专利名称：声波水位仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种液面指示器，具体地说是一种测量机井水位的装置。
CN86208888号专利公开了一种机井声波水位仪，该仪器包括有信号发生部分和测量部分，由信号发生部分发出声波，测量部分接收发射信号和水位界面反射信号，取得时间差，结合声速计算出机井的水位埋深。由于机井内目前多使用潜水泵，井内的泵管法兰盘、电缆、铅丝等阻挡物增多，造成声波反射界面增多，使测量比较困难。而且该仪器的抗干扰能力差，不适于进行动水位埋深的测量。动水位埋深是评价机井的成井质量和使用寿命的重要参数之一，因此该仪器的使用存在较大的局限性。
本实用新型的目的就是提供一种可进行机井动水位埋深测量的装置，以提高地下水资源评价和管理的水平。
本实用新型是这样实现的由升压电路、可控硅放电开关电路、定压触发电路及发声头子构成信号发射部分，测量部分由探头、带通滤波电路、放大阻塞电路、全相位放大电路、信号检出电路、脉冲宽度检测电路、符合电路、RC振荡电路、记忆电路、锁相环电路、自锁双稳电路、与门电路、驱动电路、显示器、升压稳压电路、显示器、升压稳压电路、显示驱动电路、复位电路连接组成。
当进行动水位埋深测量时，在机井内除具有发射信号和水面反射信号以外，还存在水泵运转产生的噪声信号，水面以上井管变径位置处的反射信号，法兰盘、电缆等阻挡物的反射信号，以及驻波反射信号等多种干扰信号。因而水位检测仪中的信号接收测量部分应具备在上述众多信号中检测出发射信号和水面反射信号的能力。根据大量的实测观察，除水泵运转产生的噪声信号的幅度略低外，其余反射信号的幅度差别不大；在持续时间上，除发射信号、变径位置反射信号、水面反射信号外，其余反射信号持续的时间短。基于此点，在本水位仪中，先用带通滤波电路滤除工作频带以外的干扰信号，用放大阻塞电路消除部分干扰，提高信噪比，使噪声幅度与其他信号幅度的比值减小。利用全相位放大电路将信号放大、负向信号倒相、经或门，使反相的负向信号插入正向信号间，形成正向信号。用自动阀值幅度检出电路阻塞水泵运转产生的噪声信号，输出与信号持续时间相应的脉冲信号。用脉冲宽度检测电路滤除发射信号、变径位置、水面反射信号以外的各种反射信号。再用符合电路依据水面以上井管变径的级数，用选择开关去掉变径位置反射信号，得到发射信号和水为反射信号。
由于声波在机井内的传播速度是一个变量，需采用平均声速做为与机内信号比拟的物理量，信号接收电路所接收的发射信号和水面反射信号的时间间隔是探头至水面传播时间的2倍，为了能直接显示出探头至水面的距离，机内信号频率应为平均声速的二分之一。
平均声速可表示为V＝V0＋△V，其中V0为定值，△V是受气候因素影响变动的部分。统计表明，用井管内地面以下1米处气液对△V进行摸拟，可使测量误差范围在设计指标以内。机内信号源频率也对应表示为f＝f0＋△f，其中f0固定，△f随机井内1米处气液改变而改变，即校正部分。为使机内信号频率能与测量时机井内平均声速比拟，实现自动校正，保证测量精度，构思如下采用锁相环电路，其中程序分频电路的高位预置端预置固定，形成f0，低位预置端预置取决于机井内地面以下1米处的温度，形成△f，其输出即为f＝f0＋△f。
为简化结构，温度传感元件装入包括话筒在内的探头中，下到机井内地面以下1米处，并做为定时元件接到RC振荡电路中，使RC振荡电路输出与温度相应频率的信号脉冲，与自锁双稳电路输出宽度1秒的正脉冲相与后，加到分频电路中。分频电路的各输出端与锁相环电路中程序分频电路的低位预置端相应连接，使其按温度进行相应的预置，实现了自动校止。
做为统一整体，本仪器其余部分构思如下将发射信号，水面反射信号或秒信号经转换开关接到自锁双稳电路中，自锁双稳电路输出相应宽度的正脉冲与机内信号相与后接到含有计数、锁存、选通的驱动电路中，驱动显示器显示。用复位电路控制显示时间，显示结束时，使有关电路清零，转入下一次测量。
电源电压、闸门的显示可将相应的信号接到显示驱动电路中，驱动显示器显示。
以下结合附图对本实用新型做进一步详述。
图1是本水位仪信号发射部分的电路框图；图2是本水位仪测量部分的电路框图；图3是测量部分中的放大阻塞电路、全相位放大电路、信号检出电路、脉冲宽度检测电路及符合电路几部分的具体电原理图。
图4是测量部分中的自动校正机构的电原理图。
如
图1所示，本水位仪的信号发射部分是将升压电路1、充电电阻RB、可控硅放电开关电路2、发声头子4依次串接，定压触发电路3分别接于放电开关电路2和通过开关K1与充电电阻RB一端连接。
电源电压经升压电路1升压后，经充电电阻RB分别加到可控硅放电开关电路2和定压触发电路3中，当可控硅放电开关电路2中储能电容上的电压上升到经K1所选定的定压触发支路工作时，触发可控硅放电开关电路2中的可控硅，使储能电容上储存的能量经可控硅向发声头子的负载释放，使发声头子发射声波信号。
图2给出了本水位仪测量部分的电路框图，其中，探头5的一路与带通滤波电路6、放大阻塞电路7、全相位放大电路8、信号检出电路9、脉冲宽度检测电路10、符合电路11、转换开关K3的掷位b依次串接；探头5的另一端与RC振荡电路12、记忆电路13、锁相环电路14、与门电路16、驱动电路17、显示器18依次串接。锁相环电路14的另一个输出端分别与记忆电路13、转换开关K3的掷位a连接，转换开关K3的刀位分别与自锁双稳电路15、显示驱动电路20连接，自锁双稳电路15和与门电路16的另一个输入端相连。升压稳压电路19、显示驱动电路20、显示器18依次串接。复位电路21的一个输出端分别与符合电路11、自锁双稳电路15连接，另一个输出端与驱动电路17连接。
在上述测量部分中，探头5内装话筒和温度传感元件，全相位放大电路8由放大电路、倒相电路和或门电路组成，信号检出电路9由自动阀值幅度检出电路、放大电路和倒相电路组成，符合电路11由脉冲分配电路、微分电路、整形电路和或门电路组成，记忆电路13由自锁双稳电路、与门电路和分频电路组成，锁相环电路14由晶振电路、预分频电路、相位比较电路、低通滤波电路、压控振荡电路、程序分频电路和分频电路组成，驱动电路17由计数电路、锁存电路、选通电路和驱动电路组成。
发声头子4发射的声波信号、水泵运转产生的噪声信号及机井内的各种反射信号被探头5拾取，经带通滤波电路6滤除使用频带以外的干扰信号，加到放大阻塞电路7中，经放大、阻塞作用，提高了信噪比后，加到全相位放大电路8中，经放大、倒相，正向信号和倒相的负向信号在或门上相加形成了包括发射信号、界面反射信号和水泵运转产生的噪声信号的混合正向信号，加到信号检出电路9中，选择初始阀值高于输入端上水泵运转产生噪声信号的幅度，消除了该噪声信号，而发射信号、界面反射信号经自动阀值幅度检出电路，在放大电路的输出端输出与信号持续时间相应宽度的正向脉冲信号，加到脉冲宽度检测电路10中，除发射信号、变径位置、水面反射信号外，其余界面反射信号持续时间短，相应的信号脉冲宽度窄，调整电路中的单稳态触发电路的时间常数，即可滤除这部分界面反射信号。由脉冲宽度检测电路10输出的包括发射信号、变径位置、水面反射信号的正向脉冲信号加到符合电路11中脉冲分配电路的CP端，发射信号使Q1产生正阶跃变径位置及水面反射信号依次使Q2至Q5产生正阶跃，用选择开关K2依据水面以上井管变径情况选择出水面反射信号产生的正阶跃，两个正阶跃信号经微分、整形、在或门上输出发射信号、水面反射信号的两个正脉冲信号，经转换开关K3加到自锁双稳电路15的输入端，输出端输出宽度为△T(即从发射信号经探头5起，到达水面经反射再到达探头5止的时间)的正脉冲，加到与门电路16的一个输入端。
锁相环电路14中的晶振电路输出的信号脉冲，经分频电路分频后，一路输入到相位比较电路中，另一路输出秒信号脉冲，除加到转换开关K3的掷位a做为自检信号外，还加到记忆电路13中的自锁双稳电路的CP端。
探头5中的温度传感元件做为定时元件接到RC振荡电路12中，输出端输出与机井内探头5所在位置温度相应频率的信号脉冲，加到记忆电路13中与门的一个输入端上，自锁双稳电路输出端输出的宽度为1秒的正脉冲加到与门的另一个输入端，相与后加到分频电路的CP端，使各输出端出现相应的电位。由于自锁作用，分频电路的各输出端的电位不再变化，具有记忆功能，这样可以使测量过程中机内信号频率不发生变化，使测量结果的稳定性提高。按动按钮AN后，使有关的电路清零，再重复上述过程。
分频电路的各输出端接到锁相环电路14中程序分频电路的低位预量端上，高位预量端预量固定，生成f0，低位预置端按机井内探头5所在位置的温度进行相应的预置，生成△f，这不仅使锁相环电路输出的频率具有f＝f0＋△f的形式，而且还具备了自动校正功能。
锁相环电路14输出的16000－18000Hz范围内某一频率的机内信号加到与门电路16的另一个输入端，相与后加到驱动电路17的CP端上，在△T时间内对机内信号进行计数，经锁存、选通，驱动显示器18显示出探头5至水面的距离，该距离加上探头5距地面的距离，得到水位埋深。
显示器18显示时间的长短，由复位电路21外接的电位器W2进行调整。显示结束时，复位电路产生复位信号使符合电路11、自锁双稳电路15、驱动电路17清零，转入下一次测量。
转换开关K3扳向自检位置a时，秒信号脉冲代替发射信号，水面反射信号接入，由显示器18显示出机内信号频率。
在升压稳压电路19中引出电源电压信号，在转换开关K2的刀位上取得闸门信号加到显示驱动电路20中，由输出端输出驱动信号，驱动显示器18显示。
为提高电源的容量价格比，缩小体积，探用1号电池经升压稳压电路19升压、稳压后向电路供电。
在本水位仪的信号接受测量部分中，各机构的具体实现方式大多与原机井声波水位仪的对应部分结构一致，少数是采用已知电子线路及其连接方式构成，重新设计的几个部分其具体电路见附图3。
图3中，放大阻塞电路7以复合三极管T1、T2为主放大元件，配以电阻R1－R9、电容C1－C4连接而成。在T2的集电极输出端连接由一组反向并接的二极管D1、D2和电阻R9相串接构成的阻塞电路。来自带通滤波电路2输出的信号经电容C1加到晶体管T1的基极上，经晶体管T1、T2的二级放大后，输入到由二极管D1、D2、电阻R9组成的阻塞电路中。经二极管D1、D2的阻塞，在R9上输出经放大阻塞的信号。
设晶体管T1基极输入信号的信噪比为Us／UN，电路的电压放大倍数为A，二极管D1、D2的正向压降为UD，则电阻R9上输出信号的信噪比变为(AUs－UD)／(AUN－UD)，大于Us／UN。当输入端的噪声信号幅度小于UD/A时，则被阻塞。
全相位放大电路8包括有由运放IC1和外围电阻R10－R12、电容C5连接成的放大电路，由运放IC2和外围电阻R13－R15、电容C6连接成的倒相电路，以及由二极管D3、D4和电阻R16连接成的或门电路三部分。其中C5和R10串接后，一端连接放大阻塞电路7的输出端，另一端接到IC1的负向输入端。IC1的输出一路经C6、R13接到IC2的负向输入端，另一路接二极管D3。IC2的输出接二极管D4，D3、D4的负极相接后串接电阻R16。
从放大阻塞电路7的输出电阻R9上取出的信号经全相位放大电路8中的电容C5和电阻R10后加到运放IC1的负向输入端，经IC1放大后，一路通过二极管D3加到电阻R16上，另一路经IC2倒相后通过二极管D4加到电阻R16上。调整运放IC1、IC2的电压增益，使R16上正负向信号放大量相等，从而使发射信号不产生削波。经或门电路在R16上得到了包括发射信号、界面反射信号和水泵运转产生的噪声信号的正向信号。
信号检出电路9包括有由运放IC3和外围电阻R17－R21、电容C7、C8、二极管D5连接构成的自动阀值检出电路，由运放IC4和外围电阻R22－R24、电容C9、C10连接构成的放大电路，以及由三极管T3和电阻R25－R27连接构成的倒相电路三部分。其中C7和R17串接后一端连接全相位放大电路9的输出端，另一端接到IC3的正向输入端，IC3的输出串接二极管D5后，一路连接由阀值电容C8和电阻R21相并联的支路，另一路经C9、R12接到IC4的负向输入端，IC4的输出经电容C10连接到倒相电路中T3的基极上。
在初始状态下，阀值电容C8上的电位UA由电阻R19－R21的分压决定。UA愈高，抗干扰能力愈强，所需的发射功率也愈大。一般情况下，UA＝1／2Vcc时，即可滤除水泵运转产生的噪声信号，满足动水位埋深测量的要求。当水位埋深很大，发射功率不足时，可调整R19使UA下降，以提高接收的灵敏度；当机井内噪声大时，调整R19使UA上升，同时增大发射功率，以提高信噪比。在UA＝1／4～3／4Vcc时，能满足绝大部分机井水位埋深测量的要求。
从全相位放大电路8的输出电阻R16上得到的正向信号经电容C7、电阻R17加到运算放大器IC3的正向输入端上，负向输入端的电位取决于UA。调节R19使UA大于运算放大器正向输入端上水泵运转产生的噪声信号的幅度，则该信号被阻塞。
在信号到来的前半周期，当信号幅度U＋＞UA时，运算放大器IC3的输出端输出，通过D5给电容C8充电。由于充电电阻不大，UA上升很快，后半周期信号幅度回落，电容C8通过电阻R21放电。因时间常数选得较大，至下个周期的前半周期信号幅度U＋＞UA之前，UA下降不多，在以后的信号周期中，只要信号幅度UA不发生突变，UA也不会发生突变，这样在电容C8上自动生成与信号的幅度相应的阀值电压。
当信号幅度U＋不再大于UA时，电容C8通过电阻R21持续放电，在电容C8上得到一个宽度与信号持续时间相应的正向信号。
电容C8的正向信号通过电阻R22、电容C9加到运算放大器IC4的负向输入端，调整电压增益使其具备放大、整形的功能，输出端输出的负向脉冲信号通过C10加到由晶体管T3等组成的反相电路中，经反相在电阻R27上得到正向脉冲信号。
脉冲宽度检测电路10由三极管T4、D触发器IC5、IC6配以电阻R28－R31、电位器W1、电容C11、二极管D6连接而成。T4的基极经电阻R28与信号检出电路9的输出端相接，其发射极接地，集电极接IC6的R端。IC5的CP端和IC6的D端也分别连接到信号检出电路9的输出端。电位器W1与电阻R31串接后再与二极管D6一起并接到IC5的Q端与R端之间。
在脉冲宽度检测电路中，D触发器IC5等接成单稳态触发器。要使D触发器IC6的D端信号加到Q端，其CP端必须有上升的电位，而该上升的电位来自单稳触发电路复原时
端由低电位变为高电位。正向脉冲信号的前沿使单稳触发器触发，经△t时间复原时，若正向脉冲信号仍然存在，则D触发器IC6被触发，信号结束时，经晶体管T4倒相，使其复位，在Q端输出一正脉冲信号。
若正向脉冲信号已不存在，则使其复位，Q端维持低电平状态，无输出。
加在D触发器IC5中CP端的正向信号脉冲，除发射信号、变径位置、水面反射信号外，其余的界面反射信号持续时间短，信号脉冲的宽度窄，调整单稳态电路的时间常数，在△t＝(W1＋R31)·C11＝0.04～0.15秒时，可以滤掉这些界面反射信号。
当水位埋深小时，水面反射信号持续的时间也会变短，调节电位器W1，使△t向下限(0.054秒)靠近，以便于测量。
符合电路11包括有由触发器IC7和电阻R32、转换开关K2连接成的脉冲分配电路，由电容C12、C13、电阻R33、R35连接成的两个微分电路，由二极管D7、D8、电阻R34、R36和集成片IC8－IC11连接成的整形电路，以及由二极管D9、D10和电阻R37连接成的或门电路四部分。其中IC7的CP端与脉冲宽度检测电路10的输出端相接，Q1端串接一路微分电路、整形电路后接二极管D9，Q2－Q5端分别接到选择开关K2的相应掷位上。K2的刀位串接另一路微分电路和整形电路后接二极管D10。二极管D9、D10的负极相连接，一路串接电阻R37，另一路接转换开关K3。
大量的机井调查资料表明，机井结构中超过三极变径的为数甚少，因此设置了三级变径以供选择。
D触发器IC6的Q端输出的发射信号、变径位置、水面反射信号脉冲加到脉冲分配电路IC7的CP端，发射信号脉冲使Q1产生正阶跃，经电容C12、电阻R33微分，经二极管D7加到整形电路IC8的输入端，经整形后输入到整形电路IC9进行倒相，得到发射信号脉冲。
三级变径位置反射信号脉冲依次使Q2、Q3、Q4产生正阶跃，水面反射信号脉冲使Q5产生正阶跃。当水面以上井管无变径时，选择开关K2扳到0位；有一级变径时，扳到1位，依此类推。
用选择开关K2选择出水面反射信号脉冲产生的正阶跃信号，经电容C13、电阻R35微分，经二极管D8加到整形电路IC10的输入端，经整形后输入到整形电路IC11进行倒相，得到水面反射信号脉冲。
发射信号脉冲、水面反射信号脉冲，经二极管D9、D10、电阻R37组成的或门，在电阻R37上得到一前一后的两个脉冲，加到转换开关K3的掷位b上。
图4给出了本水位仪自动校正机构的一种参考电路结构。该机构是由探头5中的温度传感元件Rt、RC振荡电路12、记忆电路13和锁相环电路14连接组成。图中JK触发器IC12、IC13依功能连接成记忆电路13中的自锁双稳电路，二极管D11、D12和电阻R38连接成记忆电路13中的与门电路，集成片IC14为记忆电路13中的分频电路，其各Q端依次与锁相环电路14中的程序分频电路的低位预置端对应连接。
探头5内的温度传感元件Rt做为定时元件接到振荡电路12中，输出端输出与机井内探头5所在位置温度对应频率的脉冲。选择选择开关K4的挡位，以满足机井结构类型、水位埋深范围和开采状态等对信号频率的要求。
振荡电路12输出的信号脉冲加到二极管D11的负极上，秒信号脉冲加到JK触发器IC12的CP端，Q端上输出宽度1秒的正脉冲加到二极管D12的负极上，经二极管D11、D12、电阻R38组成的与门，加到分频电路IC3的CP端，使各Q端出现对应的电位。由于自锁，JK触发器IC12的Q端输出宽度1秒的正脉冲后，便处于低电位，与门封锁，使分频电路IC14各Q端的电位不再发生变化，因而具有记忆功能。按动按钮AN后，JK触发器IC12、IC13、分频电路IC14清零，再重复上述过程。电容C17、电阻R39构成了开机清零电路。
采用上的记忆电路，可在测量过程中，使机内信号频率保持定值，保证了测量结果的稳定性。
分频电路IC14的各Q端依次对应连接到锁相环电路14中程序分频电路的低位预置端上，使其按机井内探头5所处位置的温度进行相应的预置，实现了自动校正功能。
在测量部分的电原理图中，各集成片的型号选择分别是IC1－IC41／4TL084，IC5、IC61／2CD4013，IC7CD4017，IC8－IC111／6CD40106，IC12、IC131／2CD4027，IC14CD4520。
本实用新型的测量范围10－200米；测量误差不大于3％；分辨率2厘米；最快测量速度不少于每分钟10次，使用方便，体积小，便于携带。采用电池供电，适合野外使用。本仪器不仅能测量各种结构类型机井的动水位埋深，还可用来测量管道堵塞的位置，减轻了观测者的劳动强度，提高了测量精度和工作效率。
权利要求1.一种声波水位仪，其信号发射部分由升压电路1、可控硅放电开关电路2、定压触发电路3及发声头子4组成，其特征在于测量部分由探头5、带通滤波电路6、放大阻塞电路7、全相位放大电路8、信号检出电路9、脉冲宽度检测电路10、符合电路11、RC振荡电路12、记忆电路13、锁相环电路14、自锁双稳电路15、与门电路16、驱动电路17、显示器18、升压稳压电路19、显示驱动电路20、复位电路21连接组成。
2.根据权利要求1所述的声波水位仪，其特征在于放大阻塞电路7以复合三极管T1、T2为主放大元件，配以电阻R1－R9、电容C1－C4连接而成，在T2的集电极输出端连接由一组反向并接的二极管D1、D2和电阻R9相串接构成的阻塞电路。
3.根据权利要求1所述的声波水位仪，其特征在于全相位放大电路8包括有由运放IC1和外围电阻R10－R12，电容C5连接成的放大电路，由运放IC2和外围电阻R13－R15、电容C6连接成的倒相电路，以及由二极管D3、D4和电阻R16连接成的或门电路三部分，其中C5和R10串接后，一端连接放大阻塞电路7的输出端，另一端接到IC1的负向输入端，IC1的输出一路经C6、R13接到IC2的负向输入端，另一路接二极管D3，IC2的输出接二极管D4，D3、D4的负极相接后串接电阻R16。
4.根据权利要求1所述的声波水位仪，其特征在于信号检出电路9包括有由运放IC3和外围电阻R17－R21、电容C7、C8、二极管D5连接构成的自动阀值检出电路，由运放IC4和外围电阻R22－R24、电容C9、C10连接构成的放大电路，以及由三极管T3和电阻R25－R27连接构成的倒相电路三部分，其中C7和R17串接后一端连接全相位放大电路8的输出端，另一端接到IC3的正向输入端，IC3的输出串接二极管D5后，一路连接由阀值电容C8和电阻R21相并联的支路，另一路经C9、R22接到IC4的负向输入端，IC4的输出经电容C10连接到倒相电路中T3的基极上。
5.根据权利要求1所述的声波水位仪，其特征在于脉冲宽度检测电路10由三极管T4、D触发器IC5、IC6配以电阻R28－R31、电位器W1、电容C11、二极管D6连接而成，T4的基极经电阻R28与信号检出电路9的输出端相接，其发射极接地，集电极接IC6的R端，IC5的CP端和IC6的D端也分别连接到信号检出电路9的输出端，电位器W1与电阻R31串接后再与二极管D6一起并接到IC5的Q端与R端之间。
6.根据权利要求1所述的声波水位仪，其特征在于符合电路11包括有由触发器IC7和电阻R32、转换开关K2连接成的脉冲分配电路，由电容C12、C13、电阻R33、R35连接成的两个微分电路，由二极管D7、D8、电阻R34、R36和集成片IC8－IC11连接成的整形电路，以及由二极管D9、D10和电阻R37连接成的或门电路四部分，其中IC7的CP端与脉冲宽度检测电路10的输出端相接，Q1端串接一路微分电路、整形电路后接二极管D9，Q2至Q5端分别接到选择开关K2的相应掷位上，K2的刀位串接另一路微分电路和整形电路后接二极管D10，二极管D9、D10的负极相连接，一路串接电阻R37、另一路接转换开关K3。
专利摘要本实用新型公开了一种测量机井动水位的装置，其结构包括信号发射部分和信号接收测量部分。在测量部分中主要设计改进了放大阻塞电路、全相位放大电路、信号检出电路、脉冲宽度检测电路和符合电路，结合自动校正机构，实现了对机井的各种干扰信号的过滤、阻塞，由此测得水位埋深数值。本仪器可测量各类机井的动水位埋深，还可测量管道堵塞的位置，减轻了观测劳动强度，提高了测量精度和工作效率。
文档编号E21B47/04GK2175825SQ9322173
公开日1994年8月31日 申请日期1993年8月14日 优先权日1993年8月14日
发明者孙元, 王 锋 申请人:河北省地质矿产局第四水文地质工程地质大队