專利名稱：地下水綜合示蹤儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測定地下水動力學參數和物理場參數的儀器，具體說是一種對地下水流速、流向、溫度、電導率進行綜合測量的示蹤儀。
背景技術：
目前，已有的有關測定地下水動力學參數的儀器大概有兩種一種是帶井下閃爍探測器的地下水測試儀表，它是由地面控制器、并下閃爍探測器、轉盤式電纜絞車以及流向測量機具等組成，由于測量均采用人工讀數和記錄方式，流向測量用連動桿操作，因此測量深度有限，測量誤差很大；還有一種類型是地下水流向流速儀，它與FDC-250A型地下水參數測試儀基本類似，但探頭結構、流向測量方法上略有不同，它也采用人工讀數和記錄方式，所以也同樣存在容易出差錯的問題。溫度和電導率的測量雖然比較普遍，但它們都是單獨進行測量，即溫度測量儀和電導率測量儀，而且其模擬數據容易受環境影響，而且溫度與電導率由PC機控制進行的自動同時測量的儀器尚未出現。
發明內容
本實用新型要解決的技術是克服現有的地下水動力學參數測定儀的測量深度有限、測量誤差大，溫度和電導率分別單獨測量引起的不便，且模擬信號受環境影響等問題，為人們提供一種不受測量深度影響，測量誤差小、結構簡單、不受環境影響的地下水綜合示蹤儀。
本實用新型包括計數電路、方向傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器、單片機、PC機，其特征單片機A接收計數電路的信號并與選擇開關通信，選擇開關接收方向傳感器信號并與PC機通信；溫度傳感器、電導率傳感器的信號送單片機B，單片機B接雙極性脈沖發生器，雙極性脈沖發生器接電導率傳感器，單片機B與PC機通信；PC機根據操作員的操作，向單片機A、單片機B發送查詢和采樣命令，并將接收到的數據進行運算和顯示。
計數電路包括6個計數管和其整形電路，6個計數管兩兩相鄰夾角為120度，置于水下探頭1內，方向傳感器始終指向某一計數管，它們和單片機A及電路板一起密封在水下探頭1內；溫度傳感器采用鉑電阻、電導率傳感器由兩金屬片構成，它們置于水下探頭2的下方，雙極性脈沖發生器采用單刀雙拋開關，它與單片機B等置于水下探頭2內并密封；單片機A、單片機B通信線由電纜與地面PC連接。
電池監控電路包括單片機C，電池電壓經分壓電阻，分壓電阻接單片機C的正向或反向輸入端，精密穩壓電源接單片機反向或正向輸入端，當電池電壓欠壓時指示或報警。
總線轉換器采用TLC485接口轉換器，它將單片機A、單片機B、輸入的電平信號變換為RS232電平信號與PC機通信，或將PC機輸出的電平信號變換為RS485與單片機A、單片機B通信。
本實用新型地下水綜合示蹤儀，由于所有數據都是現場自動采集、儲存和處理，而不是人工讀數、記錄，大大了提高工作效率。所以，本儀器的測量精度高，如流向測量精度達±2°，溫度測量精度達小于0.1℃，電導率測量精度達1us/cm，測量誤差小于3％，且可進行人工r-r測井和天然r-r測井。它具有體積小，重量輕的特點。
流速和流向信號的處理與運算由單片機A完成，計算方法如下由6個計數管采集到6個數據r1、r2、r3、r4、r5、r6和定向傳感器采集到2個角度值θx、θy共8個數據，由θx、θy計算θ0，360-θ0代表r1的方位角，r2、r3、r4、r5、r6的方位角依次增加60°，得到θ2～θ6，再由r1、r2、r3、r4、r5、r6的值合成形成θ和r，存入EXCEL文件。方法和步驟如下1、計算方位角θ0＝(256×θx+θy)/2θ1＝360-θ0θ2＝θ1+60θ3＝θ2+60θ4＝θ3+60θ5＝θ4+60θ6＝θ5+60
2、由θ1、r1和θ2、r2合成θ和r，再由θ、r和θ3、r3合成新的θ和r，依次類推，直到與θ6、r6合成最終的θ和r，輸出θ和r(自動保存在EXCEL文件)3、由θ1、r1和θ2、r2合成θ和r的方法3.1r=[r2sin(θ2-θ1)]2+[r1+r2cos(θ2-θ1)]2]]>3.2設p＝(r1+r2+r)/23.3cosθ=1-4r12r2[p(p-r1)(p-r2)(p-r)]]]>3.4θ=arccos1-4r12r2[p(p-r1)(p-r2)(p-r)]]]>4、由經一定時間間隔的兩次不同r值計算滲透流速，公式如下Vf=πr2αΔtlnN0Nt]]>式中Vf為滲透流速；r為井半徑；α為流場畸變校正系數；N0為初始時刻的計數率；Nt為t時刻的計數率。
單片機A根據實測的脈沖計數和方向則可算出地下水的流速和流向。
地下水的電導率因溫度不同而異，因此還必須對其進行溫度補償，不同溫度下電導率的換算公式如下δ25＝Kt*δtδ23-----25℃時的電導率δt--t℃時的電導率Kt--t℃時的電導率單片機B根據實測電導率和溫度值與所輸入的參數換算則可得到標準的電導率。
圖1是本實用新型地下水綜合示蹤儀的電原理方框圖。
圖2是本實用新型流速流向電連接圖。
圖3是本實用新型地下水流速流向探頭結構示意圖。
圖4是本實用新型地下水溫度電導率探頭結構示意圖。
圖5是本實用新型電池監控電路圖。
圖6是本實用新型主程序圖。
圖7是電導率傳感器連接圖。
圖8是雙極性脈沖發生器連接圖。
圖9溫度傳感器、單片機和A/D轉換連接圖。
1、PC機；2、接口轉換器；3、選擇開關；4、單片機A；5、方向信號；6、計數信號；7、單片機B；8、溫度傳感器信號；9、電導率傳感器信號；10、雙極性脈沖發生器11、流速流向電路板；12、探頭外殼；13、方向傳感器；14、計數管；15、鉛柱架；16、溫度電導率電路板；17、鉑電阻；18、套管架；19、電導率傳感器。
具體實施方式
單片機選AT89C20、選擇開關與單刀雙拋開關選CD4053、電平轉換用MAX485。ADC使用的是MAXIM公司的∑-ΔADC MAX1402。先做流速流向電路板，將6個計數管14的一端接地，另一端分別接由R39和R6組成的分壓電路，經D8穩壓后接由LM324、R8、R45、R7、R46組成的電壓放大電路，LM324的輸出經D9穩壓后接由74LS14、R9、D2、C10組成的帶施密特觸發器的展寬整形電路，將6個展寬整形電路的輸出分別接單片機A AT89C2051的14-19腳；AT89C2051的4、5腳接晶振器，1腳接復位電路，9腳接選擇開關CD4503的11腳，選擇開關CD4503的13腳接方向傳感器、12腳接電平轉換MAX485的1腳，MAX485的6、7腳由電纜與接口轉換器通信。將一個不銹鋼的空心圓柱體作地下水流速流向探頭，6個計數管14按兩兩相鄰為120度安裝在探頭內，將方向傳感器13裝在6個計數管的上方，并指向某一方向，再將單片機A及線路板用支架固定在水下探頭內，然后圓柱體密封，用電纜對外連接。
作溫度電導率電路板，采用鉑電阻按四線制接MAX1402的11-14腳，MAX1402的26、28腳接單片機B的P3.0、P3.1，單片機B還接電平轉換器MAX485的1腳，MAX485的6、7腳由電纜與接口轉換器通信。電導率傳感器由二金屬片構成，它的連接如圖7，由a，b輸出1HKz高頻交變恒幅電流經水溶液和測量換檔電阻。通過二極管和兩組換擋電阻相配合，使流過水溶液的電流為交變的。通過電位器取出的電壓信號送MAX1402進行A/D轉換。雙極性脈沖發生器采用CD4053作單刀雙拋開關，其連接如圖8，脈沖發生器沒有采用RC振蕩電路直接驅動的方式，而是用1000Hz的脈沖控制一單刀雙拋開關，D1，D3為穩壓管，D2，D4為二極管，它們兩兩反相連接后的輸出接電導率傳感器。
將一個不銹鋼的空心圓柱體作地下水溫度電導率探頭，將溫度傳感器17、電導率傳感器19用套管架18與水下探頭2固定，溫度電導率電路板密封在水下探頭內，用電纜對外連接。
PC機通過TLC485接口轉換器2，將單片機A、單片機B輸入的電平信號變換為RS232電平信號與PC機通信，或將PC機輸出的電平信號變換為RS485與單片機A、單片機B通信。
電池監控電路如圖5，電池的電壓經R1，R2，R3組成的分壓電阻分壓后輸入到AT89C2051的P1.0腳，AT89C2051的P1.1腳接精密穩壓電源MC1403的輸出端。P1.0腳和P1.1腳分別為AT89C2051內部比較器的正相和反相輸入端。P1.6腳為比較器的輸出端。當檢測到電池欠壓時欠壓指示燈便以1HZ的頻率閃爍。
U1是MC1403精密穩壓電源，輸出的參考電壓和電池的分壓進行比較。U2是單片機C，使用的是AT89C2051，用于對電壓監測并控制LED發光二極管的閃爍。MCU2的晶振電路和復位電路同MCU1。U3是電壓變換器件MC7805，將輸入的電池電壓變換為直流+5V供U1、U2等器件使用。
權利要求1.地下水綜合示蹤儀，包括計數電路、方向傳感器、溫度傳感器、電導率傳感器、單片機、PC機，其特征單片機A接收計數電路的信號并與選擇開關通信，選擇開關接收方向傳感器信號并與PC機通信；溫度傳感器、電導率傳感器的信號送單片機B，單片機B接雙極性脈沖發生器，雙極性脈沖發生器接電導率傳感器，單片機B與PC機通信；PC機根據操作員的操作，向單片機A、單片機B發送查詢和采樣命令，并將接收到的數據進行運算和顯示。
2.根據權利要求1所述的地下水綜合示蹤儀，其特征6個計數管兩兩相鄰夾角為120度，置于地下水流速流向探頭內，方向傳感器始終指向某一計數管，它們和單片機A及電路板一起密封在地下水流速流向探頭內；溫度傳感器、電導率傳感器置于地下水溫度電導率探頭的下方，單片機B、雙極性脈沖發生器置于地下水溫度電導率探頭內并密封；單片機A、單片機B通信線由電纜與地面PC連接。
3.根據權利要求1所述的地下水綜合示蹤儀，其特征PC機通過接口換器與單片機進行數據交換。
4.根據權利要求1所述的地下水綜合示蹤儀，其特征還包括電池監控電路，它由單片機C、精密穩壓電源、報警元件構成；單片機C接收精密穩壓電源、電池電壓信號，輸出接指示燈、報警器。
專利摘要本實用新型地下水綜合示蹤儀涉及一種測定地下水動力學參數和物理場參數的儀器，具體說是一種對地下水流速、流向，溫度、電導率進行綜合測量的示蹤儀。它包括傳感器、單片機、PC機，單片機A接收計數信號、方向信號并與PC機通信；溫度信號、電導率信號送單片機B，單片機B與PC機通信；PC機向單片機A、單片機B發送查詢和采樣命令，并將接收到的數據進行運算和顯示。由于所有數據都是現場自動采集、儲存和處理，而不是人工讀數、記錄，不但工作效率高、而且測量精度高，它具有體積小，重量輕的特點。
文檔編號G01V15/00GK2788210SQ200420054940
公開日2006年6月14日 申請日期2004年12月21日 優先權日2004年12月21日
發明者劉建剛 申請人:劉建剛