冰凍條件下對河流渠道、湖泊、水庫、長距離輸水工程、極地考察、地質與環境監測及各種水電工程冰層生消過程進行冰層厚度定點自動連續檢測的傳感器裝置。
背景技術：
目前國內外在冬季冰凍條件下對冰層生消過程中冰層厚度進行定點自動連續檢測的傳感器裝置很少。國內外冰生消檢測技術主要有二類，一類是直接測量法，它依靠人工鑿冰或打鑽後通過刻度尺人工直接測量冰厚和水位，我國北方水文站主要採用這種方法。它的優點是數據可靠，但缺點是勞動強度高、危險性大，不能保證在同一地點進行定時自動化檢測。另一類方法是物理方法，如電磁學、聲學、光學等。它們的優點是操作簡單、迅速，但缺點是誤差大。冰厚度物理探測方法的誤差主要是來自冰性質對電磁波或聲波的影響，我們在對渤海海冰物理和力學性質研究結果表明冰的溫度隨時間和空間在不斷地變化，這種溫度變化控制著冰聲學性質、電學性質和光學性質的變化，但其電導率在結冰狀態下與液體和空氣有較大的區別，利用這一性質可以對冰層厚度進行準確檢測。經檢索我們發現的冰凍傳感器有日本專利「一種水位測量裝置「G 01 F 23/30 Z 7143-2F，它提出一種外形為圓柱形筒，上面封口垂直安置於水中，筒內罐入防凍油其厚度比預計的冰層厚一些，水可從筒的下部進入筒中，由於比重不同防凍油飄浮在水上面，可阻擋冷空氣接觸水，使筒中的水不結冰，這樣可以在冰凍情況下檢測出無壓水位，而不能對冰層厚度進行測量。本發明研製成功了一種利用空氣、冰和水呈現的不同電導特性能對冰層厚度進行自動測量的傳感器及其檢測方法。
發明內容
冰層厚度傳感器及其檢測方法是根據空氣、冰和水呈現的不同電導特性，結合電子信息處理技術研製出的一種冰層厚度檢測傳感器裝置和一種新的冰層厚度檢測方法。利用這一傳感器和檢測方法可以在因冰的溫度隨時間和空間變化引起冰聲學性質、電學性質和光學性質變化的情況下實現對冰層厚度的定點連續自動檢測，達到掌握冰生消過程的目的。它可有效地在冬季環境溫度不低於-35℃時準確地測量冰層厚度的變化。
冰層厚度傳感器及其檢測方法特徵是傳感器由矩形塑鋼材料柱體(1)，檢測電源(2)，安裝在矩形塑鋼材料柱體外側壁(3)的檢測電源正極電極(4)，在矩形塑鋼材料柱體內側壁(5)按標尺刻度位置排列等距離安裝的金屬檢測觸點(6)，固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內部的單片機控制電路(7)，固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內部並與各金屬觸點及單片機控制電路(7)相連接的刻度解碼開關電路(8)，固定在矩形塑鋼材料柱體內部並與單片機控制電路(7)、刻度解碼開關電路(8)及檢測電源負電極(12)相連接的電導識別電路(9)，絕緣保溫密封添充材料(10)及傳感器導線連接插座(10)組成，其檢測電源(2)由固定於矩形塑鋼柱體(1)內部的閥控式密封鉛酸蓄電池直流電源構成，電導識別電路由集成電路LM334構成的電壓比較電路構成。
使用時，將傳感器一端朝下垂直安置於冰水中，傳感器標尺刻度總長度應大於冰層厚度且傳感器應有部分金屬檢測觸點暴露於冰面之上與淹沒於冰層底部。其檢測過程為外電源通過傳感器導線連接插座(11)接入傳感器，使傳感器內部的檢測電源(2)、單片機控制電路(7)、刻度解碼開關電路(8)、電導識別電路(9)均處於上電工作狀態，傳感器內部單片機控制電路(7)按一定編碼順序產生刻度解碼開關控制信號使各刻度解碼開關電路(8)按照編碼順序依次單獨導通，當某一刻度解碼開關電路(8)導通時將把檢測電源(2)，這一刻度位置的金屬檢測觸點和與其相連接的被檢測介質，電導識別電路(9)接通並形成迴路。電導識別電路(9)將對這一金屬檢測觸點與檢測電源正電極(4)之間被測介質的電導值範圍進行識別並根據識別結果由某一輸出端輸出表示被測介質性質的標誌電平到單片機控制電路(7)，單片機控制電路(7)將會根據這一時刻對應的刻度解碼開關控制信號確定出被測金屬檢測觸點所處的標尺刻度位置，在單片機控制電路(7)控制下將所有金屬檢測觸點(6)對應的迴路都檢測完畢後，單片機將能確定出冰層與空氣相接的上界面與冰層與冰下水相接的底部界面的確切標尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰層厚度。
本發明的主要用途及優點
冰層厚度傳感器及其檢測方法可以在冰凍條件下對河流渠道、湖泊、水庫、長距離輸水工程、極地考察、地質與環境監測及各種水電工程冰層生消過程進行高精度的冰層厚度連續自動檢測。
本發明在對空氣、冰及水的電導特性進行深入研究的基礎上，採用單片機編碼控制刻度解碼開關依次接通檢測電源、不同刻度位置被測介質與電導識別電路構成的檢測迴路的特殊傳感器設計結構與檢測方法，可以快速、準確地判斷出空氣、冰層界面與冰下水位的刻度位置，從而獲得冰層厚度的準確數值；在整個檢測過程中，全部採用特殊編碼後的數字脈衝信號檢測、識別和傳輸，具有很強的抗幹擾能力，並很容易與計算機直接相連，可以在惡劣環境下實現對冰層厚度的連續自動檢測。其優點可以概括為A、採用對被測介質電導數值範圍判斷的檢測方式，可不受冰聲學性質、電學性質和光學性質等的變化影響而能對冰層厚度進行自動檢測；B、採用單片機數位訊號控制檢測與傳輸，抗幹擾性能強；C、結構簡單，成本低，誤差小，穩定可靠。
圖1是「冰層厚度傳感器」俯視結構圖，圖2是其剖視結構，圖中1、矩形塑鋼材料柱體2、檢測電源3、塑鋼材料柱體外側壁4、檢測電源正電極
5、塑鋼材料柱體內側壁6、金屬檢測觸點7、單片機控制電路8、刻度解碼開關電路9、電導識別電路10、絕緣保溫密封添充材料11、導線連接插座12、檢測電源負電極
具體實施例方式實施方式1.冰厚及冰下水位的檢測首先，將附圖中所示傳感器在未結冰時安放在被測水中或在結冰狀態下鑿開冰層將其一端朝下垂直安置於冰水中且傳感器應有部分金屬檢測觸點暴露於冰面之上與淹沒於冰層底部。外施工作電源及數據處理儀器通過一根多芯防水電纜與傳感器導線連接插座(11)相連。檢測時先由傳感器內部的單片機控制電路(7)在內嵌專用軟體作用下按照由上到下的順序向刻度解碼開關電路(8)發出導通控制信號，使各刻度解碼開關電路(8)按照由上到下的順序依次單獨導通，當某一刻度解碼開關電路導通時將把檢測電源(2)，這一刻度位置的金屬檢測觸點和與其相連接的被檢測介質，電導識別電路(9)接通並形成迴路。電導識別電路(9)將對這一金屬檢測觸點與檢測電源正電極(4)之間被測介質的電導值範圍進行識別並根據識別結果由某一輸出端輸出表示被測介質性質的標誌電平到單片機控制電路(7)，單片機控制電路(7)將會根據這一時刻對應的刻度解碼開關控制信號確定出被測金屬檢測觸點所處的標尺刻度位置。在單片機控制電路(7)控制下將所有金屬檢測觸點對應的迴路都檢測完畢後，單片機將能綜合判斷後確定出冰層的上界面與冰層底部的確切標尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰層厚度，這一結果還可在軟體控制下通過傳感器導線連接插座(11)與多芯防水電纜傳送到外施數據處理儀器進行進一步處理。
實施方式2.冰下水位的檢測首先，將附圖中所示傳感器一端朝下垂直安置於冰水中，傳感器應有部分金屬檢測觸點淹沒於冰層底部水中，並對傳感器最底部所處的高度進行標定獲得其初值。外施工作電源及數據處理儀器通過一根多芯防水電纜與傳感器導線連接插座(11)相連。檢測時先由傳感器內部的單片機控制電路(7)在內嵌專用軟體作用下按照由下到上的順序向刻度解碼開關電路(8)發出導通控制信號，使各刻度解碼開關電路(8)按照由下到上的順序依次單獨導通，當某一刻度解碼開關電路(8)導通時將把檢測電源(2)，這一刻度位置的金屬檢測觸點和與其相連接的被檢測介質，電導識別電路(9)接通並形成迴路。電導識別電路(9)將對這一金屬檢測觸點與檢測電源正電極(4)之間被測介質的電導值範圍進行識別並根據識別結果由某一輸出端輸出表示被測介質性質的標誌電平到單片機控制電路(7)，單片機控制電路(7)將會根據這一時刻對應的刻度解碼開關控制信號確定出被測金屬檢測觸點所處的標尺刻度位置。在單片機控制電路(7)控制下將所有金屬檢測觸點(6)對應的迴路都檢測完畢後，單片機將能綜合判斷後確定出冰層底部與冰下水交界面的確切標尺刻度位置，由傳感器最底部在安裝時標定的液位高度初值再加上冰層底部與冰下水交界面距傳感器底部的高度即可得出冰下水位的高度，這一結果還可在軟體控制下通過傳感器導線連接插座(11)與多芯防水電纜傳送到外施數據處理儀器進行進一步處理。
權利要求
1.冰層厚度傳感器其特徵在於是一種電導式連續自動檢測冰層厚度的傳感器，主要由矩形塑鋼材料柱體(1)，檢測電源(2)，安裝在矩形塑鋼柱體外側壁(3)的檢測電源正電極(4)，在矩形塑鋼材料柱體內側壁(5)按標尺刻度位置排列等距離安裝的金屬檢測觸點(6)，固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內部的單片機控制電路(7)，固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內部並與各金屬觸點及單片機控制電路相連接的刻度解碼開關電路(8)，固定在矩形塑鋼材料柱體(1)內部並與單片機控制電路、刻度解碼開關電路及檢測電源負電極(12)相連接的電導識別電路(9)，絕緣保溫密封添充材料(10)及傳感器導線連接插座(11)組成，其檢測電源(2)由固定於矩形塑鋼柱體(1)內部的閥控式密封鉛酸蓄電池直流電源構成，電導識別電路由集成電路LM334構成的電壓比較電路構成。
2.權利要求1所述的冰層厚度傳感器的檢測方法其特徵在於，首先將傳感器垂直放置在冰層中，標尺刻度總長度應大於冰層厚度且傳感器應有部分金屬檢測觸點(6)暴露於冰面之上與淹沒於冰層底部，通過傳感器內部單片機控制電路(7)按一定編碼順序產生刻度解碼開關控制信號使各刻度解碼開關(8)按照編碼順序依次單獨導通，當某一刻度解碼開關導通時將把檢測電源(2)，這一刻度位置的金屬檢測觸點(6)和與其相連接的被檢測介質，電導識別電路(9)接通並形成迴路，電導識別電路(9)將對這一金屬檢測觸點(6)與檢測電源正電極(4)之間被測介質的電導值範圍進行識別並根據識別結果由某一輸出端輸出表示被測介質性質的標誌電平到單片機控制電路(7)，單片機控制電路(7)將會根據這一時刻對應的刻度解碼開關控制信號確定出被測金屬檢測觸點(6)所處的標尺刻度位置，在單片機控制電路(7)控制下將所有金屬檢測觸點對應的迴路都檢測完畢後，單片機將能確定出冰層與空氣相接的上界面與冰層與冰下水相接的底部界面的確切標尺刻度位置，由二者的差值即可得出冰層厚度。
全文摘要
冰層厚度傳感器及其檢測方法屬於自動化檢測技術領域，其特徵是由傳感器內部檢測電源正極經傳感器內、外側壁中間空間內充滿的被檢測介質，包括水，冰，空氣，與按標尺刻度位置排列的傳感器每一個金屬檢測觸點，內部刻度解碼開關電路，電導識別電路與檢測電源負電極組成檢測迴路，通過傳感器內部單片機控制電路按一定編碼順序產生刻度解碼開關控制信號依次接通各金屬檢測觸點對應的檢測電路進行冰層厚度測量的傳感器，該傳感器在冰凍條件下可以對河流渠道、湖泊、水庫、長距離輸水工程、極地考察、地質與環境監測及各種水電工程冰層生消過程的冰層厚度進行定點連續自動檢測。
文檔編號G01B7/06GK1560560SQ20041001216
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月26日 優先權日2004年2月26日
發明者秦建敏, 竇銀科, 李志軍, 郗玉珠 申請人:太原理工大學