一种安全水位的监控方法、系统及其应用与流程

1.本发明涉及水位测量技术领域，特别是涉及一种安全水位的监控方法、系统及其应用。


背景技术：

2.现有技术中对目标水域的安全水位监测时，通常都是使用固定的水位测量器对水位进行实时监测，这种监测方式虽然能够实时将水位的深度进行实时反应。但是在实际使用过程中，尤其是针对池塘、江、河等水域进行水位监测时，水位不会短时间内突然发生巨大变化，因此使用固定在水域岸上的测量器进行实时测量完全没有必要，且测量仪器长时间工作会对仪器本身的使用寿命、测量精度造成影响，造成资源的浪费。


技术实现要素：

3.基于现有技术中的缺点，提供一种安全水位的监控方法，其包括如下具体步骤：
4.周期性获取目标水域的水位深度h。
5.获取单位时间内目标水域水位变化值，并判断水位变化值是否小于一个预设值。是则按照原周期获取目标水域的水位深度h。否则以此时刻为周期起点获取目标水域的水位深度h。
6.判断水位深度h是否在一个预设的标准范围内。是则以周期时间t1周期获取目标水域的水位深度h。否则进一步判断水位深度h是否小于预设的警戒值h
max
。是则以周期时间t2周期获取目标水域的水位深度h，否则实时获取目标水域的水位深度h。
7.上述安全水位监测方法，可以周期性的检测目标水域的水位深度，并根据水位深度判断水位是否有上涨趋势，从而决定是否调节检测周期，实现对水位的全面监控，避免使用实时测量仪器对水位进行实时测量；同时根据周期性的测量能够及时对水位的变化趋势做出判断，提高监测的智能程度。
8.在其中一个实施例中，周期性获取目标水域的水位深度h过程包括：将光纤压力传感器平缓的沉入目标水域的水底。其中，光纤压力传感器包括真空腔、弹性膜片和光纤。检测光纤压力传感器中光纤输入到真空腔内的光线与经水压变形后的弹性膜片反射后的光线之间的光程变化量。将光程变化量根据一个预设表转换成所对应的水位深度h。从目标水域中平缓的取出光纤压力传感器。在周期时间t后再次测量目标水域的水位深度h。
9.在其中一个实施例中，获取单位时间内目标水域水位变化值的过程包括：设定一个漂浮在水面上的标定物，所述标定物根据水位的起伏沿预设的导杆升降。实时检测所述标定物与所述导杆中预设的测量基准点之间的距离值。将单位时间的两个距离值作差得到单位时间内目标水域水位变化值。
10.在其中一个实施例中，周期时间t1为12小时，周期时间t2为1小时。
11.本发明还公开了一种安全水位的监控系统，其包括水位深度获取模块、水位变化获取模块和控制器模块。
12.水位深度获取模块用于周期性获取目标水域的水位深度h。
13.水位变化获取模块用于获取单位时间内目标水域水位变化值。以及
14.控制器模块用于判断水位变化值是否小于一个预设值。是则控制水位深度获取模块按照原周期获取目标水域的水位深度h。否则控制水位深度获取模块以此时刻为周期起点获取目标水域的水位深度h。还用于判断水位深度h是否在一个预设的标准范围内。是则以周期时间t1周期获取目标水域的水位深度h。否则进一步判断水位深度h是否小于预设的警戒值h
max
。是则以周期时间t2周期获取目标水域的水位深度h，否则实时获取目标水域的水位深度h。
15.在其中一个实施例中，安全水位的监控系统还包括报警模块；所述控制器模块还用于当所述水位深度h大于预设的警戒值h
max
时，控制所述报警模块发出警报。
16.本发明还公开了一种安全水位的监控系统在监测水坝水位中的应用，采用所述的安全水位的监控系统对水位进行监测。
17.本发明还公开了一种水位深度的测量装置，包括壳体、光纤压力传感器和控制器。壳体侧壁开设有若干通孔。光纤压力传感器安装在壳体内。光纤压力传感器包括真空腔、弹性膜片和光纤，光纤压力传感器用于将弹性膜片的形变量转化为光纤输出的光程变化量。控制器根据预设表确定当前位置的光程变化量所对应的水位深度h。
18.在其中一个实施例中，水位深度测量装置还包括下潜驱动器。控制器还用于驱动壳体在水体中下潜。
19.本发明还公开了一种水位变化检测装置，包括竖杆、浮块、固定杆和距离传感器。固定杆一端安装在水岸，另一端与竖杆顶端固定连接。竖杆底端垂直插设在水体中，浮块套设在竖杆外。距离传感器安装在竖杆顶端，用于检测浮块距离竖杆顶端的高度。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有效效果：
21.本发明的安全水位监测方法，可以周期性的检测目标水域的水位深度，并根据水位深度判断水位是否有上涨趋势，从而决定是否调节检测周期，实现对水位的全面监控，避免使用实时测量仪器对水位进行实时测量；同时根据周期性的测量能够及时对水位的变化趋势做出判断，提高监测的智能程度。
附图说明
22.图1为安全水位的监控方法的流程图。
23.图2为安全水位的监控方法的整体模块图。
24.图3为水位深度测量装置的一种结构图。
25.图4为水位变化检测装置的结构图。
26.图5为水位深度测量装置的另一种结构图。
27.图6为安全水位的监控系统的模块图。
28.图中：1-壳体、2-应变式压力传感器、3-水阀、4-隔板、5-通孔、6-光纤压力传感器、7-竖杆、8-浮块、9-固定杆、10-距离传感器、11-水岸。
具体实施方式
29.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。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。
30.需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.实施例1
33.请参阅图1，本实施例公开了一种安全水位的监控方法，该方法通过周期性的检测水位深度，对池塘、河流、水坝等等的水位进行智能监控，根据检测到的水位深度进行判断是否要缩短检测周期，防止水位在测量周期的空档超过警戒线而没有被监控；可以不使用水位测量装置对水位进行实时测量，就能够及时捕捉到水位的快速涨幅，从而调节水位监控的周期，实现智能化的水位监控。本实施例的具体监控方法包括如下步骤s1-s3。
34.s1、周期性获取目标水域的水位深度h。通过得到水位深度，可以对目标水域的水位进行监控，同时，根据测量得到的水位深度h可以与目标水域的标准水位范围进行比较，若水位深度h不超过标准范围，则证明水位没有上涨趋势，根据测量周期，在周期时间t后重复测量新的水位深度h。若新的水位深度超过标准范围则说明了在该测量周期内水位快速上涨，因此需要缩短周期时间t以得到更时间间隙更短的水位深度数据，来对水位进行监控，也能够进一步对水位的涨幅进行预测，可以给监控人员更多的时间来部署水位上涨带来的影响。
35.本实施例中，周期性获取目标水域的水位深度h的具体过程包括以下步骤：
36.将光纤压力传感器平缓的沉入目标水域的水底。其中，光纤压力传感器包括真空腔、弹性膜片和光纤，弹性膜片将真空腔与外界隔绝。其工作原理是通过光纤将光信号传递至真空腔内，经弹性膜片反射，再由光线传出，根据光程变化量来反映水深。需要注意的是，在操作光纤压力传感器下潜到水底的过程需要缓慢，防止光纤压力传感器快速下降与水域中的固体碰撞造成损坏，影响测量精度。
37.检测光纤压力传感器中光纤输入到真空腔内的光线与经水压变形后的弹性膜片反射后的光线之间的光程变化量。当光纤压力传感器的弹性膜片没有发生形变时，光程变化量为0。当光纤压力传感器下潜至水底时，在水压的作用下，弹性膜片发生形变，因此，由光纤输入到真空腔内的光信号与由膜片反射后进入光纤的光信号之间的光程发生改变，从而得到光程变化量。
38.将光程变化量根据一个预设表转换成所对应的水位深度h。本实施例中，预设表是根据相关经验绘制的转换表，可以将光程变化量转换为水位深度。当然，也可以是存在映射关系的转换表，光程变化量与水位深度一一映射。
39.从目标水域中平缓的取出光纤压力传感器。在周期时间t后再次测量目标水域的
水位深度h。
40.s2、获取单位时间内目标水域水位变化值，并判断水位变化值是否小于一个预设值。是则按照原周期获取目标水域的水位深度h。否则以此时刻为周期起点获取目标水域的水位深度h。本步骤通过获取单位时间内目标水域水位变化值是为了防止在原有测量周期的间隔内水位大幅上涨，原有测量周期不满足监控需求，因此将此时刻作为新周期的起点，测量此时的水位深度，并再次判断水位深度是否超过安全范围，若超过则缩短测量周期。本实施例中，预设差值根据单位时间而定，主要用于监控单位施加时间内的水位变化，防止在短时间内水位暴涨，而又未到下一获取周期，导致未能实时监测安全水位。
41.本实施例中，获取单位时间内目标水域水位变化值的过程包括：设定一个漂浮在水面上的标定物，所述标定物根据水位的起伏沿预设的导杆升降。实时检测所述标定物与所述导杆中预设的测量基准点之间的距离值。将单位时间的两个距离值作差得到单位时间内目标水域水位变化值。
42.s3、判断水位深度h是否在一个预设的标准范围内。是则以周期时间t1周期获取目标水域的水位深度h。否则进一步判断水位深度h是否小于预设的警戒值h
max
。是则以周期时间t2周期获取目标水域的水位深度h，否则实时获取目标水域的水位深度h。通过对周期检测到的水位深度h进行判断，当超过标准范围时只有两种情况，一种是超过警戒线，一种是未超过警戒线。当超过警戒线时，实时检测目标水域的水位深度h，获取目标水域的实时信息，便于管理人员进行部署。当未超过警戒线时，以周期时间t2周期获取目标水域的水位深度h，t2周期小于t1。本实施例中，周期时间t1为12小时，周期时间t2为1小时。
43.请结合图2，在本实施例中，还可以将监测到的水位深度数据通过网络连接应用服务器，应用服务器可以将数据信息在管理中心中反应或者在监管大屏上显示，管理人员可以实现在线实时查看水位变化。
44.在其他实施例中，步骤s1在测量目标水域的水位深度h时，还可以利用水位深度测量装置测量。请结合图3，水位深度测量装置包括壳体1、光纤压力传感器6和控制器；所述壳体1侧壁开设有若干通孔5；所述光纤压力传感器6安装在所述壳体1内；所述光纤压力传感器6包括真空腔、弹性膜片和光纤，所述光纤压力传感器6用于将所述弹性膜片的形变量转化为所述光纤输出的光程变化量；所述控制器根据预设表确定当前位置的所述光程变化量所对应的水位深度h。在测量时，将壳体1放入水中，直到下潜至光程变化量不在变化，此时认为壳体1下潜至水底，控制器根据预设表确定当前位置的所述光程变化量所对应的水位深度h。所述预设表可以是根据相关经验绘制的转换表，可以将光程变化量转换为水位深度；当然，也可以是存在映射关系的转换表，光程变化量与水位深度一一映射。在其他实施例中，所述水位深度测量装置还可以包括下潜驱动器；所述控制器还用于驱动壳体1在水体中下潜。
45.在其他实施例中，步骤s2在获取单位时间内目标水域水位变化值时可以利用一种漂浮物检测装置检测；请结合图4，所述漂浮物检测装置包括竖杆7、浮块8、固定杆9和距离传感器10；所述固定杆9一端安装在水岸11，另一端与所述竖杆7顶端固定连接；所述竖杆7底端垂直插设在水体中，所述浮块8套设在所述竖杆7外；所述距离传感器10安装在所述竖杆7顶端，用于检测所述浮块8距离所述竖杆7顶端的高度。当水位变化时，浮块8跟随水面浮动，通过距离传感器10进行检测与浮块8之间的距离，间接反应水面在单位时间内的变化。
获取单位时间内目标水域水面漂浮物的高度差包括：实时获取所述距离传感器10检测到高度值；将所述高度值绘制成曲线；将每个单位时间周期的高度值作差，得到单位时间内目标水域水面漂浮物的高度差。本实施例中，可以30分钟为一个单位时间。当然，在其他实施例中，也可以利用其他方式检测水面的变化，比如超声波检测法等等。
46.本实施例的安全水位监测方法，可以周期性的检测目标水域的水位深度，并根据水位深度判断水位是否有上涨趋势，从而决定是否调节检测周期，实现对水位的全面监控，避免使用实时测量仪器对水位进行实时测量；同时根据周期性的测量能够及时对水位的变化趋势做出判断，提高监测的智能程度。
47.实施例2
48.请结合图5，本实施例与实施例1的区别在于，所述水位深度测量装置的具体结构不同，本实施例公开了一种高精度测量水位装置，其包括壳体1、应变式压力传感器2、水阀3、光纤压力传感器、下潜驱动器和控制器。高精度测量水位装置通过两组水深数据，其中一组在浅水时精度更高，其中一组在深水时精度更高，同时，两组水深数据还可以互相验证，提高测量精度以及适用范围。
49.壳体1内部安装有隔板，所述隔板将壳体1分为第一腔室和第二腔室。
50.所述第一腔室的侧壁开设有进水孔和安装孔。水阀3安装在所述进水孔内，应变式压力传感器2安装在所述安装孔内。水阀3用于控制所述第一腔室与外部的通断。水阀3闭合时，第一腔室处于密封状态，当装置在水中不断下潜时，第一腔室外的压强不断变大，应变式压力传感器2用于检测所述第一腔室内外的压力差δp。水阀3开启时，第一腔室外的水体进入第一腔室内。
51.第二腔室侧壁开设有若干通孔。光纤压力传感器安装在所述第二腔室内；其包括真空腔、弹性膜片和光纤；所述光纤压力传感器用于将所述弹性膜片的形变量转化为所述光纤输出的光程变化量。将光纤压力传感器设置在第二腔室内，且第二腔室侧壁设置通孔，是防止水体中外物碰撞光纤压力传感器，导致弹性膜片发生形变，影响测量精度，通过设置带通孔的第二腔室，水体可以自由进入，且不会与外部物体接触，提高测量精度以及设备的使用寿命。
52.下潜驱动器提供壳体1或者装置整体下潜的动力，驱动壳体1在水体中下潜。
53.控制器用于：
54.ⅰ
、当所述压力差δp达到一个预设差值p时，控制下潜驱动器使壳体1停止下潜，并控制所述水阀3开启；当所述压力差δp为0时，控制所述水阀3关闭，并控制下潜驱动器使壳体1继续下潜。
55.ⅱ
、计算当前位置的第一水位深度h1；基于公式p＝ρgh，考虑到壳体1下潜到水底时的压力差δp不一定为0，因此得到第一水位深度h1的公式如下：
[0056][0057]
其中，n为水阀的开启次数、ρ为水体密度、g为重力加速度、δpa为当前位置应变式压力传感器的压力差。
[0058]
ⅲ
、根据预设表确定当前位置的所述光程变化量所对应的第二水位深度h2。所述预设表可以是根据相关经验绘制的转换表，可以将光程变化量转换为水位深度；当然，也可
以是存在映射关系的转换表，光程变化量与水位深度一一映射。
[0059]
ⅳ
、根据第一水位深度h1和第二水位深度h2融合计算实际水位h；公式如下：
[0060]
h＝k1h1 k2h2[0061]
其中，k1为第一水位深度的加权系数，k2为第二水位深度的加权系数。
[0062]
本实施例中，所述第一水位深度的加权系数k1满足如下公式：
[0063][0064]
其中，e为与预设差值p相关的传感器系数。
[0065]
本实施例中，所述控制器还用于：
[0066]
ⅴ
、当所述水阀3开启的次数n大于一个预设次数b时，控制所述水阀3始终处于开启状态。预设次数b是根据壳体1的材料、水体的密度、应变式压力传感器2的预设差值p等参数综合确定的。例如：壳体1的材料的防水、密封性能优异，则预设次数b可以大一点。水体的密度大，则预设次数b小一点。预设差值p小一点，则预设次数b可以大一点等等。预设次数b具体数值的确定可以提高第一水深h1的测量精度。因为，如果预设次数b过大，则会导致第一腔室反复处于存在压力差的状态，容易对壳体1造成破坏，影响精度，而且反复的开合也会不断叠加测量误差，导致测量精度降低。
[0067]
进一步的，控制器还用于：vi、判断的差值是否超出一个预设的差值范围一，若是则使k1为0；其中，δpi为水阀第i次开启时的压力差，3《i《n。由于预设差值p是固定值，因此相同压力差间隔的水深变化理论上应该相同，考虑到误差，设定差值范围一，若水阀3相邻的开启关闭周期内的水深变化在设定差值范围一内，则认为装置是处于正常工作状态，根据第一水位深度h1和第二水位深度h2融合计算实际水位h。若超出差值范围一，则认为通过第一腔室检测到的第一水位深度h1不再准确，此时，以第二水位深度h2为实际水位h。
[0068]
本实施例中，所述控制器还用于：
ⅶ
、当n小于一个预设次数a时，k2为0。预设次数a和预设次数b的确定依据相同，当n小于一个预设次数a时，认为此时的第一水位深度h1很精准，以第一水位深度h1为实际水位h。
[0069]
当a《n《b时，可以利用第一水位深度h1和第二水位深度h2相互验证数据的准确性。通过判断h
1-h2是否在一个预设的差值范围二内；是则证明两组水深数据都有效，保持k1、k2不变，通过加权融合的方式计算实际水深；否则进一步判断的差值是否超出一个预设的差值范围一；是则证明第一水位深度h1不在精准，此时使k1为0，以第二水位深度h2为实际水位h。否则证明第一水位深度h1仍然精准，第二水位深度h2不精准，使k2为0，以第二水位深度h1为实际水位h。当出现第二水位深度h2不精准时，可以选择将装置拉起进行检查，确定光纤压力传感器是否存在损坏。
[0070]
当n大于一个预设次数b时，使k1为0。认为此时的第一水位深度h1不再精准，且超出了水阀3的最大开启次数，因此水阀3处于常开状态，即以第二水位深度h2为实际水位h。
[0071]
本实施例中，在进行水位测量之前进行校准；所述校准的操作包括：将水阀3开启，调节应变式压力传感器2的压力差δp为0，提高测量的精准度。
[0072]
在其他实施例中，所述测量水位装置还可以设置显示器和警报器。
[0073]
显示器用于显示所述应变式压力传感器2的压力差应变式压力传感器2、实时的第一水位深度h1、所述光纤压力传感器传出的光程变化量、实时的第二水位深度h2以及第二水位深度h2的变化曲线。所述控制器还用于当所述壳体1在水体中的时间超过预设时间时，控制所述下潜驱动器使壳体1上浮至水面，并控制警报器发出警报声。
[0074]
本实施例的高精度测量水位装置在使用时，先将壳体1放置在水面上，调节应变式压力传感器的内外压力差为0后关闭水阀，控制器控制下潜驱动器使壳体1浸没在水体中并持续下降，由于刚进入水体中，压强压力较小，第二腔室内的光纤压力传感器膜片变化不明显，因此测得的第二水位深度数据精准度难以保证。当压力差达到预设的差值时，停止下降，打开水阀，使水体进入到第一腔室内，知道压力差为0后再次关闭水阀；此水位下的压力等于预设的差值，因此可以测量出的第一水位深度即为实际水深。当壳体1不断下潜，水体中的压力越来越大，水阀不断开启关闭，测量误差不断叠加，光纤压力传感器的膜片变化越来越明显，因此第一水位深度和第二水位深度可以相互验证，并且加权融合计算实际水深。当水阀不在关闭时，第一水位深度不再变换，此时水体中的压力压强足以精准的测量出第二水温深度，即实际水深。
[0075]
本实施例的高精度测量水位装置通过将壳体1分为第一腔室和第二腔室，并分别在第一腔室和第二腔室内检测出第一水位深度h1和第二水位深度h2，当在测量浅水时，以第一水位深度h1为实际水位。当在测量超出水阀3的最大预设开启次数时，可以理解为深水水位测量时，以第二水位深度h2为实际水位。当测量水位为浅水和深水之间时，首先利用第一水位深度h1和第二水位深度h2相互验证，验证测量数据的准确性，再利用加权融合的方式计算出实际水位，大大提高了测量精度和通用性。
[0076]
实施例3
[0077]
请结合图6，本实施例公开了一种安全水位的监控系统，其包括水位深度获取模块、水位变化获取模块和控制器模块。
[0078]
水位深度获取模块用于周期性获取目标水域的水位深度h。
[0079]
水位变化获取模块用于获取单位时间内目标水域水面漂浮物的高度差。
[0080]
控制器模块用于判断所述水位变化获取模块获取的单位时间高度差是否小于一个预设差值；是则控制所述水位深度获取模块按照原周期获取目标水域的水位深度h；否则控制所述水位深度获取模块以此时刻为周期起点获取目标水域的水位深度h；还用于判断所述水位深度h是否在一个预设的标准范围内；是则控制所述水位变化获取模块以频率t1获取目标水域的水位深度h；否则进一步判断所述水位深度h是否小于预设的警戒值h
max
；是则控制所述水位变化获取模块以频率t2获取目标水域的水位深度h，否则控制所述水位变化获取模块实时获取目标水域的水位深度h。
[0081]
本实施例中，安全水位的监控系统还包括报警模块；所述控制器模块还用于当所述水位深度h大于预设的警戒值h
max
时，控制所述报警模块发出警报。
[0082]
本实施例拥有与实施例1相同的有益效果，在此不再赘述。
[0083]
本实施例的安全水位的监控系统还可以应用于水坝的水位监测，防止水坝的水位快速上涨而没有得到及时反馈，当水位达到警戒线时，也能够及时进行报警。
[0084]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实
施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0085]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明申请的保护范围应以所附权利要求为准。