TDR浮球开关式水位传感器及其水位测量方法与流程

本发明属于检测技术领域，具体涉及了一种TDR浮球开关式水位传感器及其水位测量方法，可用于有变频器工作的井下的水位测量。

背景技术：

目前水位测量中，浮球式水位传感器只能通过开关量测量水的有无，分级是浮球水位传感器虽然可以测量多个深度的水位，但每级浮球开关都需要两根引出线，级数越多，引线越多；现有的超声波是水位变送器虽然使用方便精度较高，但在有变频水泵工作，密布电缆线，且有变径的深井中，根本无法使用，发射信号会被扬程管的缠绕电缆线阻断。

现有的TDR原理的水位传感器和电容原理的水位传感器，在没有变频水泵工作的空井中可以用来水位测量，但当有变频水泵工作时，TDR的传输线或者电容传感器的极板需要和变频水泵的电缆线平行安装，当变频器工作时，水泵电缆线所辐射的变频干扰，远远大于有用信号，造成TDR的传输线或者电容传感器根本无法正常工作。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种TDR浮球开关式水位传感器及其水位测量方法，克服了现有技术中在水泵和变频器使用情况下TDR测量仪测量干扰的问题。本发明的传感器在TDR测量的传输线上加了一系列浮球开关，大大地提高了信噪比，可克服变频水泵的干扰，实现水位测量。

本发明采用的技术方案是：

一、一种TDR浮球开关式水位传感器：

所述水位传感器包括TDR测量仪，两芯线和多个浮球开关，两芯线从水泵到地面沿水泵扬程管轴向布置，沿两芯线间隔均布有多个浮球开关，浮球开关和两芯线捆绑在有变频水泵作业的水泵扬程管上，TDR测量仪置于地面，TDR测量仪经两芯线与各个浮球开关连接。

当本发明传感器被竖直安装在井中时，在水面以上的浮球开关在重力处于常开状态，水面以下的浮球开关在水的浮力作用下处于常闭状态，通过TDR测量仪测量两芯线上的第一个短路点，获得其到井口的距离，即为水面到井口的距离。

所述的两芯线是两芯双绞线或者两芯平行线，优选两芯双绞线。

所述的两芯双绞线带屏蔽层的。

所述的浮球开关包括不锈钢滑动杆以及固定套在不锈钢滑动杆上的上不锈钢卡片和下不锈钢卡片，不锈钢滑动杆通过不锈钢安装支架固定安装在水泵扬程管侧壁；上不锈钢卡片和下不锈钢卡片之间的不锈钢滑动杆上活动套有浮球，不锈钢滑动杆内部封装有干簧管，浮球内部封装有环形磁铁，环形磁铁与干簧管配合以导通干簧管，干簧管连接到两芯线上。

所述的浮球在竖直方向沿不锈钢滑动杆在重力和浮力作用下能够上下自由移动。

所述的浮球开关的浮球和滑动轴都需要密封良好且内部以密度小于水的材料实心填充，以提高抗压性能。

二、一种TDR浮球开关式的水位检测方法：

采用上述装置，通过浮球开关中浮球的上下浮动控制两芯线的通断获得短路点位置数据传送到TDR测量仪，测量前先把传感器放入被测井中进行标定，记录下每个浮球被淹没时对应的TDR采样数据短路点的位置；由TDR测量仪测量得到两芯线短路点位置数据时，在获得3s时间内三次测量得到的短路点位置变化量在阈值范围内，则取三次短路点位置数据的平均值作为当前水面位置，再与测量前的标定值进行比较获得水面到井口实际距离。

进一步，若所述三次测量的短路点位置变化量大于阈值范围，再在接下来的5s内再连续测量三次，若再次测量厚度短路点位置变化量在阈值范围内，则取再次测量的三次数据的平均值作为当前水面位置，由此可以排除水泵变频器的干扰造成的假短路点；若再次测量厚度短路点位置变化量大于阈值范围，则不进行操作。

所述的阈值范围为3个TDR数据点距。

本发明水位传感器的最小分辨力为相邻两个浮球开关之间的距离。

本发明的特点和有益效果是：

本发明的信号线即是传输线又是传感线，实现水位离散化测量，抗变频器干扰能力强，相较于目前的浮球式水位传感器。

本发明传感器实现了在只有两根信号线的情况的实现了深水高精度测量；相较于目前的投入式压力式水位传感器，本传感器投入式压力传感器的变送器在水下，维修需要连水泵一起提起，维修极其麻烦，本传感器的测量主机TDR测量仪在井口，维修更换都比较方便；

相较于目前的同类型的TDR测量原理的水位传感器，本传感器通过浮球开关大大提高了信噪比，可以实现在有变频水泵工作的井中高精度水位测量。

附图说明

图1是本发明专利的结构示意图。

图中：1为水泵变频器，2为水泵电缆，3为TDR测量仪，4为水位传感器，5为水泵扬程管，6为水面，7为水泵，8、浮球开关。

图2是本发明专利的浮球开关结构图。

图中：41为两芯线，42为不锈钢滑动杆，43为上不锈钢卡片，44是干簧管，45为浮球，46为下不锈钢卡边，47为不锈钢安装支架。

图3是实施例传感器的TDR数据标定图和有变频水泵工作的环境下测量水位时的结果图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，水泵7置于水面6下，水泵7经水泵电缆2与地面的水泵变频器1连接，水泵7经水泵扬程管5排水。本发明水位传感器4包括TDR测量仪3，两芯线41和多个浮球开关8，两芯线41从水泵7到地面沿水泵扬程管5轴向布置，沿两芯线41间隔均布有多个浮球开关，浮球开关8和两芯线41捆绑在水泵扬程管5上，TDR测量仪3置于地面，TDR测量仪3经两芯线4与各个浮球开关8连接。

当本发明传感器被竖直安装在井中时，在水面以上的浮球开关在重力处于常开状态，水面以下的浮球开关在水的浮力作用下处于常闭状态，通过TDR测量仪测量两芯线上的第一个短路点，获得其到井口的距离，即为水面到井口的距离。

两芯线41是带屏蔽层的两芯双绞线或者两芯平行线。

浮球开关8包括不锈钢滑动杆42以及固定套在不锈钢滑动杆42上的上不锈钢卡片43和下不锈钢卡片46，不锈钢滑动杆42通过不锈钢安装支架47固定安装在水泵扬程管5侧壁；上不锈钢卡片43和下不锈钢卡片46之间的不锈钢滑动杆42上活动套有浮球45，不锈钢滑动杆42内部封装有干簧管44，浮球45内部封装有环形磁铁，环形磁铁与干簧管44配合以导通干簧管44，干簧管44连接到两芯线41上。

在浮球开关在空气中时，浮球45在重力作用下落在滑动杆42的底部的下不锈钢卡片46上限位，由下不锈钢卡片46支撑住不掉落，此时干簧管44和浮球45内的环形磁铁分离，干簧管不导通。

当浮球开关在水中时，浮球45在浮力作用下升起，由不锈钢卡片43挡住浮球45限位，此时浮球45内的环形磁铁位于干簧管44外周围附近，使不锈钢滑动杆42内部的干簧管44吸合实现导通。

浮球开关8的顶部有两根连接在干簧管两端的引出线，该引出线和TDR测量所用的两芯线41相连接，这样浮球开关即可在浮力作用下控制两芯线41的通断。

浮球45在竖直方向沿不锈钢滑动杆42在重力和浮力作用下能够上下自由移动。浮球开关的浮球和滑动轴都需要密封良好且内部实心填充，以提高抗压性能。

本发明的具体实施例及其工作过程如下：

本实施例以52米总量程的传感器来说明，选择52米带自带屏蔽外套的两芯双绞线41作为传感器，在两芯线41上每间隔1米安装一个浮球开关，安装前先标定一次，确定每个浮球开关被淹没时TDR测量结果对应的第一个短路点的位置。如图3所示，无水时，TDR测量仪第79个采样数据对应两芯线的端点(TDR数据值为255的第一个点)，该端点的浮球刚被淹没时，该点为第一短路点(TDR数据值为0)。图中，当4个浮球都被淹没时，TDR测量仪的第一短路点位置为第79点；当8个浮球都被淹没时，TDR测量仪的第一短路点位置为第69点.

安装时，浮球开关需要固定在水泵扬程管5上，安装时需要保证浮球45在竖直方向在重力和浮力作用下能够自由移动，水位传感器的使用方式如图1，TDR测量仪2安放在地面。

在水面6以上浮球开关在重力作用下处理常开状态，进而在水面以上的两芯线都是开路的，在水面以下的浮球开关，在浮力的作用下，都是短路的，进而在水面以下的两芯线也是短路的，通过井口的TDR测量仪2测量两芯线上第一个短路点的TDR数据点位，用该点位对比标定数据确定水面位置。

为提高信噪比，找到两芯线第一个短路点，本传感器采用3s内连续测量3次的方式，若多次测量短路点位置变化不超过一个固定的阈值3个TDR采集间距，则确定三次采样第一个短路点的均值作为有效第一短路点。

因此相较于目前的同类型的TDR测量原理的水位传感器，本传感器不仅维修更换都比较方便，而且通过浮球开关等结构大大提高了信噪比，可以实现在有变频水泵工作的井中高精度水位测量。