纜道測流信號發生器的製作方法
2024-01-19 20:00:15
專利名稱：纜道測流信號發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量信號發生器，尤其是涉及一種水文測量中的流速信號發生器。
背景技術：
流速儀用於測量河流的流速，通過測量水流流速計算流量。流速儀上面有一個旋翼(也叫旋漿)，內部有觸點開關，測流時在水流的衝擊下，旋翼轉動，內部的開關就會接通，流速越大，旋翼轉動的速度就越高，內部的開關接通的次數就越多。通過單位時間內開關接通的次數即可計算出水流的流速。
在過去相當長的時期裡，人們一直採用很古老的方法來測量水流的流速。小水時人直接涉水用流速儀測量，大水期間撐船測量或者用浮標法測流，因為在大洪水期間，河道內漂浮物很多，危險性很大，直接危及測量人員的生命安全。後來人們想辦法建立了電動纜道，才能使人們在室內完成測速工作成為可能。其方法是架設過河索道，分主索、副索、拉偏索、水平循環索及垂直升降索，在主索、副索上分別裝有可以前後移動的大小行車，大行車下面懸掛著幾百公斤重的大鉛魚，用來保持在水中的穩定性。把流速儀固定在鉛魚上，由室內作業系統控制。在水平循環鋼索及垂直鋼索的作用下，使鉛魚在水平及垂直方向運動。拉偏索的作用是消除水流衝擊造成的偏角，從而減小測量水深的誤差。另外它還有一個主要作用，就是傳遞流速儀開關接通的信號。其信號路徑是流速儀的接線柱—拉偏索—小行車滑輪(在副索上滾動)—信號線—音響器(或者直流電鈴)—另一根信號線—電動絞車外殼—垂直起重索捲軸—起重索—流速儀上的另一個接線柱，從而構成閉合迴路。當流速儀開關接通時，音響器(或電鈴)就會發出響聲，完成對流速信號的測量。
在測流過程中，不只是單單測量流速，還要測量出河道斷面不同位置的水深，從而計算出過水斷面面積。配合在不同點測得的流速再算出斷面平均流速，最後乘以斷面面積得到流量，這才是測流的真正目的。要完成以上目的，就需要纜道設備能夠測量水深。鉛魚入水時要有水面信號，當鉛魚下降到河底時也要發出河底信號，這樣在兩個信號期間鋼絲繩下放的長度就是水深。但是在現有的纜道設備中，通過拉偏索及起重索傳遞信號，只有一個迴路，也就是說只能傳遞三個直流開關信號(水面信號、河底信號、流速儀信號)中的一種信號。利用上述設備同時傳遞三種信號，幾乎是不可能的。人們在實踐中想了很多辦法，都不是很奏效。一直到目前，大部分纜道都只傳輸流速信號，並且只測量水面流速，通過水麵流速粗略地計算出流量，這樣產生的誤差很大。另外還存在一個很嚴重的問題，就是它傳遞信號的路徑必須要經過拉偏索上端的小行車滑輪，通過滑輪與副索形成電流通路，因為滑輪是隨著鉛魚及拉偏索的移動而在副索上滾動，常常因為滑輪及副索生鏽而導致信號不通，造成信號時常中斷，甚至完全不能使用。這就是當前水文纜道存在的致命弱點，也極大地制約了水文纜道的發展。
發明內容
本發明的目的是提供一種纜道測流信號發生器，它可以將水面開關、流速儀開關、河底開關接通時分別產生的信號混合後經同一根信號線輸出，從而解決現有技術中三種信號不能同時傳輸的技術問題。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案纜道測流信號發生器，包括一個密封的信號筒，在信號筒內裝有發生器電路板和直流電源，電路板包括電源電子開關電路、單穩延時電路、河底信號電壓比較電路、流速儀信號電壓比較電路、水面信號振蕩電路、河底信號振蕩電路、流速儀信號振蕩電路、電子門電路及功率放大電路，電源電子開關電路的輸入端用於與水面開關的一個端子相連接，其輸出端一路與各電路單元的電源端連接，另一路接單穩延時電路的輸入端，單穩延時電路的輸出端一路通過水麵信號電子門與功率放大電路連接，另一路通過或非門與流速儀信號電子門輸入端連接，河底信號電壓比較電路的輸入端用於與河底開關相連接，輸出端與河底信號振蕩器的輸出端共同接河底信號電子門輸入端，流速儀信號電壓比較電路的輸入端用於與流速儀開關連接，輸出端與流速儀信號振蕩電路的輸出端共同接流速儀信號電子門輸入端，河底信號電子門和流速儀信號電子門的輸出端與功率放大電路相連接。
所述的單穩延時電路由兩個串聯的或非門N2C、N2B及其外圍阻容器件組成，其輸入端通過穩壓電路接電源電子開關電路的輸出端，其輸出端一路通過或非門N2A和與門N4C的一輸入端連接，另一路和與門N4D的一輸入端相連，與門N4D的另一輸入端與水面信號振蕩電路輸出端連接，與門N4D的輸出端通過二極體D14和電阻與功率放大電路相連接，與門N4C的另一輸入端與流速儀信號電壓比較電路的輸出端相連接，其輸出端接與門N4B的一輸入端，與門N4B的另一輸入端與流速儀信號振蕩電路的輸出端連接，其輸出端通過二極體D16和電阻與功率放大電路相連接，河底信號電壓比較電路的輸出端和與門N4A的一輸入端相連接，與門N4A的另一輸入端與河底信號振蕩器的輸出端連接，其輸出端通過二極體D15和電阻與功率放大電路相連接。
所述的水面信號振蕩電路、河底信號振蕩電路、流速儀信號振蕩電路均由兩個串聯的施密特觸發器及其外圍阻容器件連接組成。
所述的河底信號電壓比較電路、流速儀信號電壓比較電路均是由電壓比較器組成的，其正相輸入端分別接有由電阻和至少兩個二極體組成的基準電壓電路，反相輸入端分別接有由電阻和至少兩個二極體組成的嵌位電路，基準電壓電路和嵌位電路均接在電源與地之間，電壓取樣點為電阻與二極體的公共端，其中與反相輸入端連接的其中一個二極體兩極分別接河底開關一端或流速儀開關一端和地之間。
所述的功率放大電路由三極體V5～V7及其外接阻容器件組成，其中三極體V5的發射極接由V6、V7組成的推挽功率放大電路，推挽電路的輸出端為纜道信號輸出點。
所述的電源電子開關電路由二極體D1、電阻R1～R6、三極體V1～V3組成，二極體D1的陰極與水面開關的一個端子連接，陽極與電阻R1、R2連接，R1、R2的公共端接電阻R3一端，電阻R3另一端接三極體V1基極，三極體V1的發射極接直流電源和三極體V3的發射極，集電極通過電阻R5接三極體V2的基極，三極體V2的發射極接地，集電極通過電阻R6接三極體V3基極，三極體V3的集電極與各電路單元相連接為其提供工作電源。
本發明的水面信號振蕩電路、河底信號振蕩電路、流速儀信號振蕩電路能在水面開關、流速儀開關、河底開關接通時分別產生三種不同頻率的交流信號，將其混合後經同一根信號線輸出，在岸上接收端通過選頻電路即可將他們分離出來，成功地解決了以往水文纜道測流存在的難題。整個電路板及直流9V電源安裝一個密封信號筒內。
圖1是本發明的電路原理圖；圖2是本發明裝在鉛魚尾翼上的測流示意圖；圖3是水面開關的示意圖；圖4是河底開關的示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，纜道測流信號發生器包括一個密封的絕緣信號筒1，在信號筒內裝有發生器電路板和9V直流電源，信號筒1安裝在鉛魚2的尾翼3上。在信號筒表面設有兩個接線柱4，一個與信號發生器電路相連，另一個通過鉛魚外殼(公共地線)與發生器地線相連。當兩個接線柱接觸到水面時，通過水體導通，產生水面直流信號。為了在鉛魚下到河底時取得河底信號，在鉛魚底部配套設有河底開關，如圖4所示，由鉛魚底部的河底託板5、支架6、磁鋼7、幹簧管8組成，當鉛魚到達河底時，託板5上抬使支架6上的磁鋼7靠近幹簧管8，幹簧管在磁性作用下接通，產生河底直流信號。河底開關不屬於本發明的構成部分。河底開關的幹簧管8有兩根引線9，一根與發生器相連，另一根與公共地線相連。流速儀10的一個接線柱接發生器，另一端接公共地線。
如圖1所示，纜道測流信號發生器有五個輸入輸出線分別是地線接線端GND、水面開關接線端SM、流速開關接線端LS、河底開關接線端HD、電源接線端和信號輸出接線端OUT。發生器電路板包括電源電子開關電路、單穩延時電路、河底信號電壓比較電路、流速儀信號電壓比較電路、水面信號振蕩電路、河底信號振蕩電路、流速儀信號振蕩電路、電子門電路及功率放大電路。電源電子開關電路由二極體D1、電阻R1～R6、三極體V1～V3組成，二極體D1的陰極與水面開關的一個端子(圖中SM接點)連接，陽極接電阻R1、R2，R1、R2的公共端接電阻R3一端，電阻R3另一端接三極體V1基極，三極體V1的發射極接直流電源和三極體V3的發射極，集電極通過電阻R5接三極體V2的基極，三極體V2的發射極接地，集電極通過電阻R6接三極體V3基極，三極體V3的集電極與各電路單元相連接為其提供工作電源。在信號發生器沒有入水時，由於V3截止，整機斷電。當水面開關的兩個接線柱接觸水面時，因為水體導電，通過D1、R1、R3使V1基極的電位下降，V1導通，V1集電極電位上升經R5使V2導通，V2集電極電位下降經R6使V3基極電位下降，V3導通，+9V電源順利通過V3對後面的所有電路供電，整機電路開始工作，並使水面信號振蕩電路發出一個短暫的信號。
上述電子開關打開後，一路給由V5～V7組成的後級功率放大電路供電，另一路經穩壓電路N5(7805)穩壓輸出+5V電壓。+5V電壓一路對運算放大器N1、振蕩信號發生器N3、電子門電路N4、延時電路N2供電，另一路經C3、R7去觸發單穩延時電路，產生水面延時觸發脈衝信號。
所述的單穩延時電路由兩個串聯的或非門N2C、N2B及其外圍阻容器件R7、R8、C3、C4組成，其輸入端通過穩壓電路N5(7805)接電源電子開關電路的輸出端即三極體V3的集電極，其輸出端一路通過或非門N2A和與門N4C的一輸入端連接，另一路和與門N4D的一輸入端相連，與門N4D的另一輸入端與水面信號振蕩電路輸出端連接，與門N4D的輸出端通過二極體D14和電阻與功率放大電路相連接，與門N4C的另一輸入端與流速儀信號電壓比較電路的輸出端相連接，其輸出端接與門N4B的一輸入端，與門N4B的另一輸入端與流速儀信號振蕩電路的輸出端連接，其輸出端通過二極體D16和電阻與功率放大電路相連接，河底信號電壓比較電路的輸出端和與門N4A的一輸入端相連接，與門N4A的另一輸入端與河底信號振蕩器的輸出端連接，其輸出端通過二極體D15和電阻與功率放大電路相連接。N2A～N2C為二輸入端四或非門集成電路CD4001B的其中三個，N4A～N4D為二輸入端四與非門集成電路CD4081B的四個與非門，N4A、N4B、N4C、N4D門電路用來作電子開關使用，當它們打開後，三個振蕩器的輸出信號分別經D14、D15、D16輸出，送往後級放大。
圖1中，N3A～N3F為六施密特觸發反相器集成電路CD40106B中的六個施密特觸發反相器。其中，水面信號振蕩電路由N3E、N3F及其外圍阻容器件R14～R16、C6連接組成，產生頻率為2500Hz的音頻信號。河底信號振蕩電路由N3A、N3B及其外圍阻容器件R17～R19、C7連接組成，產生頻率為3500Hz的音頻信號。流速儀信號振蕩電路由N3C、N3D及其外圍阻容器件R20～R22、C8連接組成，產生頻率為3000Hz的音頻信號。
運算放大器N1B、N1A(MC4558B)及其外圍元件分別組成河底信號電壓比較電路和流速儀信號電壓比較電路，其中R11、D5～D7及R13、D11～D13分別組成基準電壓電路並分別接N1B、N1A的正相輸入端，為N1B、N1A提供兩個基準電壓，R10、D2～D4及R12、D8～D10分別組成嵌位電路並分別接N1B、N1A的反相輸入端。基準電壓電路和嵌位電路均接在電源與地之間，電壓取樣點為電阻與二極體的公共端，其中D4正極接河底開關一端，負極接地，D10正極接流速儀開關一端，負極接地。選取R10、R11、R12、R13的阻值，使四條支路中的二極體工作在特性曲線的不同斜率處，從而使N1A、N1B的輸入端V+的電壓小於V-，那麼N1A、N1B的輸出電壓均為0V，後面的電子開關門N4A～N4D全部關閉。
前面已經說過，當水面觸點入水後，整機加電，單穩延時電路將輸出一個短暫的延時脈衝電壓信號。這個信號分成兩路，一路打開電子門N4D，使水面振蕩器產生的信號通過N4D及D14送往後級放大。另一路經電子門N2A關閉門N4C，使其在水面信號出現期間，關閉流速儀信號，以消除入水時碰巧流速儀開關也接通而對水面信號產生的幹擾。
流速儀接線柱及河底開關接線端子雖然直接與水體接觸，但由於D4、D10具有的穩壓作用，其兩端的電壓保持恆定，所以有效地消除了水體導電對它的影響。
當河底開關接通後產生河底信號，D4由於陽極、陰極分別接河底開關的一個端子(圖中HD接點)和公共地線而被開關短路，在N1B的兩個輸入端的電壓發生變化，使V+＞V-，在N1B的7腳有+5V電壓輸出，在這個電壓的作用下，電子門N4A打開，河底信號振蕩器的輸出信號能夠順利通過，並且經D15送往後級放大。同樣道理，當流速儀開關接通後產生流速信號，D10由於陽極、陰極分別接流速儀開關的一個端子(圖中LS接點)和公共地線而被短路，N1A的1腳同樣輸出+5V電壓，因為在水面信號過後，門N4C已經打開，所以N1A輸出的高電平信號可順利地經過門N4C，然後這個信號再打開電子門N4B，流速儀振蕩信號通過門N4B及D16送往後級放大。
功率放大電路由三極體V5～V7及其外接阻容器件組成，其中三極體V5的發射極接由V6、V7組成的推挽功率放大電路，推挽電路的輸出端為纜道信號輸出點。以上三種信號分別經D14、D15、D16輸出，再經R23送入V5基極進行推動放大，V5集電極的輸出信號再經過V6、V7組成的推挽功率放大通過C11經信號輸出端(圖中OUT接點)接的信號輸出線輸出，從而實現了用一根傳輸線輸出三種信號的目的，當岸上的接收機接收到信號後，用選頻電路即可將它們分離出來。信號的傳輸路徑為從信號發生器輸出的信號經發生器信號輸出線—絕緣子上邊的起重索—纜道絞車垂直捲軸—絞車外殼—岸上的信號接收機—信號接收機地線—大地—水體—鉛魚體—回到信號發生器，構成閉合迴路。接收機即可解調出水面、河底及流速儀信號。
權利要求
1.一種纜道測流信號發生器，其特徵在於，它包括一個密封的信號筒，在信號筒內裝有發生器電路板和直流電源，電路板包括電源電子開關電路、單穩延時電路、河底信號電壓比較電路、流速儀信號電壓比較電路、水面信號振蕩電路、河底信號振蕩電路、流速儀信號振蕩電路、電子門電路及功率放大電路，電源電子開關電路的輸入端用於與水面開關的一個端子相連接，其輸出端一路與各電路單元的電源端連接，另一路接單穩延時電路的輸入端，單穩延時電路的輸出端一路通過水麵信號電子門與功率放大電路連接，另一路通過或非門與流速儀信號電子門輸入端連接，河底信號電壓比較電路的輸入端用於與河底開關相連接，輸出端與河底信號振蕩器的輸出端共同接河底信號電子門輸入端，流速儀信號電壓比較電路的輸入端用於與流速儀開關連接，輸出端與流速儀信號振蕩電路的輸出端共同接流速儀信號電子門輸入端，河底信號電子門和流速儀信號電子門的輸出端與功率放大電路相連接。
2.如權利要求1所述的纜道測流信號發生器，其特徵在於，所述的單穩延時電路由兩個串聯的或非門(N2C、N2B)及其外圍阻容器件組成，其輸入端通過穩壓電路接電源電子開關電路的輸出端，其輸出端一路通過或非門(N2A)和與門(N4C)的一輸入端連接，另一路和與門(N4D)的一輸入端相連，與門(N4D)的另一輸入端與水面信號振蕩電路輸出端連接，與門(N4D)的輸出端通過二極體(D14)和電阻與功率放大電路相連接，與門(N4C)的另一輸入端與流速儀信號電壓比較電路的輸出端相連接，其輸出端接與門(N4B)的一輸入端，與門(N4B)的另一輸入端與流速儀信號振蕩電路的輸出端連接，其輸出端通過二極體(D16)和電阻與功率放大電路相連接，河底信號電壓比較電路的輸出端和與門(N4A)的一輸入端相連接，與門(N4A)的另一輸入端與河底信號振蕩器的輸出端連接，其輸出端通過二極體(D15)和電阻與功率放大電路相連接。
3.如權利要求2所述的纜道測流信號發生器，其特徵在於，所述的水面信號振蕩電路、河底信號振蕩電路、流速儀信號振蕩電路均由兩個串聯的施密特觸發器及其外圍阻容器件連接組成。
4.如權利要求2或3所述的纜道測流信號發生器，其特徵在於，所述的河底信號電壓比較電路、流速儀信號電壓比較電路均是由電壓比較器組成的，其正相輸入端分別接有由電阻和至少兩個二極體組成的基準電壓電路，反相輸入端分別接有由電阻和至少兩個二極體組成的嵌位電路，基準電壓電路和嵌位電路均接在電源與地之間，電壓取樣點為電阻與二極體的公共端，其中與反相輸入端連接的其中一個二極體兩極分別接河底開關一端或流速儀開關一端和地之間。
5.如權利要求4所述的纜道測流信號發生器，其特徵在於，所述的功率放大電路由三極體(V5～V7)及其外接阻容器件組成，其中三極體(V5)的發射極接由三極體(V6)和三極體(V7)組成的推挽功率放大電路，推挽電路的輸出端為纜道信號輸出點。
6.如權利要求5所述的纜道測流信號發生器，其特徵在於，所述的電源電子開關電路由二極體(D1)、電阻(R1～R6)、三極體(V1～V3)組成，二極體(D1)的陰極與水面開關的一個端子連接，陽極與電阻(R1、R2)連接，電阻(R1、R2)的公共端接電阻(R3)一端，電阻(R3)另一端接三極體(V1)基極，三極體(V1)的發射極接直流電源和三極體(V3)的發射極，集電極通過電阻(R5)接三極體(V2)的基極，三極體(V2)的發射極接地，集電極通過電阻(R6)接三極體(V3)基極，三極體(V3)的集電極與各電路單元相連接為其提供工作電源。
全文摘要
本發明涉及一種纜道測流信號發生器，密封的信號筒內裝有發生器電路板和直流電源，其電源電子開關電路與各電路單元的電源端連接，單穩延時電路的輸出端一路與功率放大電路連接，另一路與流速儀信號電子門輸入端連接，河底信號電壓比較電路的輸出端與河底信號振蕩器的輸出端共同接河底信號電子門輸入端，流速儀信號電壓比較電路輸出端與流速儀信號振蕩電路的輸出端共同接流速儀信號電子門輸入端，河底信號電子門和流速儀信號電子門的輸出端與功率放大電路相連接。本發明可以將水面開關、流速儀開關、河底開關接通時分別產生的信號混合後經同一根信號線輸出，從而解決現有技術中三種信號不能同時傳輸的技術問題。
文檔編號G08C19/00GK1851771SQ200610017710
公開日2006年10月25日 申請日期2006年4月27日 優先權日2006年4月27日
發明者胡成年, 趙新智, 王靖華, 王立軍, 田海河, 李春正, 張宇, 金生, 趙恩來 申請人:河南省南陽水文水資源勘測局