专利名称：缆道测流信号发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量信号发生器，尤其是涉及一种水文测量中的流速信号发生器。
背景技术：
流速仪用于测量河流的流速，通过测量水流流速计算流量。流速仪上面有一个旋翼(也叫旋浆)，内部有触点开关，测流时在水流的冲击下，旋翼转动，内部的开关就会接通，流速越大，旋翼转动的速度就越高，内部的开关接通的次数就越多。通过单位时间内开关接通的次数即可计算出水流的流速。
在过去相当长的时期里，人们一直采用很古老的方法来测量水流的流速。小水时人直接涉水用流速仪测量，大水期间撑船测量或者用浮标法测流，因为在大洪水期间，河道内漂浮物很多，危险性很大，直接危及测量人员的生命安全。后来人们想办法建立了电动缆道，才能使人们在室内完成测速工作成为可能。其方法是架设过河索道，分主索、副索、拉偏索、水平循环索及垂直升降索，在主索、副索上分别装有可以前后移动的大小行车，大行车下面悬挂着几百公斤重的大铅鱼，用来保持在水中的稳定性。把流速仪固定在铅鱼上，由室内操作系统控制。在水平循环钢索及垂直钢索的作用下，使铅鱼在水平及垂直方向运动。拉偏索的作用是消除水流冲击造成的偏角，从而减小测量水深的误差。另外它还有一个主要作用，就是传递流速仪开关接通的信号。其信号路径是流速仪的接线柱—拉偏索—小行车滑轮(在副索上滚动)—信号线—音响器(或者直流电铃)—另一根信号线—电动绞车外壳—垂直起重索卷轴—起重索—流速仪上的另一个接线柱，从而构成闭合回路。当流速仪开关接通时，音响器(或电铃)就会发出响声，完成对流速信号的测量。
在测流过程中，不只是单单测量流速，还要测量出河道断面不同位置的水深，从而计算出过水断面面积。配合在不同点测得的流速再算出断面平均流速，最后乘以断面面积得到流量，这才是测流的真正目的。要完成以上目的，就需要缆道设备能够测量水深。铅鱼入水时要有水面信号，当铅鱼下降到河底时也要发出河底信号，这样在两个信号期间钢丝绳下放的长度就是水深。但是在现有的缆道设备中，通过拉偏索及起重索传递信号，只有一个回路，也就是说只能传递三个直流开关信号(水面信号、河底信号、流速仪信号)中的一种信号。利用上述设备同时传递三种信号，几乎是不可能的。人们在实践中想了很多办法，都不是很奏效。一直到目前，大部分缆道都只传输流速信号，并且只测量水面流速，通过水面流速粗略地计算出流量，这样产生的误差很大。另外还存在一个很严重的问题，就是它传递信号的路径必须要经过拉偏索上端的小行车滑轮，通过滑轮与副索形成电流通路，因为滑轮是随着铅鱼及拉偏索的移动而在副索上滚动，常常因为滑轮及副索生锈而导致信号不通，造成信号时常中断，甚至完全不能使用。这就是当前水文缆道存在的致命弱点，也极大地制约了水文缆道的发展。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种缆道测流信号发生器，它可以将水面开关、流速仪开关、河底开关接通时分别产生的信号混合后经同一根信号线输出，从而解决现有技术中三种信号不能同时传输的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案缆道测流信号发生器，包括一个密封的信号筒，在信号筒内装有发生器电路板和直流电源，电路板包括电源电子开关电路、单稳延时电路、河底信号电压比较电路、流速仪信号电压比较电路、水面信号振荡电路、河底信号振荡电路、流速仪信号振荡电路、电子门电路及功率放大电路，电源电子开关电路的输入端用于与水面开关的一个端子相连接，其输出端一路与各电路单元的电源端连接，另一路接单稳延时电路的输入端，单稳延时电路的输出端一路通过水面信号电子门与功率放大电路连接，另一路通过或非门与流速仪信号电子门输入端连接，河底信号电压比较电路的输入端用于与河底开关相连接，输出端与河底信号振荡器的输出端共同接河底信号电子门输入端，流速仪信号电压比较电路的输入端用于与流速仪开关连接，输出端与流速仪信号振荡电路的输出端共同接流速仪信号电子门输入端，河底信号电子门和流速仪信号电子门的输出端与功率放大电路相连接。
所述的单稳延时电路由两个串联的或非门N2C、N2B及其外围阻容器件组成，其输入端通过稳压电路接电源电子开关电路的输出端，其输出端一路通过或非门N2A和与门N4C的一输入端连接，另一路和与门N4D的一输入端相连，与门N4D的另一输入端与水面信号振荡电路输出端连接，与门N4D的输出端通过二极管D14和电阻与功率放大电路相连接，与门N4C的另一输入端与流速仪信号电压比较电路的输出端相连接，其输出端接与门N4B的一输入端，与门N4B的另一输入端与流速仪信号振荡电路的输出端连接，其输出端通过二极管D16和电阻与功率放大电路相连接，河底信号电压比较电路的输出端和与门N4A的一输入端相连接，与门N4A的另一输入端与河底信号振荡器的输出端连接，其输出端通过二极管D15和电阻与功率放大电路相连接。
所述的水面信号振荡电路、河底信号振荡电路、流速仪信号振荡电路均由两个串联的施密特触发器及其外围阻容器件连接组成。
所述的河底信号电压比较电路、流速仪信号电压比较电路均是由电压比较器组成的，其正相输入端分别接有由电阻和至少两个二极管组成的基准电压电路，反相输入端分别接有由电阻和至少两个二极管组成的嵌位电路，基准电压电路和嵌位电路均接在电源与地之间，电压取样点为电阻与二极管的公共端，其中与反相输入端连接的其中一个二极管两极分别接河底开关一端或流速仪开关一端和地之间。
所述的功率放大电路由三极管V5～V7及其外接阻容器件组成，其中三极管V5的发射极接由V6、V7组成的推挽功率放大电路，推挽电路的输出端为缆道信号输出点。
所述的电源电子开关电路由二极管D1、电阻R1～R6、三极管V1～V3组成，二极管D1的阴极与水面开关的一个端子连接，阳极与电阻R1、R2连接，R1、R2的公共端接电阻R3一端，电阻R3另一端接三极管V1基极，三极管V1的发射极接直流电源和三极管V3的发射极，集电极通过电阻R5接三极管V2的基极，三极管V2的发射极接地，集电极通过电阻R6接三极管V3基极，三极管V3的集电极与各电路单元相连接为其提供工作电源。
本实用新型的水面信号振荡电路、河底信号振荡电路、流速仪信号振荡电路能在水面开关、流速仪开关、河底开关接通时分别产生三种不同频率的交流信号，将其混合后经同一根信号线输出，在岸上接收端通过选频电路即可将他们分离出来，成功地解决了以往水文缆道测流存在的难题。整个电路板及直流9V电源安装一个密封信号筒内。
图1是本实用新型的电路原理图；图2是本实用新型装在铅鱼尾翼上的测流示意图；图3是水面开关的示意图；图4是河底开关的示意图。
具体实施方式
如图2所示，缆道测流信号发生器包括一个密封的绝缘信号筒1，在信号筒内装有发生器电路板和9V直流电源，信号筒1安装在铅鱼2的尾翼3上。在信号筒表面设有两个接线柱4，一个与信号发生器电路相连，另一个通过铅鱼外壳(公共地线)与发生器地线相连。当两个接线柱接触到水面时，通过水体导通，产生水面直流信号。为了在铅鱼下到河底时取得河底信号，在铅鱼底部配套设有河底开关，如图4所示，由铅鱼底部的河底托板5、支架6、磁钢7、干簧管8组成，当铅鱼到达河底时，托板5上抬使支架6上的磁钢7靠近干簧管8，干簧管在磁性作用下接通，产生河底直流信号。河底开关不属于本实用新型的构成部分。河底开关的干簧管8有两根引线9，一根与发生器相连，另一根与公共地线相连。流速仪10的一个接线柱接发生器，另一端接公共地线。
如图1所示，缆道测流信号发生器有五个输入输出线分别是地线接线端GND、水面开关接线端SM、流速开关接线端LS、河底开关接线端HD、电源接线端和信号输出接线端OUT。发生器电路板包括电源电子开关电路、单稳延时电路、河底信号电压比较电路、流速仪信号电压比较电路、水面信号振荡电路、河底信号振荡电路、流速仪信号振荡电路、电子门电路及功率放大电路。电源电子开关电路由二极管D1、电阻R1～R6、三极管V1～V3组成，二极管D1的阴极与水面开关的一个端子(图中SM接点)连接，阳极接电阻R1、R2，R1、R2的公共端接电阻R3一端，电阻R3另一端接三极管V1基极，三极管V1的发射极接直流电源和三极管V3的发射极，集电极通过电阻R5接三极管V2的基极，三极管V2的发射极接地，集电极通过电阻R6接三极管V3基极，三极管V3的集电极与各电路单元相连接为其提供工作电源。在信号发生器没有入水时，由于V3截止，整机断电。当水面开关的两个接线柱接触水面时，因为水体导电，通过D1、R1、R3使V1基极的电位下降，V1导通，V1集电极电位上升经R5使V2导通，V2集电极电位下降经R6使V3基极电位下降，V3导通，+9V电源顺利通过V3对后面的所有电路供电，整机电路开始工作，并使水面信号振荡电路发出一个短暂的信号。
上述电子开关打开后，一路给由V5～V7组成的后级功率放大电路供电，另一路经稳压电路N5(7805)稳压输出+5V电压。+5V电压一路对运算放大器N1、振荡信号发生器N3、电子门电路N4、延时电路N2供电，另一路经C3、R7去触发单稳延时电路，产生水面延时触发脉冲信号。
所述的单稳延时电路由两个串联的或非门N2C、N2B及其外围阻容器件R7、R8、C3、C4组成，其输入端通过稳压电路N5(7805)接电源电子开关电路的输出端即三极管V3的集电极，其输出端一路通过或非门N2A和与门N4C的一输入端连接，另一路和与门N4D的一输入端相连，与门N4D的另一输入端与水面信号振荡电路输出端连接，与门N4D的输出端通过二极管D14和电阻与功率放大电路相连接，与门N4C的另一输入端与流速仪信号电压比较电路的输出端相连接，其输出端接与门N4B的一输入端，与门N4B的另一输入端与流速仪信号振荡电路的输出端连接，其输出端通过二极管D16和电阻与功率放大电路相连接，河底信号电压比较电路的输出端和与门N4A的一输入端相连接，与门N4A的另一输入端与河底信号振荡器的输出端连接，其输出端通过二极管D15和电阻与功率放大电路相连接。N2A～N2C为二输入端四或非门集成电路CD4001B的其中三个，N4A～N4D为二输入端四与非门集成电路CD4081B的四个与非门，N4A、N4B、N4C、N4D门电路用来作电子开关使用，当它们打开后，三个振荡器的输出信号分别经D14、D15、D16输出，送往后级放大。
图1中，N3A～N3F为六施密特触发反相器集成电路CD40106B中的六个施密特触发反相器。其中，水面信号振荡电路由N3E、N3F及其外围阻容器件R14～R16、C6连接组成，产生频率为2500Hz的音频信号。河底信号振荡电路由N3A、N3B及其外围阻容器件R17～R19、C7连接组成，产生频率为3500Hz的音频信号。流速仪信号振荡电路由N3C、N3D及其外围阻容器件R20～R22、C8连接组成，产生频率为3000Hz的音频信号。
运算放大器N1B、N1A(MC4558B)及其外围元件分别组成河底信号电压比较电路和流速仪信号电压比较电路，其中R11、D5～D7及R13、D11～D13分别组成基准电压电路并分别接N1B、N1A的正相输入端，为N1B、N1A提供两个基准电压，R10、D2～D4及R12、D8～D10分别组成嵌位电路并分别接N1B、N1A的反相输入端。基准电压电路和嵌位电路均接在电源与地之间，电压取样点为电阻与二极管的公共端，其中D4正极接河底开关一端，负极接地，D10正极接流速仪开关一端，负极接地。选取R10、R11、R12、R13的阻值，使四条支路中的二极管工作在特性曲线的不同斜率处，从而使N1A、N1B的输入端V+的电压小于V-，那么N1A、N1B的输出电压均为0V，后面的电子开关门N4A～N4D全部关闭。
前面已经说过，当水面触点入水后，整机加电，单稳延时电路将输出一个短暂的延时脉冲电压信号。这个信号分成两路，一路打开电子门N4D，使水面振荡器产生的信号通过N4D及D14送往后级放大。另一路经电子门N2A关闭门N4C，使其在水面信号出现期间，关闭流速仪信号，以消除入水时碰巧流速仪开关也接通而对水面信号产生的干扰。
流速仪接线柱及河底开关接线端子虽然直接与水体接触，但由于D4、D10具有的稳压作用，其两端的电压保持恒定，所以有效地消除了水体导电对它的影响。
当河底开关接通后产生河底信号，D4由于阳极、阴极分别接河底开关的一个端子(图中HD接点)和公共地线而被开关短路，在N1B的两个输入端的电压发生变化，使V+＞V-，在N1B的7脚有+5V电压输出，在这个电压的作用下，电子门N4A打开，河底信号振荡器的输出信号能够顺利通过，并且经D15送往后级放大。同样道理，当流速仪开关接通后产生流速信号，D10由于阳极、阴极分别接流速仪开关的一个端子(图中LS接点)和公共地线而被短路，N1A的1脚同样输出+5V电压，因为在水面信号过后，门N4C已经打开，所以N1A输出的高电平信号可顺利地经过门N4C，然后这个信号再打开电子门N4B，流速仪振荡信号通过门N4B及D16送往后级放大。
功率放大电路由三极管V5～V7及其外接阻容器件组成，其中三极管V5的发射极接由V6、V7组成的推挽功率放大电路，推挽电路的输出端为缆道信号输出点。以上三种信号分别经D14、D15、D16输出，再经R23送入V5基极进行推动放大，V5集电极的输出信号再经过V6、V7组成的推挽功率放大通过C11经信号输出端(图中OUT接点)接的信号输出线输出，从而实现了用一根传输线输出三种信号的目的，当岸上的接收机接收到信号后，用选频电路即可将它们分离出来。信号的传输路径为从信号发生器输出的信号经发生器信号输出线—绝缘子上边的起重索—缆道绞车垂直卷轴—绞车外壳—岸上的信号接收机—信号接收机地线—大地—水体—铅鱼体—回到信号发生器，构成闭合回路。接收机即可解调出水面、河底及流速仪信号。
权利要求1.缆道测流信号发生器，其特征在于，它包括一个密封的信号筒，在信号筒内装有发生器电路板和直流电源，电路板包括电源电子开关电路、单稳延时电路、河底信号电压比较电路、流速仪信号电压比较电路、水面信号振荡电路、河底信号振荡电路、流速仪信号振荡电路、电子门电路及功率放大电路，电源电子开关电路的输入端用于与水面开关的一个端子相连接，其输出端一路与各电路单元的电源端连接，另一路接单稳延时电路的输入端，单稳延时电路的输出端一路通过水面信号电子门与功率放大电路连接，另一路通过或非门与流速仪信号电子门输入端连接，河底信号电压比较电路的输入端用于与河底开关相连接，输出端与河底信号振荡器的输出端共同接河底信号电子门输入端，流速仪信号电压比较电路的输入端用于与流速仪开关连接，输出端与流速仪信号振荡电路的输出端共同接流速仪信号电子门输入端，河底信号电子门和流速仪信号电子门的输出端与功率放大电路相连接。
2.如权利要求1所述的缆道测流信号发生器，其特征在于，所述的单稳延时电路由两个串联的或非门(N2C、N2B)及其外围阻容器件组成，其输入端通过稳压电路接电源电子开关电路的输出端，其输出端一路通过或非门(N2A)和与门(N4C)的一输入端连接，另一路和与门(N4D)的一输入端相连，与门(N4D)的另一输入端与水面信号振荡电路输出端连接，与门(N4D)的输出端通过二极管(D14)和电阻与功率放大电路相连接，与门(N4C)的另一输入端与流速仪信号电压比较电路的输出端相连接，其输出端接与门(N4B)的一输入端，与门(N4B)的另一输入端与流速仪信号振荡电路的输出端连接，其输出端通过二极管(D16)和电阻与功率放大电路相连接，河底信号电压比较电路的输出端和与门(N4A)的一输入端相连接，与门(N4A)的另一输入端与河底信号振荡器的输出端连接，其输出端通过二极管(D15)和电阻与功率放大电路相连接。
3.如权利要求2所述的缆道测流信号发生器，其特征在于，所述的水面信号振荡电路、河底信号振荡电路、流速仪信号振荡电路均由两个串联的施密特触发器及其外围阻容器件连接组成。
4.如权利要求2或3所述的缆道测流信号发生器，其特征在于，所述的河底信号电压比较电路、流速仪信号电压比较电路均是由电压比较器组成的，其正相输入端分别接有由电阻和至少两个二极管组成的基准电压电路，反相输入端分别接有由电阻和至少两个二极管组成的嵌位电路，基准电压电路和嵌位电路均接在电源与地之间，电压取样点为电阻与二极管的公共端，其中与反相输入端连接的其中一个二极管两极分别接河底开关一端或流速仪开关一端和地之间。
5.如权利要求4所述的缆道测流信号发生器，其特征在于，所述的功率放大电路由三极管(V5～V7)及其外接阻容器件组成，其中三极管(V5)的发射极接由三极管(V6)和三极管(V7)组成的推挽功率放大电路，推挽电路的输出端为缆道信号输出点。
6.如权利要求5所述的缆道测流信号发生器，其特征在于，所述的电源电子开关电路由二极管(D1)、电阻(R1～R6)、三极管(V1～V3)组成，二极管(D1)的阴极与水面开关的一个端子连接，阳极与电阻(R1、R2)连接，电阻(R1、R2)的公共端接电阻(R3)一端，电阻(R3)另一端接三极管(V1)基极，三极管(V1)的发射极接直流电源和三极管(V3)的发射极，集电极通过电阻(R5)接三极管(V2)的基极，三极管(V2)的发射极接地，集电极通过电阻(R6)接三极管(V3)基极，三极管(V3)的集电极与各电路单元相连接为其提供工作电源。
专利摘要本实用新型涉及一种缆道测流信号发生器，密封的信号筒内装有发生器电路板和直流电源，其电源电子开关电路与各电路单元的电源端连接，单稳延时电路的输出端一路与功率放大电路连接，另一路与流速仪信号电子门输入端连接，河底信号电压比较电路的输出端与河底信号振荡器的输出端共同接河底信号电子门输入端，流速仪信号电压比较电路输出端与流速仪信号振荡电路的输出端共同接流速仪信号电子门输入端，河底信号电子门和流速仪信号电子门的输出端与功率放大电路相连接。本实用新型可以将水面开关、流速仪开关、河底开关接通时分别产生的信号混合后经同一根信号线输出，从而解决现有技术中三种信号不能同时传输的技术问题。
文档编号G08C15/00GK2857023SQ200620031759
公开日2007年1月10日 申请日期2006年4月27日 优先权日2006年4月27日
发明者胡成年, 赵新智, 王靖华, 王立军, 田海河, 李春正, 张宇, 金生, 赵恩来 申请人:河南省南阳水文水资源勘测局