ELD-3B型智能水文纜道簡化思路

屠勝，羅詠濤，彭劍

(四川雅安水文水資源勘測局，四川雅安，625000)

1 應(yīng)用站點(diǎn)概況

多營坪水文站位于雅安市雨城區(qū)多營鎮(zhèn)，東經(jīng)102°57′，北緯30°00′，集水面積8777km2，由原西康省水利局水文分站設(shè)立于1955年5月。該站系青衣江中上游重要控制站，國家一類基本水文站，測驗(yàn)項(xiàng)目主要有：水位、流量、降水、蒸發(fā)、單沙、輸沙、顆分、比降、水溫和水質(zhì)等。

多營坪水文站擔(dān)負(fù)著青衣江沿江重要城鎮(zhèn)防汛保安重責(zé)，又肩負(fù)著為流域水能資源開發(fā)、優(yōu)化電站運(yùn)行調(diào)度，為雅安城市水生態(tài)系統(tǒng)、水資源可持續(xù)利用和人居環(huán)境改善提供技術(shù)支撐服務(wù)功能，地位和作用十分重要。

2 簡化思路

受四川蘆山“4.20”大地震影響，多營坪站水文設(shè)施設(shè)備震毀嚴(yán)重，尤其是水文測流纜道幾乎處于癱瘓狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)水文多功能升級，雅安水文局多次邀請長江重慶康禹水資源開發(fā)有限公司到現(xiàn)場設(shè)計(jì)，經(jīng)各方專家論證，選定“ELD-3B型智能水文纜道”為多營坪站水文纜道升級及恢復(fù)性重建方案。

經(jīng)過“ELD-3B型智能水文纜道”幾年的運(yùn)行來看，其結(jié)果是減輕了勞動強(qiáng)度，提高了測報(bào)質(zhì)量。但水文站特殊性及電子產(chǎn)品本身具有使用率低、出現(xiàn)故障機(jī)率高的屬性。此外還存在一次性投資大、運(yùn)行成本高、維護(hù)難度大的情況。一個小元件損壞就換“總程”，造成很大的浪費(fèi)。

智能水文測驗(yàn)系統(tǒng)由測量前置儀器、設(shè)備主機(jī)、手動操作臺、水下信號源等組成，運(yùn)行原理見圖1。按目前電子技術(shù)發(fā)展速度，完全可以將測量前置儀器、手動操作臺功能等集成到計(jì)算機(jī)內(nèi)，讓計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)功能有“用武之地”，這樣可以節(jié)約成本2/3。再有計(jì)算機(jī)為普及型設(shè)備，成本已非常低，性能非常穩(wěn)定。智能水文測驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路應(yīng)以計(jì)算機(jī)功能為主，輔以很小的外圍電路，完成大動作，推動智能水文測驗(yàn)系統(tǒng)的跨越式進(jìn)步。水文科研人員提出設(shè)計(jì)方案，對于水文測驗(yàn)用小軟件可組織內(nèi)部人員編寫，也可以向軟件開發(fā)商購買。

圖1 智能水文測驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行原理示意

3 電路原理

在水文測站上，本文只介紹“信號發(fā)生器”電路的改進(jìn)，“信號發(fā)生器”組件如圖2所示。內(nèi)部電路圖太復(fù)雜，維護(hù)難度大。由于水下信號源遠(yuǎn)離纜道控制臺，測站附近不存在大功率射頻源和超高送變電線路等干擾源，又工作在水下。水流波、泥沙波干擾很小，推移質(zhì)、河底“地電壓”干擾波是存在的，所以水下信號源必須用防水不銹筒封閉，防水和屏蔽雜波干擾。故水下信號源完全可以簡化成圖3所示的電路，降低成本，節(jié)約開支，便于維護(hù)。

圖注：1為外型；2為信號源組件；3為不銹鋼筒

圖3 “信號發(fā)生器”電路原理示意

采用一片6反相器數(shù)字集成電路74HCU04組成。可同輸出矩形波、3角波、正弦波3種信號替代原水下信號源3種信號波。電路非常簡單，易損件74HCU04可制成插槽式，方便維護(hù)。信號頻率在10Hz～1MHz連續(xù)可調(diào)。P1、P2、C1/1uF組成積分器，以生成3角形波；P3、P4、P5、P6、R2/3.3K、R3/10K組成施密特電路，當(dāng)把施密特電路的輸出信號通過R1/4.7K和RP1/100K反饋至積分器輸入端時(shí)，就組成一個方波振蕩器，輸出矩形波，調(diào)整RP1可改變振蕩頻率。P7為地，P14為電源端+5V。P2輸出經(jīng)C2/100uF、C3/100uF、R4/1.5K、RP2/10K/R5/15K、P12、P13、D1、D3、C4/10uF、R6/4.7K、D2、D4組成正弦波振蕩器，輸出正弦波。本電路主要特點(diǎn)是施密特電路的典型應(yīng)用。

施密特觸發(fā)器是包含正回授的比較器電路。它也有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持，對于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，有不同的閾值電壓。施密特觸發(fā)器可作為波形整形電路，能將模擬信號波形整形為數(shù)字電路能夠處理的方波波形，而且由于施密特觸發(fā)器具有滯回特性，所以可用于抗干擾，其應(yīng)用包括在開回路配置中用于抗干擾，以及在閉回路正回授/負(fù)回授配置中用于實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器。對RP1/100K和RP2/10K，試用中調(diào)到最佳位置時(shí)，可用固定電阻代替，降低故障率。對于水深較淺的小河水文站，常用測深桿測深，不用水面、河底信號，電路就更簡單易行了。如圖4所示。

圖4 “信號發(fā)生器”簡易電路原理示意

用555時(shí)基IC組成的鋸齒波發(fā)生器電路，利用晶體管Q1給電容器C1/0.1uF恒流充電，當(dāng)C1/0.1uF上電壓達(dá)到2/3電源電壓時(shí)，時(shí)基IC被觸發(fā)，電容器C1/0.1uF兩端產(chǎn)生頻率約1.5kHZ的鋸齒波。

試用中發(fā)現(xiàn)，電容器C1/0.1uF的品質(zhì)會影響鋸齒波的線性。若采用積層陶瓷電容器，鋸齒波的線性變差；而選用聚脂薄膜電容器，鋸齒波的線性就很好，流速儀信號傳輸更加穩(wěn)定。電路中電阻R1/2.4K、R2/2.4K、R3/6.2K、R4/1K，電路中電容C2/0.1uF、C3/0.01uF。電路中Q1用高頻PNP管，D1用高頻二極管就可以了。

4 安裝實(shí)例

按照《水文纜道操作規(guī)程》，由技術(shù)人員去操作纜道控制平臺。將鉛魚開回到鉛魚平臺上，停放高度以更換水下信號源方便為宜，待鉛魚放置平穩(wěn)后進(jìn)行操作。打開鉛魚儀器倉，取出原水下信號源防水不銹鋼筒，卸下兩端蓋圈，取出原信號源電路板。就可以看到原信號源電路板電路非常復(fù)雜，還是雙面印刷電路，多為貼片元件，一有故障，只有整體換新。從原水下信號源裝置上焊下復(fù)雜的電路板，將改進(jìn)信號源電路板按電源正、負(fù)對應(yīng)接入原接線柱上，3種信號波輸出線與原3種信號波輸出線對應(yīng)接入，檢查無誤后試測，如果效果差，3種信號線可以互換后再試測。試測中水文纜道測流分“無線”和“有線”兩種基本方式，各有所長。

第一種無線測流方式。信號源天線經(jīng)絕緣子上方循環(huán)繩回到測量前置儀器正極接線端。信號源地端經(jīng)水體、大地、引入地線回到測量前置儀器負(fù)極接線端。試運(yùn)行期間“無線”信號經(jīng)水、大地回路，雖然有河底地電壓干擾源，但“HLX-3T水文測控儀”仍然能夠解調(diào)出“流速信號”。隨著水電開發(fā)提速，各類干擾源幅度加大，水作為載體的“無線”傳輸方式在ELD-3B型智能水文纜道上無法正常使用。圖5為無線測流工作原理示意圖，改進(jìn)方法：鉛魚與鋼絲繩用瓷絕緣子作絕緣連接。水下信號源密封裝入特制的鉛魚體內(nèi)，連同鉛魚一起放入水中，干擾信號大幅衰減。信號源的輸出更加穩(wěn)定。這時(shí)將信號源天線接瓷絕緣子上端鋼絲繩，一根接流速儀的絕緣接線柱，當(dāng)接觸絲未與流速儀齒輪接通時(shí)，漏電流是存在的；當(dāng)接觸絲與齒輪接通之后，工作電流大于漏電流，“HLX-3T水文測控儀”從這變化的電流中解調(diào)出工作信號，完成測流任務(wù)。

圖5 無線測流工作原理示意

第二種有線測流方式。方法簡單易行，測流工作原理如圖6所示。信號源正極引線經(jīng)副纜道繩回到測量前置儀器正極接線端；信號源地端經(jīng)循回繩回到測量前置儀器負(fù)極接線端。缺點(diǎn)是纜道拉偏繩與副纜道繩是通過動滑輪連接的。滑輪、鋼繩生銹導(dǎo)致接觸不良，時(shí)間長了就得空載循回，讓其滑輪與鋼繩之間接觸良好才能正常測流。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用循回繩用銅芯線鋼繩，水下信號源正輸出信號經(jīng)鋼繩內(nèi)置銅芯線接測量前置儀器正極接線端子，信號源地端經(jīng)循回鋼繩回到測量前置儀器負(fù)極接線端子。經(jīng)上述簡單措施，試測效果達(dá)到要求。

圖6 有線測流工作原理示意

5 效益分析

經(jīng)測試，得到了出人意料的效果。水文自動測驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要結(jié)合所在流域的氣象條件、自然地理環(huán)境、現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源、當(dāng)?shù)毓╇姞顩r等具體實(shí)情，因地制宜選擇設(shè)計(jì)方案，以保證水文測驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性(大型電子設(shè)備四臺，用了很少功能)。作為電子產(chǎn)品，沒有“一步到位，只有天天更新”，否則“一廂情愿”。看到新的電子產(chǎn)品，成本低，性能優(yōu)，效果好，想用但現(xiàn)有設(shè)備投資規(guī)模大，棄之可惜。對于新電子產(chǎn)品只能望洋興嘆，能說不是一種“過失”嗎？