董萬鈞，劉 婕，董 波，吳小明

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

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跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)的設(shè)計(jì)

董萬鈞1,2，劉 婕1,2，董 波1,2，吳小明1,2

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

摘 要：從儀器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、功能特點(diǎn)、技術(shù)指標(biāo)等方面，詳細(xì)介紹跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)的設(shè)計(jì)方案。通過樣機(jī)的測試及分析，表明該水位計(jì)工作穩(wěn)定可靠，測量精度高，各項(xiàng)指標(biāo)滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。研制的跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)兼具浮子式水位計(jì)工作穩(wěn)定，無溫漂、時(shí)漂，性價(jià)比高的特點(diǎn)，同時(shí)又適用于細(xì)管徑應(yīng)用場合，因而具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：跟蹤式；細(xì)管徑；水位計(jì)；工作原理；設(shè)計(jì)

0　引言

水位是重要的水文監(jiān)測要素[1]，目前，用于測量水位的儀器種類很多，如浮子式[2]、壓力式[3]、氣泡式[4]、雷達(dá)式[5]、超聲波式[6]、磁懸式[7]、激光式[8]水位計(jì)等，前 3 種為接觸式水位計(jì)，后 4 種為非接觸式水位計(jì)。總體來說，目前在我國應(yīng)用最普遍的是浮子式水位計(jì)，具有工作穩(wěn)定，不受溫度、濕度等因素的影響，也沒有時(shí)漂，所以該類型的水位計(jì)得到了廣大用戶的認(rèn)可。但浮子式水位計(jì)必須有配套的水位井或保護(hù)管，井或管的內(nèi)徑一般要求在 200 mm 以上，這就限制了應(yīng)用。為較好地解決溫漂、時(shí)漂、細(xì)管徑工作條件、價(jià)格昂貴等問題，設(shè)計(jì)了跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)。

1　跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1結(jié)構(gòu)

跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)從結(jié)構(gòu)上分為機(jī)械和電氣2 部分，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。機(jī)械部分包括重錘（含磁致浮子傳感器）、傳動(dòng)輪、繞線盤、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)及配套的軸承等，電氣部分包括直流電機(jī)、鎧裝電纜、編碼器，以及控制、供電和通訊等電路。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2工作原理

跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)的重要部件重錘（含磁致浮子傳感器）的剖面圖如圖 2 所示。當(dāng)被測水位變化時(shí)，浮子隨水位上升或下降，通過浮子自帶的永磁體觸發(fā)上行/下行定位開關(guān)觸點(diǎn)閉合或斷開，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)水位的測量。

圖2　重錘剖面圖

對(duì)于定時(shí)測量的應(yīng)用場合，若傳感器探頭位于水位之上，即傳感器探頭和液面為脫離狀態(tài)時(shí)，浮子受自重位于桿體底部，電動(dòng)機(jī)下行，定位開關(guān)閉合，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)傳感器下行；當(dāng)傳感器接觸水面時(shí)，傳感器頭部的下行定位開關(guān)斷開，電動(dòng)機(jī)停止工作，通過信號(hào)采集器接收定位開關(guān)的開關(guān)信號(hào)并讀取當(dāng)前編碼器的讀數(shù)，即當(dāng)前水位；在傳感器探頭位于水位中時(shí)，即傳感器探頭和液面為接觸狀態(tài)時(shí)，浮子由于浮力作用位于桿體頂部，電動(dòng)機(jī)上行，定位開關(guān)閉合，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)傳感器上行，當(dāng)傳感器浮子與桿體頂部上行定位開關(guān)脫離時(shí)，傳感器頭部的上行定位開關(guān)斷開，電動(dòng)機(jī)停止工作，通過信號(hào)采集器接收定位開關(guān)的開關(guān)信號(hào)并讀取當(dāng)前編碼器的讀數(shù)，即當(dāng)前水位。

儀器跟蹤測量時(shí)，將保持磁致浮子傳感器和水面接觸，并保持內(nèi)部浮子處于上下 2 個(gè)定位開關(guān)之間，一旦浮子不在 2 個(gè)定位開關(guān)之間，直流電機(jī)就會(huì)啟動(dòng)，并根據(jù)浮子位置，啟動(dòng)傳感器上行或下行，重新使傳感器內(nèi)部浮子處于上下 2 個(gè)行程開關(guān)之間，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤測量，此時(shí)編碼器的讀數(shù)即當(dāng)前水位。

2　跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)設(shè)計(jì)

2.1主要技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1傳感器探測時(shí)無溫漂、時(shí)漂

跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)通過純機(jī)械及簡單電路相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)水位的在線測量，為無源探測，所涉及的設(shè)備不受溫濕度影響，因而不存在溫漂、時(shí)漂。水位測量時(shí)，帶有永磁體的浮子隨水位上升或下降，控制上下行定位開關(guān)的通斷，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)編碼器讀數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)測量。

2.1.2磁性開關(guān)可靠性高

這些磁性開關(guān)可靠的構(gòu)造保證長期無故障的工作。由于撞擊、磨損和振動(dòng)的影響被減到最小，氣密的開關(guān)可以提供精確的、不超過 1% 的重復(fù)性，開關(guān)動(dòng)作點(diǎn)在產(chǎn)品的使用期限內(nèi)保持恒定。

2.1.3特制鎧裝線纜耐腐性能強(qiáng)

跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)涉及的鎧裝線纜選擇TPVV3×0.12 專用線纜，并增加直徑不超過 0.3 mm的銦鋼絲，整體外徑不超過 3 mm。這種專用線纜具有較好的耐油、耐酸堿、耐腐蝕性能。20 ℃ 導(dǎo)體最大直流電阻為 90 Ω/km，20 ℃ 最小絕緣電阻為1000 MΩ/km。

2.1.4電源有保護(hù)功能

選擇上海衡孚 HF400W-S-12（12 V，33 A）開關(guān)電源，輸出電壓 12 V，具有 AC 全電壓輸入及操作溫度內(nèi)全功率輸出等保護(hù)功能。

2.2主要技術(shù)指標(biāo)

1）水位測量準(zhǔn)確度：定時(shí)測量為 ±2 mm，跟蹤測量為 ±1 cm；

2）水位測量范圍：0～40 m；

3）跟蹤水位變幅速度：≤ 45 cm/min；

4）水位傳感器直徑：＜ 28 mm；

5）直流電機(jī)：工作電壓 DC12 V，工作電流為下行 65 mA，上行 120 mA；

6）通訊接口：RS-232/485；

7）工作方式：純固態(tài)存儲(chǔ)器，或固態(tài)存儲(chǔ)器 +信道機(jī)；

8）信道：GPRS/GSM、超短波信道；

9）時(shí)鐘精度：年誤差小于 3 min；

10）速率：9 600 bit/s；

11）采集間隔：1，2，3，4，6，8，12，24 h可設(shè)置；

12）固態(tài)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)方式：每 1 h 存儲(chǔ) 1 幀數(shù)據(jù)報(bào)文。

2.3主要特點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)簡單，有利于降低故障率，保證測量精度；

2）安裝接入方便；

3）免清洗、維護(hù)方便；

4）工作穩(wěn)定，不受溫度、濕度等因素的影響，無時(shí)漂；

5）實(shí)現(xiàn)水位跟蹤式實(shí)時(shí)測量。

2.4主要功能

1）實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)在線測量。

2）可連接 1 臺(tái)并行口水位計(jì)。可按照設(shè)定的水位采集間隔時(shí)間，自動(dòng)上電采集、存儲(chǔ)水位數(shù)據(jù)，若配置了信道機(jī)，會(huì)開啟信道機(jī)發(fā)送 1 次最新的地下水位數(shù)據(jù)。

3）可外接便攜式電腦，現(xiàn)場下載固態(tài)存儲(chǔ)器內(nèi)任何時(shí)段的數(shù)據(jù)，亦可通過信道機(jī)（GPRS-DTU）遠(yuǎn)程下載歷史數(shù)據(jù)。

4）具有電池電壓值檢測和發(fā)送功能。終端機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)檢測并發(fā)送測站的電池電壓數(shù)據(jù)。

5）具有參數(shù)顯示和設(shè)置功能。操作相應(yīng)的功能鍵，可漢字顯示出站號(hào)、水位編碼器徝、當(dāng)前水位、水位基位、當(dāng)前時(shí)間等信息內(nèi)容。

6）可進(jìn)入設(shè)置萊單，查看或修改已設(shè)置的各類參數(shù)。

7）具有超時(shí)發(fā)送、強(qiáng)迫掉電功能。8）支持休眠喚醒工作方式。9）具有死機(jī)自動(dòng)復(fù)位功能。

10）具有顯示發(fā)送狀態(tài)的功能。

11）具有工作方式選擇功能，可純存儲(chǔ)，或存儲(chǔ) + 傳輸。

12）具有時(shí)鐘設(shè)置功能，可人工輸入和遠(yuǎn)程自動(dòng)校時(shí)。

13）具有數(shù)據(jù)保存功能。機(jī)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)都具有斷電保護(hù)功能，任何時(shí)候檢修和斷電，都不會(huì)破壞和改變原來的數(shù)據(jù)。只有重新改變設(shè)置內(nèi)容才會(huì)變更機(jī)內(nèi)原來設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)。

14）水位接口采取隔離和防干擾措施。

15）能自動(dòng)驅(qū)動(dòng) 12 V 電流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

16）具有密碼設(shè)置功能。為防止誤操作，在進(jìn)入設(shè)置菜單時(shí)，要輸入 4 位數(shù)字密碼，只有密碼驗(yàn)證正確時(shí)，才能進(jìn)行下一步的操作。

17）可連接 1 臺(tái)信道機(jī)，如 GPRS / GSM 模塊，超短波電臺(tái)等。

3　跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)樣機(jī)測試

跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)在完成定型設(shè)計(jì)及樣機(jī)生產(chǎn)后，在 10 m 水位臺(tái)進(jìn)行了樣機(jī)的性能測試，主要內(nèi)容包括：外觀質(zhì)量、測量范圍、分辨力、水位變率、準(zhǔn)確度、回差、防雷、工程環(huán)境、絕緣性能、電壓波動(dòng)、自由跌落等。

3.1精度測試

對(duì)跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)在 10 m 水位臺(tái)進(jìn)行樣機(jī)的精度測試，結(jié)果如表 1 所示。

表1　精度測試表cm

本次試驗(yàn)是在 10 m 水位臺(tái)上進(jìn)行的，最大誤差為 1.05 cm。根據(jù) GB/T 27993—2011 《水位測量儀器通用技術(shù)條件》相關(guān)規(guī)定，滿足水位計(jì)準(zhǔn)確度 4 級(jí)要求。

3.2重復(fù)性試驗(yàn)

對(duì)跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)在 10 m 水位臺(tái)進(jìn)行樣機(jī)的重復(fù)性試驗(yàn)，結(jié)果如表 2 所示。

表2　重復(fù)性精度測試表cm

根據(jù) GB/T 27993—2011 《水位測量儀器通用技術(shù)條件》有關(guān)重復(fù)性相關(guān)規(guī)定，重復(fù)性小于水位計(jì)允許誤差的 0.5 倍（即 1 cm）為合格，因而跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)重復(fù)性測試合格。

3.3回差試驗(yàn)

通過對(duì)跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)在 10 m 水位臺(tái)進(jìn)行樣機(jī)的回差測試，結(jié)果如表 3 所示。其中，水位升、降分別表示將水位調(diào)節(jié)至高于和低于標(biāo)準(zhǔn)水位，以進(jìn)行回差測試。

表3　回差試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表cm

根據(jù) GB/T 27993—2011 《水位測量儀器通用技術(shù)條件》有關(guān)回差相關(guān)規(guī)定，回差小于水位測量儀器準(zhǔn)確度最大允許誤差的 1.0 倍（即 2 cm）為合格，因而跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)回差測試合格。

通過儀器的多次性能試驗(yàn)，測試樣機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均能初步滿足樣機(jī)設(shè)計(jì)要求，但測量精度仍需進(jìn)一步提高。

3.4誤差分析

跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)的誤差主要表現(xiàn)為系統(tǒng)誤差。由于跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)電路內(nèi)部傳輸信號(hào)都是電子信號(hào)，在常溫常態(tài)下，電路性能穩(wěn)定性和抗干擾能力較好。導(dǎo)致儀器測量時(shí)回差較大的主要原因是磁致浮子上升和下降時(shí)存在測量盲區(qū)。

根據(jù)圖 2，通過對(duì)樣機(jī)探頭部分測量可知，H 為2.8 cm，H1為 1.2 cm，在水位升降時(shí)，探頭部分測量回差 δ = H - H1= 2.8 - 1.2 = 1.6 cm。

通過回差測試分析，儀器回差為 1.7～2.0 cm，而探頭部分固有回差為 1.6 cm。經(jīng)分析，產(chǎn)生誤差的另外原因是由鎧裝線纜在水位突變過過程中存在測繩“打滑”所致。為進(jìn)一步提高儀器的測量精度，后期將采取以下 2 種途徑改進(jìn)儀器：1）縮小磁致浮子傳感器探頭尺寸，減小測量盲區(qū)；2）選擇摩擦阻力更大的聚氨酯線纜護(hù)套，減少線纜打滑。目前，針對(duì)該儀器的改進(jìn)工作正在進(jìn)行中，因而暫未對(duì)樣機(jī)進(jìn)行野外比測試驗(yàn)，初步定于樣機(jī) 10 m 水位臺(tái)測試精度控制在 1 cm 以內(nèi)時(shí)，再進(jìn)行樣機(jī)野外比測試驗(yàn)。

4　結(jié)語

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國僅各類地下水監(jiān)測點(diǎn)一項(xiàng)就有20 000 余個(gè)，對(duì)于相關(guān)水位監(jiān)測產(chǎn)品具有迫切而廣泛的應(yīng)用需求。在水文遙測需求，尤其是地下水監(jiān)測的需求不斷提高的背景下，研制的跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)能夠充分適應(yīng)市面上對(duì)于無溫漂、時(shí)漂，安裝簡單，測量方便，價(jià)格優(yōu)勢明顯及實(shí)時(shí)在線測量等應(yīng)用需求。本產(chǎn)品目前已申請(qǐng)實(shí)用新型專利1 項(xiàng)（專利名稱：跟蹤式細(xì)管徑水位計(jì)，專利號(hào)：ZL2014-2-0186601），項(xiàng)目組后期將進(jìn)一步開展產(chǎn)品的推廣應(yīng)用研究。

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Design of Tracking Small Diameter Water Level Gauge

DONG Wanjun1,2, LIU Jie1,2, DONG Bo1,2, WU Xiaoming1,2
(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

Abstract:This article introduces the design scheme of the tracking small diameter water level gauge, from the instrument structure, working principle, features, technical specifications and other aspects. Through the type test and analysis of a prototype, the test results show that the water level gauge is stable, and reliable and high precision is meet the design requirements. The tracking small diameter water level gauge is stable, with no temperature drift, no time drift, high cost performance and is suitable for small caliber applications. So it has wide application prospects.

Key words:tracking mode; small diameter; water level gauge; working principle; design

作者簡介：董萬鈞（1977-），男，江蘇高郵人，工程師，從事水利信息化、監(jiān)控調(diào)度研究工作。

基金項(xiàng)目：南京水利科學(xué)研究院中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（Y915007）

收稿日期：2015-12-09

中圖分類號(hào)：P335

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9405(2016)01-0044-04