李學(xué)勝，羅孝兵，王啟飛

(南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，南京 210003)

0 引 言

水資源是人類社會生存和發(fā)展不可缺少的自然資源，我國是一個水資源缺乏的國家，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水又占據(jù)相當(dāng)大一部分，目前我國灌區(qū)水資源利用效率整體較低，為了實現(xiàn)高效節(jié)約用水及合理分配用水，對水位的測量就顯得尤為重要[1]。目前常用的水位測量主要包括人工檢尺、浮子式、壓力式、超聲波、雷達(dá)式和激光式等水位計。人工檢尺的測量精度低，每次測量時間長，且只能離線測量，不適用于在線實時測量；浮子式水位計[2]結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗小，缺點(diǎn)是測量精度低，容易受泥巴、水藻等影響需要水位井測量，受浮子尺寸影響不能測低水位；壓力式水位計[3]易于安裝，量程大，可用于零下溫度測量，但絕對誤差大，有溫漂，維護(hù)工作量大；超聲波式水位計[4]易安裝，設(shè)備價格低，維護(hù)方便，但易受氣溫、水面漂浮物等的影響，測量精度和可靠性較差；雷達(dá)式水位計[5]精度高、量程大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、易安裝，但該價格較高、設(shè)備較復(fù)雜，維護(hù)成本高，易受水面漂浮物影響；激光式水位計量程大、精度高，體積小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高，另外，需要與反射板配合使用，增加了安裝難度[6-8]。

綜上所述，很少能提供一種測量精度高，測值穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實用，方便現(xiàn)場安裝的集多種功能于一體的水位測量裝置。

本文設(shè)計的一體化水位計是基于磁致伸縮效應(yīng)的一種浮子式水位監(jiān)測裝置。雖然，本裝置使用了浮球作為水位升降的標(biāo)識物，也會具有一些浮子式水位計的一些特點(diǎn)，比如受水草、泥巴的影響，有的地方還需要修建水位測量井等缺點(diǎn)。但該裝置采用磁致伸縮原理具有測量精度高、測值穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點(diǎn)，同時，該儀器是集水位測量、流量換算、數(shù)據(jù)顯示和全網(wǎng)通通訊等為一體的一種多功能監(jiān)測設(shè)備,且該產(chǎn)品還具有外部接口簡單，現(xiàn)場調(diào)試及運(yùn)行、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)。可以為量水、取水及水資源的合理分配與利用提供科學(xué)的、現(xiàn)代化的手段；同時也可應(yīng)用于數(shù)量大、站點(diǎn)分散的城市防洪排澇工程。

1 儀器工作原理

一體化水位計是基于磁致伸縮效應(yīng)、浮力原理、電子技術(shù)、無線通信技術(shù)等研制而成的水位測量儀器,它的工作原理[9,10]如圖1所示。

圖1 工作原理圖Fig.1 Working principle diagram

當(dāng)傳感器工作時，將問詢脈沖加載到波導(dǎo)絲上,該脈沖沿波導(dǎo)絲向前傳播,由電磁場理論可得,問詢脈沖在波導(dǎo)絲周圍會產(chǎn)生一個垂直于波導(dǎo)絲的環(huán)向磁場。當(dāng)環(huán)向磁場與浮球----位置磁鐵(浮球里設(shè)置有永久性磁鐵)產(chǎn)生的軸向磁場相遇時,就會互相疊加產(chǎn)生螺旋形磁場,由磁致伸縮效應(yīng)可得,該螺旋形磁場使波導(dǎo)絲在浮球當(dāng)前位置處產(chǎn)生瞬時扭轉(zhuǎn)形變,形成扭轉(zhuǎn)應(yīng)變脈沖，應(yīng)變脈沖是一種機(jī)械波，沿著波導(dǎo)絲向兩端傳播,當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播到波導(dǎo)絲末端時,被阻尼器吸收,防止波的反射干擾信號檢測。當(dāng)扭轉(zhuǎn)波傳播到波導(dǎo)絲頂端時，被檢測線圈拾取，在線圈兩端就有感應(yīng)電壓輸出。根據(jù)脈沖發(fā)射與電壓信號輸出的時間差計算浮球的位置，從而得到水位信息。一體化水位計的主控存儲模塊，通過采集水位采集模塊中的水位數(shù)據(jù)，并根據(jù)錄入存儲模塊的水位流量關(guān)系曲線換算出當(dāng)前流量，然后通過全網(wǎng)通通信終端，將水位、流量數(shù)據(jù)發(fā)送至中心站及分中心。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

儀器結(jié)構(gòu)如圖2所示：主要包括：密封堵頭、擋圈、浮球、測桿、連接件、防水航空插頭、變送器殼體、液晶顯示屏、紅外感應(yīng)開關(guān)等，儀器內(nèi)部設(shè)有：波導(dǎo)絲、波導(dǎo)絲屏蔽層、消回波裝置、波導(dǎo)絲直線度調(diào)節(jié)裝置、測量線圈、CPU電路板、電源板、信號板、鋰電池等。

變送器殼體分為下殼體、支撐板及上蓋。為方便更換鋰電池，將下殼體分為電子倉和電池倉兩部分，二者互不影響。電子倉里設(shè)置有豎直方向的電路板卡槽，可直接將電路板插入卡槽內(nèi)，方便電路板安裝。液晶顯示屏、紅外開關(guān)電路板安裝在支撐板上，支撐板固定到電子倉上。上蓋板與下殼體采用卡槽式連接，更換鋰電池時，只需將上蓋板擰下即可，方便電池更換。上蓋板和下殼體之間有密封設(shè)備。另外變送器殼體上還設(shè)置有防水航空插頭孔、天線孔，防水航空插頭可連接太陽能充電裝置和RS485通訊接口。天線孔方便天線外接，可為全網(wǎng)通通訊提供較強(qiáng)信號。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of instrument

變送器殼體和測桿通過螺紋連接，測桿里包括波導(dǎo)絲、波導(dǎo)絲屏蔽層、消回波裝置、波導(dǎo)絲直線度調(diào)節(jié)裝置、測量線圈等， 為了保證波導(dǎo)絲在其保護(hù)管中的直線度，提高傳感器的測量精度，該傳感器設(shè)置有波導(dǎo)絲拉緊裝置，安裝時通過調(diào)節(jié)該裝置，可以保證波導(dǎo)絲的直線度，提高儀器的測量精度。另外，為了減少回波對測量的影響，在波導(dǎo)絲兩端均設(shè)置有消回波的材料。

3 電路設(shè)計

一體化磁致伸縮水位計集供電、采集、顯示、通信功能于一體，水位計的電路部分整體分為4個電路板進(jìn)行設(shè)計，包括主控電路板、電源板、電池充電控制電路板、紅外開關(guān)電路板，電路板之間通過插針或排線進(jìn)行連接。電路板上主要由電源管理、充電控制、MCU、RS485通訊單元、全網(wǎng)通無線通訊、ZIGBEE通訊、液晶顯控、存儲單元、傳感器測量單元、LCD顯示單元及紅外感應(yīng)開關(guān)等單元組成。其中， MCU、RS485通訊單元、全網(wǎng)通無線通訊、ZIGBEE通訊、液晶顯控、存儲單元、傳感器測量等單元設(shè)計在主控電路板上，充電控制、紅外開關(guān)、電源分別單獨(dú)設(shè)計一塊電路板，具體如圖3所示。

圖3 電路總體框圖Fig.3 Block diagram of the circuit

電源管理單元主要將鋰電池的12 VDC電源或外部6～28 VDC電源轉(zhuǎn)換為4.1 VDC和3.3 VDC電源，給本模塊電路及主控電路、紅外開關(guān)、液晶顯示等供電。同時根據(jù)各功能模塊的定義，采用獨(dú)立電源供電，通過MCU控制，在需要工作時供電，其余時間關(guān)閉，以實現(xiàn)低功耗，具體如圖4所示。

圖4 電源管理單元電路框圖Fig.4 Block diagram of power management circuit

其中鋰電池的12 VDC電源或外部6～28 VDC電源轉(zhuǎn)換為4.1 VDC采用了超低功耗、高轉(zhuǎn)換效率的LT3481芯片，其電源轉(zhuǎn)換效率能到達(dá)90%以上，靜態(tài)工作電流僅50 μA，是本水位計實現(xiàn)低功耗的重要一環(huán)節(jié)，其電路原理圖見圖5所示。

圖5 12 V電源轉(zhuǎn)換為4.1 V原理圖Fig.5 Schematic diagram of 12 V power conversion to 4.1 V

MCU單元采用STM32F103ZG核心處理器，該芯片性能強(qiáng)大，功耗低，成本低，能夠滿足一體化水位計對于MCU的性能要求。微控制器負(fù)責(zé)與各個功能模塊接口，采用IO口、UASRT串口、I2C總線與各個功能模塊連接實現(xiàn)監(jiān)控模塊應(yīng)用功能，滿足采集、通信需求，具體如圖6所示。

圖6 MCU芯片與其他功能模塊接口圖Fig.6 Interface diagram between MCU chip and other functional modules

全網(wǎng)通無線通訊單元與MCU通訊，將MCU計算出的液位等信息通過全網(wǎng)通天線傳輸至遠(yuǎn)程中心站。同時，本模塊在開機(jī)時給出GSM通信時間窗口，進(jìn)行重要或調(diào)試參數(shù)設(shè)置。為滿足遠(yuǎn)程控制要求，設(shè)置遙控通信時間窗口，通過短信進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可設(shè)置參數(shù)包括：目的地址IP、端口、工作模式、手機(jī)號、站號、水位基準(zhǔn)值。為實現(xiàn)本一體化水位計低功耗目標(biāo)，設(shè)計電源控制電路，由MCU定時開啟和關(guān)閉全網(wǎng)通通信模塊電源開關(guān)?？紤]到供電可靠性，留有外部電源接入接口。充電控制單元主要實現(xiàn)太陽能電源或外部直流電源輸入對鋰電池的充電控制。

LCD顯示單元采用背光型漢字液晶顯示器，主要實現(xiàn)水位、液位、運(yùn)行參數(shù)(系統(tǒng)時間、系統(tǒng)站號)、電池電壓等參數(shù)的實時顯示，同時通過受控電源供電，達(dá)到低功耗目的。

紅外感應(yīng)開關(guān)采用Si1141集成芯片，其集成度高，外圍器件少(如圖7所示)，僅需要對電源進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)電阻和電源去耦電容即可。其環(huán)境光傳感器能夠感應(yīng)高達(dá)128 kilolux的光照度。此外，Si1141的先進(jìn)架構(gòu)能夠在25 μs內(nèi)完成接近感應(yīng)測量，減少了極其耗電的紅外二極管的開啟時間，實現(xiàn)業(yè)界最低的系統(tǒng)功耗(9 μA平均電流，0.5 μA待機(jī)電流)。

圖7 紅外感應(yīng)開關(guān)原理圖Fig.7 Schematic diagram of infrared induction switch

另外，儀器預(yù)留流量換算公式設(shè)置窗口。根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)渠道(如：巴歇爾槽、梯形等)的經(jīng)驗公式，或是通過現(xiàn)場率定得到率定公式，通過預(yù)留流量換算公式設(shè)置窗口將公式導(dǎo)入，因這些公式都是 液位高度的函數(shù)，只要測得液位高度，儀器就可根據(jù)公式換算出當(dāng)時渠道的流量，最終直接輸出流量值。

4 技術(shù)指標(biāo)

①測量范圍：0～1 000、1 500、2 000 mm；②基本誤差：≤±0.1%FS；③不重復(fù)度：≤±0.05%FS；④遲滯性：≤ 0.1%FS；⑤環(huán)境溫度：-20～+60 ℃。

注：FS為儀器的測量范圍，單位為mm。

5 試 驗

5.1 性能試驗

性能測試平臺如圖8所示，該平臺是自主研發(fā)的標(biāo)定裝置，并得到水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心的認(rèn)可，平臺采用溢流方式，具有調(diào)平裝置，首先通過調(diào)節(jié)底座，將標(biāo)定管調(diào)整到豎直方向，再將校準(zhǔn)后的一體化水位計放置于標(biāo)定管內(nèi)，通過調(diào)節(jié)螺桿將一體化水位計同樣調(diào)整到豎直方向，同時保證一體化水位計的浮球能自由移動。

圖8 性能測試平臺Fig.8 Performance test platform

首先找儀器零點(diǎn)：先將溢流桶降低到約與水位計測桿底端在同一水平面位置處，然后緩慢往溢流桶內(nèi)加水，水通過連通管進(jìn)入到標(biāo)定管中，同時浮球隨水面升高，當(dāng)有水從溢流管流出時，快速往溢流桶內(nèi)加水(由于重力及慣性作用，水繼續(xù)往標(biāo)定管里流)，為保證加水過程中標(biāo)定管里的水面高于溢流管位置，溢流管要選擇稍細(xì)的水管，并且溢流管安裝位置要低于溢流桶上邊緣，當(dāng)水開始從溢流桶上邊緣流出時，停止加水，待水面穩(wěn)定后，記錄一體化水位計測值，同時將千分尺顯示屏清零，然后緩慢移動溢流桶，移動量為記錄的一體化水位計測值，最后再將千分尺顯示屏清零，待水面穩(wěn)定后，此處設(shè)為儀器零點(diǎn)。

性能測試：以100 mm為一個檔位，儀器共進(jìn)行3個正返程測試。

正程：首先將溢流桶升高100 mm，緩慢往里注水，注水方法與找零點(diǎn)時一致，待水穩(wěn)定后，記錄為第一檔時一體化水位計測值，然后再將溢流桶升高100 mm，再往溢流桶里注水，注水方法與第一檔時一致，待水穩(wěn)定后，記錄為第二檔一體化水位計測值，繼續(xù)此步驟，直到溢流桶升高1 500 mm(儀器滿量程)。

返程：緩慢向下移動溢流桶100 mm，待水面穩(wěn)定后記錄返程第一檔儀器測值，繼續(xù)向下緩慢移動溢流桶100 mm，待水面穩(wěn)定后記錄返程第二檔儀器測值，如此反復(fù)，直到千分尺回到零點(diǎn)。

第一個正返程測試結(jié)束。按此方法對儀器進(jìn)行3個正返程測試，測試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析如表1所示。

由表1試驗數(shù)據(jù)可知，在測量范圍內(nèi)，儀器的基本誤差、不重復(fù)度、遲滯性均在儀器設(shè)計要求范圍之內(nèi)。

5.2 穩(wěn)定性試驗

在室溫下，將一體化水位計與浮球同時固定在一試驗平臺上，保證兩者之間不出現(xiàn)相對移動，通過RS485通訊線與電腦連接，接通電源，儀器拷機(jī)時間為2017/11/10-2017/11/14，歷時4 d共計約96 h，測量頻率均為1 min/次，試驗數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)曲線圖Fig.9 Chart of stability test data

從圖9的試驗數(shù)據(jù)可知，儀器經(jīng)過近4 d的拷機(jī)試驗，測值變化不超過0.1 mm，雖然開始有上升的趨勢，但隨著時間的推移逐漸趨于穩(wěn)定，且測值在759.65 mm上下周期性變化，由此可知儀器穩(wěn)定性良好。

5.3 環(huán)境適應(yīng)性試驗

將儀器放入高低溫試驗箱，同時將儀器和浮球均固定在試驗箱體內(nèi)，測量在儀器設(shè)計溫度下能否正常工作，測量數(shù)據(jù)如表2。

表2 高低溫試驗數(shù)據(jù)表Tab.2 high and low temperature test data sheet

從表2數(shù)據(jù)可以得到，儀器在-20 ℃和60 ℃下均能正常工作，滿足儀器設(shè)計要求。

6 結(jié) 語

本文介紹了一款基于磁致伸縮原理研發(fā)的一體化水位計，該儀器集水位測量、流量換算、數(shù)據(jù)顯示和全網(wǎng)通通訊等功能為一體的多功能監(jiān)測設(shè)備。本文從測量原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計及電路設(shè)計出發(fā)，詳細(xì)介紹了磁致伸縮一體化水位計的設(shè)計研發(fā)過程，設(shè)計了標(biāo)定平臺，該平臺得到水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心的認(rèn)可，并在該平臺上進(jìn)行了儀器性能試驗，通過試驗驗證了儀器的性能指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計要求，為儀器市場推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)及試驗依據(jù)。而且，該儀器還通過了水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心進(jìn)行的委托檢驗，各項指標(biāo)均符合國標(biāo)《GB/T11828.5-2011水位測量儀器第5部分：電子水尺》1級精度的要求。目前，已有40臺儀器安裝在大安灌區(qū)綜合自動化及調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)中，已運(yùn)行一個灌季，狀態(tài)良好，得到了客戶的肯定。