金舒宜 林曉明 林海鑫

（邵陽水文水資源勘測局 邵陽市 422000）

1 項目原由

流量測驗是水文測站最主要的測驗項目，湖南省除少部分大河站用ADCP 測流外，大部分測站采用纜道測流、測船測流，用的都是轉(zhuǎn)子式流速儀，測流離不開信號接收器。要計算出流速，一要有測流歷時，二要有信號個數(shù)，一般用馬表計時，人工計數(shù)，精度不高且很麻煩。為此，我們從測站工作需要的實際出發(fā)研制自動計時、計數(shù)測流信號接收器，以滿足測站需求。

2 研制開發(fā)

2.1 研制目標(biāo)

本信號接收器的命題為自動計時、計數(shù)測流信號接收器，那么既要將來自轉(zhuǎn)子式流速儀發(fā)出來的流速信號準(zhǔn)確無誤地接收到接收器中，以聲、光報警的方式告知操作人員，同時要具有測流歷時自動計數(shù)、流速信號個數(shù)自動計數(shù)的功能。既由流速信號驅(qū)動計時、計數(shù)器開始計數(shù)，又由流速信號驅(qū)動結(jié)束計數(shù)。還要有個標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖信號供計時用。

接收信號靈敏度要高，抗干擾能力要強(qiáng)，適應(yīng)環(huán)境要廣。該信號接收器以適用于纜道（包括絕緣和不絕緣纜道）測流為主要目標(biāo)，也要適用于測船測流和涉水測流。不但要適用于旋漿式（20 轉(zhuǎn)一響）的流速儀，也要適用于旋杯式（一轉(zhuǎn)一響）的流速儀。不但要適用于纜道測流時，采用“無線”測流法測流，也要適用于測船測流時采用的有線和“無線”測流法測流。當(dāng)用“無線”測流時，對信號源不能有特別要求，既要能接收直流脈沖信號，又要能接收交流脈沖信號，即不管用何種信號源，采用何種方式傳輸，采用何種測驗設(shè)備測流，均能準(zhǔn)確無誤地將信號收到室內(nèi)接收儀器中，并準(zhǔn)確顯示測點測流歷時和流速信號個數(shù)。

2.2 設(shè)計方案的選取

（1）信號源類型的選取。測流信號接收器的研制，首先要考慮選用什么信號源。纜道測流信號的產(chǎn)生方式，一般有直流脈沖信號、交流音頻脈沖信號和數(shù)據(jù)編碼調(diào)制信號等。從湖南省纜道測流中信號源的使用情況來看，多數(shù)站使用直流脈沖信號，少部分站使用交流音頻脈沖信號。數(shù)據(jù)編碼調(diào)制信號，因其信號源、信號接收器電路復(fù)雜，特別是信號源還受到體積的限制，湖南省基本不用。所以，本次研制的測流信號接收器，只要能接收到直流脈沖信號和交流音頻脈沖信號，就基本上適用于湖南省的纜道測流要求。不需要再去研制信號源。

（2）信號傳輸形式的選取。信號的傳輸形式，有有線傳輸、無線電波傳輸和“無線”傳輸三種。“無線”傳輸，并非真正意義上的無線，而是利用纜道循環(huán)索和水體構(gòu)成回路，由于水體不是線，所以習(xí)慣上稱“無線”傳輸。

從信號的三種傳輸形式中可以看出，有線傳輸，其信號輸出要通過鎧裝電纜或貫芯鋼絲繩，或在帶拉偏索纜道上，用循環(huán)索和拉偏索將信號傳回室內(nèi)，對纜道要求較高，使用可靠性也難以保證；無線電波傳輸，技術(shù)要求高，電路復(fù)雜，業(yè)余條件下不易實現(xiàn)；利用纜道循環(huán)索和水體構(gòu)成回路的“無線”傳輸，對纜道也無特別要求，是目前水文纜道中使用最多的一種傳輸方式。因此，本測流信號接收器信號傳輸方案采用“無線”傳輸。

（3）信號接收方案確定。以直流脈沖信號源為例，信號的接收原理見圖1。

圖1 “無線測流”原理示意圖

鋼絲繩與鉛魚體是絕緣的，水下電池筒電池負(fù)極接鋼絲繩到絞車，鋼絲繩同時又通過主索錨碇接入大地，電池正極通過流速儀接觸絲、鉛魚、水體、水下極板接至纜道房。在絞車與水下極板之間存在一個電阻，稱為入地電阻，見圖1 中Rd。當(dāng)流速儀接觸絲接通時，流速信號一部分通過鉛魚、R3 從正極直接流向負(fù)極，另一部分通過鉛魚、R4、水下極板、Rd從正極流到負(fù)極。在信號接收器中，將Rd 串入輸入電路中，當(dāng)有流速信號時，信號接收器輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖?，以?qū)動后續(xù)電路工作，即完成了流速信號的接收。由于各站使用環(huán)境不同，上游來水不同以及土壤含水量不同等，各種影響因素的不同，Rd值也不盡相同，Rd 在信號回路的分壓也不相同。為了各測站在不同影響因素情況下測流信號接收器均能順利接收流速信號，在電壓比較電路中采用了基準(zhǔn)電壓可調(diào)的辦法，以消除各種影響因素，擴(kuò)大適用范圍。

（4）測流信號、測流歷時計數(shù)方案的確定。根據(jù)測流計時、計數(shù)的操作方法和規(guī)程以及測站測流方案，設(shè)置測流最短歷時100 s、60 s、30 s 三檔。通過微電腦自動統(tǒng)計時間脈沖個數(shù)，當(dāng)達(dá)到最短測流歷時后，自動發(fā)出指令控制計時、計數(shù)。當(dāng)操作人員認(rèn)為流速信號穩(wěn)定后，按一下開始按鈕，待第一個流速信號到來時即自動開始計時，此時不計流速信號個數(shù)。只有第二個流速信號到來時才自動開始計流速信號個數(shù)。此后兩組計數(shù)器同時工作，當(dāng)達(dá)到設(shè)置的測流最短歷時后，再來一個流速信號時，計入該信號后兩組計數(shù)器同時自動停止工作。

綜上所述，設(shè)計方案為：信號源，采用直流脈沖信號和交流音頻脈沖信號；信號傳輸，采用纜道循環(huán)索和水體構(gòu)成回路的“無線”傳輸方式；信號接收，用電壓比較電路，將信號回路的入地電阻串入信號接收器的輸入電路，采用了基準(zhǔn)電壓可調(diào)的辦法，以消除影響因素，擴(kuò)大適用范圍。設(shè)置測流最短歷時100 s、60 s、30 s 三檔，通過微電腦自動統(tǒng)計測流歷時和流速信號個數(shù)。

2.3 信號接收器的組成

信號接收器由信號輸入電路、抗干擾電路、電壓比較電路、聲光報警電路、計數(shù)信號輸出電路、時鐘脈沖發(fā)生電路、最短歷時設(shè)置電路、計時計數(shù)控制電路、供電穩(wěn)壓電路、兩個LED 數(shù)碼管計數(shù)模塊等組成。方框圖見圖2。

2.4 信號接收器的特點

（1）入地電阻串入輸入電路，大大提高了流速信號的利用率，從而提高了靈敏度。

（2）采用負(fù)脈沖有效的方式，當(dāng)有流速信號時，輸出端也由高電平變?yōu)榈碗娖?，這種方式不但適用于“無線”測流也適用于有線測流。

圖2 信號接收器方框圖

（3）用電容充電時間決定輸出信號長度，以控制繼電器動作，繼電器有兩組常開觸點，一組接通蜂鳴器發(fā)聲，一組給單片機(jī)提供輸入信號，互不干擾。蜂鳴器發(fā)聲時間約0.5 s，解決了“嘟”聲噪人問題。用LED 顯示流速儀接觸絲的接通狀態(tài)。即同時具有聲、光報警和計數(shù)脈沖輸出功能。

（4）將比較器基準(zhǔn)電壓設(shè)為可調(diào)，消除了各種綜合因素的影響，大大增強(qiáng)了適用范圍。

（5）采用微電腦作10 Hz 標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖發(fā)生器，精度優(yōu)于0.1%，一致性好，適合批量生產(chǎn)。

（6）采用計時、計數(shù)控制器，可任意切換測流最短歷時100 s、60 s 或30 s。

（7）可將其嵌入纜道控制柜內(nèi)使用。也可盒裝移動，用兩節(jié)鋰電池供電，循環(huán)充電，電池經(jīng)久耐用。

2.5 安裝與調(diào)試

自動計時、計數(shù)測流信號接收器已陸續(xù)安裝了10 臺，3 臺嵌入式，7 臺移動式。邵陽站用于船上測流，其它站用于纜道測流。該信號接收器在安裝過程中沒有調(diào)試元件，只要元件良好，焊接無誤，一裝即成。第一次測流時要調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，以適應(yīng)測站環(huán)境，以后也不需要經(jīng)常調(diào)節(jié)。

3 應(yīng)用實例

該套自動計時、計數(shù)測流信號接收器已在邵陽水文局邵陽、茅坪、紅巖、洞口、隆回5 個站使用1年有余，普遍反映使用簡單，操作方便，穩(wěn)定可靠。

[1] 長江流域規(guī)劃辦公室.水文纜道（第一版）[M].北京：水利電力出版社，1978.

[2] 王喜斌，孫東輝，李葉紫，等.MCS-51 單片機(jī)應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.