智永明，劉建華，魏 廣

（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；3. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

一體化遙測(cè)水位計(jì)工業(yè)設(shè)計(jì)探討

智永明1，2，劉建華1，2，魏 廣2，3

（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；3. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

水文儀器的主要使用特點(diǎn)是全部或部分在水下長(zhǎng)期工作，且要不受影響地連續(xù)測(cè)得可靠的水文數(shù)據(jù)，穩(wěn)定性能要求相當(dāng)高。近年水文儀器也在向傳感器化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化等自動(dòng)測(cè)站方向發(fā)展，對(duì)水文儀器的工業(yè)設(shè)計(jì)提出更高要求。工業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容很龐雜，水文儀器的工程易用性設(shè)計(jì)是研究的目的，通過(guò)一體化遙測(cè)水位計(jì)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，如可拆裝式結(jié)構(gòu)、防水線纜插頭設(shè)計(jì)等，探討在保證可靠性的前提下，提升產(chǎn)品的工程易用性設(shè)計(jì)水平，通過(guò)野外安裝試驗(yàn)，設(shè)計(jì)改進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，可以滿足野外使用要求。

一體化遙測(cè)水位計(jì)；工業(yè)設(shè)計(jì)；陶瓷電容式壓力傳感單元；通氣管電纜；防水活動(dòng)接頭

0 引言

水文儀器主要在野外使用，有些儀器直接暴露在野外，如雨量計(jì)、纜道、船測(cè)設(shè)備等；有些儀器在簡(jiǎn)單保護(hù)房（箱、測(cè)井）內(nèi)工作，如水位計(jì)等；一些長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行的儀器，他們的傳感器部分安裝在水邊或水下，通過(guò)信號(hào)電纜將信號(hào)傳送到岸邊水文站房或地面上測(cè)井內(nèi)傳輸記錄設(shè)備，信號(hào)電纜可能長(zhǎng)達(dá)幾十或數(shù)百米，這些電纜的安裝面臨很多困難，如屏蔽、防水、抗拉強(qiáng)度等[1]。國(guó)外產(chǎn)品在外觀、可靠性、集成化、易用性等設(shè)計(jì)方面均領(lǐng)先國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，近年來(lái)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)水平也在不斷提升，外觀、可靠性設(shè)計(jì)等方面已大幅縮小了與國(guó)外的差距，但集成化、易用性設(shè)計(jì)方面還存在較大差距，為此結(jié)合一體化遙測(cè)水位計(jì)使用要求，在產(chǎn)品的易用性設(shè)計(jì)方面進(jìn)行探討。

1 一體化遙測(cè)水位計(jì)工業(yè)設(shè)計(jì)

1.1 需求簡(jiǎn)介

一體化遙測(cè)水位計(jì)由壓力水位計(jì)（傳感器）、數(shù)據(jù)采集儀（終端機(jī)）、防水信號(hào)電纜（分含通氣管和不含通氣管 2 類(lèi)）等附件組成，可用于江河、湖泊、水庫(kù)、明渠及地下水等天然水體的水位和溫度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)可通過(guò) GPRS 遠(yuǎn)程傳送到數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)地下水水位、溫度的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

一體化遙測(cè)水位計(jì)是一個(gè)集成整體，采用專(zhuān)用線纜吊掛在井中水下。自帶內(nèi)置電源（電池），具有長(zhǎng)期固態(tài)存儲(chǔ)、自動(dòng)測(cè)溫（也用于壓力測(cè)深自動(dòng)修正）、標(biāo)準(zhǔn)輸出接口功能和模式，可以讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和連接數(shù)傳儀遙測(cè)，產(chǎn)品功能完整、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確性高、抗干擾性強(qiáng)、應(yīng)用方便，可以用于不同井徑、所有埋深的監(jiān)測(cè)。在地下水超采區(qū)等特殊類(lèi)型區(qū)布設(shè)和需要自動(dòng)測(cè)量水溫，以及布設(shè)在地處偏遠(yuǎn)地區(qū)、電源維護(hù)成本高的測(cè)站，適合安裝此類(lèi)產(chǎn)品。

由于所采用的地下水監(jiān)測(cè)井為專(zhuān)用井，日水位變化不大，所以對(duì)單一的監(jiān)測(cè)地下水而言，如具有召測(cè)功能會(huì)增加電源功耗，使電源維護(hù)成本增加，一般不建議采用這些功能；如地下水監(jiān)測(cè)信息與降水、土壤墑情等共用一個(gè) RTU 傳輸數(shù)據(jù)，則可以具有召測(cè)功能[2]。

1.2 設(shè)計(jì)方案

1.2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

儀器分辨力：1.0 或 0.1 cm；

基本誤差：在10 m 變幅范圍內(nèi)，≤± 2 cm，超過(guò) 10 m 水位變幅時(shí)，不大于 ± 2‰ 水位變幅；

重復(fù)性誤差：≤± 1 cm；

時(shí)間漂移：≤±1 cm/10 d（水溫變化≤± 3 ℃）；

溫度漂移：≤± 1 cm（水溫變化 4～40 ℃）；功耗：正常工作條件下（1 d 測(cè)量 6 次，發(fā)送1 次），工作周期應(yīng)不小于 24個(gè)月（注：約定電池實(shí)際容量為電池標(biāo)稱容量的 60%）；

接口：RS-485；固態(tài)存儲(chǔ)：16 MB（存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)不小于 400 d（每日記錄數(shù)據(jù)不小于 6 次）；

計(jì)時(shí)誤差：不大于 10 s（10 d）；傳感器線纜規(guī)格：6 芯 7 × 0.2 mm 多股鍍錫銅線（帶通氣管）；

水位計(jì)外殼材料：316 L 不銹鋼；

防護(hù)等級(jí)：水下部分為IP68，井內(nèi)部分為IP67，地面設(shè)備為IP55；

通信規(guī)約：符合 SL 651—2014《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》及《國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信報(bào)文與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)采集庫(kù)表規(guī)定》相關(guān)規(guī)范的要求。

1.2.2 壓力式水位計(jì)工作原理

通過(guò)測(cè)量水下某一固定點(diǎn)處的靜水壓強(qiáng)，再根據(jù)水體容重，得到該固定點(diǎn)水深，從而得到當(dāng)時(shí)的水位[3]。地下水體的水面暴露在大氣中的自由水面，水面上承受著大氣壓強(qiáng) P氣，所以水下測(cè)點(diǎn)測(cè)到的總壓強(qiáng) P總是測(cè)量點(diǎn)以上水柱高度 h 形成的靜水壓強(qiáng)P靜加上水體表面的大氣壓強(qiáng) P氣之和。測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 壓力傳感器測(cè)量原理

換算成測(cè)量點(diǎn)以上水柱高度 h（即測(cè)點(diǎn)水深）時(shí)，用 P總減 P氣，或者應(yīng)用補(bǔ)償方式自動(dòng)減掉 P氣，得到 P靜，則：

式中：γ 為水體容重。

根據(jù)公式（1）可以推算得測(cè)點(diǎn)水深，從而可以推算出對(duì)應(yīng)的水位值。

水體容重 γ 一般以 1 g/cm3計(jì)算，但要精確測(cè)量時(shí)，需要考慮進(jìn)行溫度、鹽度、含沙量等密度修正。水溫從 4 ℃ 變化到 45 ℃，密度從 1.00 g/cm3變化到約 0.99 g/cm3，對(duì)水位誤差的影響應(yīng)該加以考慮。

常用的壓力傳感器有固態(tài)壓阻式和陶瓷電容式2種。固態(tài)壓阻式壓力傳感器在硅基片上集成燒結(jié)一組電阻，組成惠斯登全電橋，電橋基片受到壓力，產(chǎn)生形變，電橋失去平衡，輸出 1個(gè)對(duì)應(yīng)于壓力大小的電信號(hào)；陶瓷電容壓力傳感器利用陶瓷電容穩(wěn)定的壓力電容關(guān)系測(cè)量壓力，具有測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，且量程可以小到 500 Pa，抗過(guò)載能力可達(dá)量程的 200 倍，可徹底解決其它類(lèi)型傳感器沒(méi)有小量程及在小量程時(shí)過(guò)載能力差的缺點(diǎn)。

壓力傳感器分為差壓式和絕壓式傳感器 2種，差壓式壓力傳感器使用通氣防水電纜自動(dòng)減掉大氣壓強(qiáng)，此電纜內(nèi)部有一通氣管，將大氣壓力引入差壓式壓力傳感器的背水面，使得壓力傳感器的迎水面只測(cè)得測(cè)點(diǎn)靜水壓強(qiáng)。絕壓式壓力傳感器不使用通氣電纜，需要同時(shí)測(cè)量水面上大氣壓強(qiáng) P氣，再?gòu)膫鞲衅鳒y(cè)得的 P總中減去 P氣，得到 P靜。

1.2.3 防水信號(hào)電纜

防水信號(hào)電纜為混合型電纜，長(zhǎng)期工作于野外的觀測(cè)井中，所用材料必須是防水、防潮、防腐、防曬等耐候性優(yōu)異的材料。6 芯線的設(shè)計(jì)包括信號(hào)線和電源線，通氣管選用尼龍材質(zhì)，保證通氣性能優(yōu)良；排流線設(shè)計(jì)是為了防雷擊；聚酯鋁帶設(shè)計(jì)主要起屏蔽作用，減小外界干擾；高強(qiáng)度抗拉纖維設(shè)計(jì)，主要增強(qiáng)電纜的抗拉性，同時(shí)不要增加太多重量。防水信號(hào)電纜的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 防水信號(hào)電纜（含通氣管）截面示意圖

1.2.4 陶瓷壓力傳感單元

陶瓷電容式壓力傳感單元通常采用雙電容結(jié)構(gòu)，在陶瓷膜片上同時(shí)燒結(jié) 2個(gè)電容，一個(gè)是參考電容，以消除溫度對(duì)傳感器輸出的影響；另一個(gè)是測(cè)量壓力的電容，由測(cè)壓陶瓷膜片和固定電極組成，當(dāng)陶瓷膜片受壓變形后，兩電容極板間距隨之改變，電容也發(fā)生相應(yīng)變化，高性能陶瓷材料的性能穩(wěn)定，蠕變、時(shí)間和溫度漂移都很小[3]，陶瓷電容壓力傳感單元輸出信號(hào)強(qiáng)，不需過(guò)多放大，受外界干擾小，性能穩(wěn)定、耐用[4]。圖3 為一款陶瓷電容壓力式傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 一款陶瓷電容壓力式傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 易用性設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

1.3.1 壓力水位計(jì)的拆裝式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上有些壓力水位計(jì)基于防水封裝的考慮，采用灌注的方式，基本為不可拆結(jié)構(gòu)，示意圖如圖4所示，缺點(diǎn)：傳感器有故障需要維護(hù)時(shí)，因結(jié)構(gòu)不可拆，修理基本不可能，只能更換新的壓力傳感器，增加了用戶的使用成本。

圖4 壓力水位計(jì)灌膠示意圖

針對(duì)灌膠式壓力水位計(jì)的不足，設(shè)計(jì)拆裝式壓力水位計(jì)，不同零件間采用螺紋結(jié)構(gòu)連接，方便拆裝，防水采用 O 型圈，這樣當(dāng)傳感器有故障時(shí)，可快速拆裝，方便維修，最大限度降低用戶使用成本，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。主要安裝步驟如下：1）將不銹鋼透水帽擰入壓力傳感單元下部的螺紋；2）將不銹鋼安裝骨架擰入壓力傳感單元上部的螺紋；3）在不銹鋼安裝骨架上安裝印制板組件；4）將壓力傳感單元的電纜焊接在印制板組件上；5）將 6 芯插座擰入不銹鋼安裝骨架上部；6）將 6 芯插座的電纜焊接在印制板組件上；7）在相關(guān)位置安裝 O 型圈；8）將不銹鋼護(hù)管從不銹鋼安裝骨架上部套入并擰入不銹鋼安裝骨架的上部螺紋，快速實(shí)現(xiàn)傳感器組裝。

圖5 拆裝式壓力水位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2 防水信號(hào)電纜與壓力水位計(jì)（數(shù)據(jù)采集器）連接的插拔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防水信號(hào)電纜與壓力水位計(jì)的連接通常采用焊接方式，連接示意圖如圖6所示，這種方式的缺點(diǎn)為傳感器發(fā)生故障時(shí)，只能送回工廠進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)防水信號(hào)電纜也只能一起寄回，因現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法操作。這樣既會(huì)造成用戶維護(hù)時(shí)間的增加，也增加了廠家維護(hù)成本，維修期間廠家需要提供備用產(chǎn)品以保證系統(tǒng)正常監(jiān)測(cè)不受影響，而帶定長(zhǎng)電纜的傳感器成套產(chǎn)品成本是高昂的。

防水信號(hào)電纜與數(shù)據(jù)采集儀的連接通常采用螺釘壓接方式，連接示意圖如圖7所示，這種方式的缺點(diǎn)如下：當(dāng)防水信號(hào)電纜發(fā)生故障需要更換時(shí)，需要在現(xiàn)場(chǎng)打開(kāi)數(shù)據(jù)采集儀，擰松接線端子的螺釘取出信號(hào)線，現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境惡劣，不當(dāng)操作有可能會(huì)損壞數(shù)據(jù)采集儀，增加了數(shù)據(jù)采集儀的損壞故障率。

圖6 焊接連接方式示意圖

圖7 螺釘壓接連接方式示意圖

針對(duì)目前防水信號(hào)電纜與壓力水位計(jì)（數(shù)據(jù)采集儀）連接方式的不足，設(shè)計(jì)了防水線纜接插件插頭（ZL201520467392.2），結(jié)構(gòu)如圖8所示，實(shí)現(xiàn)了防水信號(hào)電纜與壓力水位計(jì)（數(shù)據(jù)采集儀）的快速活動(dòng)連接，方便安裝維護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)操作快速方便，提高了現(xiàn)場(chǎng)故障維護(hù)速度。防水線纜接插件插頭主要加工步驟如下：1）根據(jù)用戶需要裁剪防水信號(hào)電纜長(zhǎng)度；2）將不銹鋼鎖緊護(hù)管、不銹鋼壓緊螺母、壓緊橡膠圈、不銹鋼接線座等依次穿入電纜；3）撥開(kāi)電纜頭，將信號(hào)線按線序焊接 6 芯插頭；4）固定6 芯插頭，將不銹鋼接線座擰入 6 芯插頭螺紋；5）擰緊壓線板螺釘，壓緊防水電纜；6）將壓緊橡膠圈壓入不銹鋼接線座，擰入不銹鋼壓緊螺母，擠壓橡膠圈，壓緊防水電纜，完成防水線纜接插件插頭。

防水信號(hào)電纜與壓力水位計(jì)及數(shù)據(jù)采集儀的插拔式連接分別如圖9 和 10所示，具體連接步驟如下：1）將防水信號(hào)電纜接插件的 6 芯插頭插入壓力水位計(jì)（數(shù)據(jù)采集儀）的 6 芯插座；2）將不銹鋼鎖緊護(hù)管擰入壓力水位計(jì)（數(shù)據(jù)采集儀）上的螺紋，兩步即可實(shí)現(xiàn)快速連接。

1.4 實(shí)際使用情況

一體化遙測(cè)水位計(jì)小批量試制 4 套，野外試驗(yàn)已累計(jì) 20個(gè)月，線纜活動(dòng)防水連接件密封性能優(yōu)良，現(xiàn)場(chǎng)操作快捷靈活，維護(hù)使用方便，傳感器結(jié)構(gòu)拆裝可靠，便于器件維護(hù)更換，儀器測(cè)試精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)確認(rèn)屬軟件編程問(wèn)題，現(xiàn)已更正，總之，一體化遙測(cè)水位計(jì)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新改進(jìn)，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，儀器的可靠性符合水文儀器要求，后續(xù)還將繼續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究，以期進(jìn)一步完善產(chǎn)品。

圖8 防水線纜插拔式插頭

圖9 防水信號(hào)電纜、壓力水位計(jì)的插拔式連接示意圖

圖10 防水信號(hào)電纜、數(shù)據(jù)采集儀的插拔式連接示意圖

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一體化遙測(cè)水位計(jì)在易用性方面的改進(jìn)設(shè)計(jì)，說(shuō)明在國(guó)產(chǎn)水文儀器的工業(yè)設(shè)計(jì)水平方面盡管目前與國(guó)外先進(jìn)水平還有明顯差距，但應(yīng)正視不足，積極趕超，在產(chǎn)品的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面，針對(duì)使用需求，認(rèn)真規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，通過(guò)點(diǎn)滴創(chuàng)新，不斷累積國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

水文儀器工業(yè)設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)和創(chuàng)新應(yīng)該在保證可靠性的前提下開(kāi)展，針對(duì)一體化遙測(cè)水位計(jì)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過(guò)野外試驗(yàn)，證明可以滿足野外使用條件。水文儀器的工業(yè)設(shè)計(jì)是個(gè)大課題，本研究?jī)H僅是開(kāi)始，未來(lái)除繼續(xù)在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面探討外，還將在產(chǎn)品集成化、智能化、免維護(hù)設(shè)計(jì)等方面加強(qiáng)探討，全面提升國(guó)產(chǎn)水文儀器工業(yè)設(shè)計(jì)水平。

[1] 姚永熙. 水文儀器與水利水文自動(dòng)化[M]. 南京：河海大學(xué)出版社，2001.

[2] 章樹(shù)安，褚洪斌，楊建青，等. 國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程可行性研究報(bào)告[R]. 北京：國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2014.

[3] 姚永熙，章樹(shù)安，楊建青. 地下水信息采集與傳輸應(yīng)用技術(shù)[M]. 南京：河海大學(xué)出版社，2011 .

[4] 姚永熙，楊漢塘. 水文儀器研究與設(shè)計(jì)[M]. 南京：河海大學(xué)出版社，2011.

Discussion on industrial design of integrated telemetering water level

ZHI Yongming1,2, LIU Jianhua1,2, WEI Guang2,3
(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; 3. Jiangsu Naiwch Corporation, Nanjing 210012, China)

The main use of hydrological instruments is characterized by full or partial long-term work in the water, but also reliable hydrological data is continuously measured without affected. Hydrological instrument stability requirements are quite high. In recent years, hydrological instruments are also developed to the intelligent sensor, integration, network and other automatic station direction. It puts forward higher requirements for industrial design of the hydrological instruments. The industrial design content is very complex. The purpose of this study is the engineering usability design of hydrological instruments. Through design improvements of the integration telemetry water level gauge, such as design of removable structure and waterproof cable plug, the article enhances the product usability design level on the premise of guarantee reliability. Through the field installation test, design improvements meet the design expectations, and field requirements.

integrated telemetry level indicator; industrial design; ceramic capacitive pressure sensor; tube cable; waterproof connector

P335

A

1674-9405(2017)01-0044-05

10.19364/j.1674-9405.2017.01.011

2016-10-18

智永明（1966-），男，山西晉中人，高級(jí)工程師，主要研究方向：水文水資源自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、水文儀器檢定試驗(yàn)裝備等。