陳杰中， 吳寧聲

(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.江蘇南水水務(wù)科技有限公司， 江蘇 南京 210012)

目前我國水文水資源現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備在出廠前性能測試都符合監(jiān)測精度要求，但在現(xiàn)場使用一段時(shí)間后，監(jiān)測精度是否仍能夠保持出廠時(shí)的精度，則缺乏現(xiàn)場檢驗(yàn)測試裝置進(jìn)行驗(yàn)證。目前，國內(nèi)外尚沒有成熟的水文儀器現(xiàn)場檢驗(yàn)測試技術(shù)和手段，因此研究便攜式水文儀器現(xiàn)場檢驗(yàn)測試技術(shù)符合提高水文測驗(yàn)精度的發(fā)展方向。

浮子式水位計(jì)作為水資源監(jiān)測的主要儀器，目前除了與現(xiàn)場水尺進(jìn)行目測比對之外，缺少科學(xué)的現(xiàn)場檢測手段。便攜式浮子式水位計(jì)檢驗(yàn)測試裝置(以下簡稱檢驗(yàn)測試裝置)解決了目前大量水位站使用中的浮子式水位計(jì)現(xiàn)場無法檢驗(yàn)測試的問題，該裝置體積小，質(zhì)量輕，實(shí)現(xiàn)了一種水文儀器在使用現(xiàn)場的快速檢測[1]。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 浮子式水位計(jì)測量誤差因素的分析

浮子式水位計(jì)監(jiān)測水位時(shí)，造成測量誤差的影響因素主要有[2]：

(1)水位計(jì)長期運(yùn)行導(dǎo)致水位輪槽底機(jī)械磨損、使得水位輪角位移量與對應(yīng)的水位變化不一致，造成測量誤差；(2)受惡劣環(huán)境因素或外力因素導(dǎo)致的水位輪銹蝕或鹽蝕、微動(dòng)開關(guān)與碼輪位置關(guān)系變化、水位輪軸及軸承等關(guān)鍵傳動(dòng)件的變形等；(3)傳動(dòng)鋼絲繩彎折或扭曲等。

使用者應(yīng)定期對浮子式水位計(jì)進(jìn)行檢測排查，若出現(xiàn)上述現(xiàn)象，需立即檢修并更換相應(yīng)配件。

1.2 測量內(nèi)容

被檢的浮子式水位計(jì)就是在現(xiàn)場使用中的水位計(jì)，因此檢驗(yàn)測試裝置在確定檢測方法時(shí)應(yīng)包含：檢測點(diǎn)的選擇、檢測速率的選擇、浮子式水位計(jì)量程選擇、浮子式水位計(jì)測量值、標(biāo)準(zhǔn)器采集值、數(shù)據(jù)記錄次數(shù)、數(shù)據(jù)處理方法、檢測結(jié)果的分析等。

被檢浮子式水位計(jì)為WFH-2A型浮子式水位計(jì)，檢驗(yàn)精度為3級精度，該款水位計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：浮子直徑：Φ150 mm；水位輪工作周長：320 mm；平衡錘直徑：Φ20 mm；測量范圍： 0～40 m；分辨力： 1 cm；水位變率：≤1 m/min；測量誤差：量程≤10 m時(shí)，±2 cm；量程>10 m時(shí)，±0.2%；輸出形式： 12 bit格雷碼(負(fù)邏輯輸出)；顯示方式： 5位機(jī)械數(shù)字顯示；工作環(huán)境：溫度為-10～+50℃(水體不結(jié)冰)；濕度：≤95% RH(40℃無凝露)。

圖1 檢測方法

1.3 檢測原理

檢驗(yàn)測試裝置由高精度角位移編碼器以及測量碼盤直徑計(jì)算鋼絲線性位移；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測速率模擬水位升降；數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)可同時(shí)分別采集被檢水位計(jì)與測量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)而計(jì)算出被檢水位計(jì)在各檢測點(diǎn)的測量誤差。檢測方法的示意圖如圖1所示。

1.4 測量模型

Δh=hm-hb

(1)

式中：Δh為被檢浮子式水位計(jì)的水位誤差值；hm為被檢浮子式水位計(jì)水位讀值；hb為水位的標(biāo)準(zhǔn)值(即高精度編碼器讀值)。

2 儀器研制

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢驗(yàn)測試裝置總體主要由高精度編碼器(軸端固定從動(dòng)輪)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(軸端固定繞線輪)、測控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、供電模塊、觸控模塊、導(dǎo)向輪和傳動(dòng)鋼絲繩等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.1 設(shè)計(jì)思路

檢驗(yàn)測試裝置的設(shè)計(jì)思路是：將現(xiàn)場被檢測浮子式水位計(jì)使用的鋼絲繩連接浮子的一端去掉浮子后直接繞在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繞線輪上，固定平衡錘的一端仍繞在被檢浮子式水位計(jì)的水位輪上，如圖2所示，鋼絲繩通過導(dǎo)向輪分別壓在被檢浮子式水位計(jì)水位輪和高精度編碼器從動(dòng)輪繩槽里，檢測時(shí)，鋼絲繩的移動(dòng)會(huì)驅(qū)使水位輪和高精度編碼器從動(dòng)輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，如果不出現(xiàn)鋼絲繩在輪上的打滑現(xiàn)象，則水位輪和高精度編碼器從動(dòng)輪記錄的鋼絲繩位移量應(yīng)該是一致的。通過設(shè)計(jì)，高精度編碼器記錄繩長的分辨力可以達(dá)到0.1 mm，能確保1 mm的水位檢測分辨力。

圖2 總體結(jié)構(gòu)1-調(diào)平底腳 2-導(dǎo)向輪 3-鋼絲繩 4-被檢水位計(jì)接口 5-繞線輪 6-圓水泡 7-從動(dòng)輪 8-被檢水位計(jì) 9-驅(qū)動(dòng)電機(jī) 10-供電模塊 11-觸控模塊 12-測控模塊 13-驅(qū)動(dòng)器 14-高精度編碼器

在儀器檢測范圍(0～10 m)內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)繞線輪，通過收放線模擬水位的升降。收放線速度可選擇，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定了40 cm/min和60 cm/min兩種水位變率。圖2中箭頭方向表示模擬水位下降時(shí)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)水位上升時(shí)方向相反。

為了達(dá)到便攜的要求，檢驗(yàn)測試裝置將所有模塊和器件集成化為一體式的機(jī)箱，外形尺寸為350 mm×220 mm×260 mm，質(zhì)量為10 kg，同時(shí)機(jī)箱上配有提手，方便攜帶至現(xiàn)場。

2.1.2 應(yīng)用操作方法

使用檢驗(yàn)測試裝置的目的是通過對比安裝在現(xiàn)場的浮子式水位計(jì)的測量值與裝置中高精度編碼器的測量值，比較兩者的誤差是否超過允許誤差范圍，如果是，則將該水位計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)后再投入使用，達(dá)到消除測量誤差的目的。

由圖2可以看出，圖示1調(diào)平底腳與圖示6圓水泡為一套調(diào)平裝置，在檢測工作開始前要做好調(diào)平；圖示3即現(xiàn)場的水位計(jì)所用的鋼絲繩，根據(jù)現(xiàn)場的浮子式水位計(jì)實(shí)際安裝位置，通過圖示2導(dǎo)向輪調(diào)整好相對位置與鋼絲繩包角，引入到圖示7從動(dòng)輪，經(jīng)過從動(dòng)輪后最終接入并固定與圖示5繞線輪周上。

由剖視圖可以看出，從動(dòng)輪固定于圖示14高精度編碼器的軸端，繞線輪固定于圖示9驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸端，當(dāng)檢測裝置啟動(dòng)工作模擬水位下降或上升時(shí)，電源控制單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞線輪作圓周運(yùn)動(dòng)將鋼絲繩收放，收放過程中帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)高精度編碼器能夠記錄下該位移量。

驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)進(jìn)行不同速率的轉(zhuǎn)動(dòng)來模擬不同的水位變率，但在一個(gè)上升和下降的過程中通常保持變率一致。

圖示12測控模塊中的數(shù)據(jù)處理單元可以同時(shí)采集高精度編碼器記錄的鋼絲繩位移量和圖示8被檢水位計(jì)的測量值，并進(jìn)行對比處理。如果不出現(xiàn)鋼絲繩在輪上打滑的現(xiàn)象，則被檢水位計(jì)所測得的水位數(shù)值和高精度編碼器記錄的鋼絲繩位移量應(yīng)該是在允許誤差范圍內(nèi)的。

2.2 控制裝置

控制裝置是檢驗(yàn)測試裝置的核心組件之一，控制裝置主要功能包括采集浮子式水位計(jì)和高精度編碼器讀值、計(jì)算水位計(jì)誤差、控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等。

控制裝置主要包括單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、串口通訊及電源管理等部分組成。其中以STC89C58RD+芯片為核心,該芯片具有高速、低功耗、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。

當(dāng)控制裝置收到測試指令后，控制裝置隨即啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采集浮子式水位計(jì)讀值作為檢測初始值，將浮子式水位計(jì)的格雷碼讀值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)；高精度編碼器讀值通過RS485通訊采集，并將讀值根據(jù)相應(yīng)系數(shù)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)輪行徑值；當(dāng)?shù)竭_(dá)對應(yīng)的測試點(diǎn)后控制裝置發(fā)出停止指令，計(jì)算出浮子式水位計(jì)水位值與高精度編碼器讀值誤差。

2.3 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和收線輪組成。驅(qū)動(dòng)裝置是用于驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪和浮子式水位計(jì)碼輪，從而模擬水位的變化。

步進(jìn)電機(jī)不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器?？刂破?脈沖信號發(fā)生器)可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。脈沖的個(gè)數(shù)和頻率通過控制裝置進(jìn)行控制。驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 驅(qū)動(dòng)裝置

2.4 高精度編碼器

高精度編碼器是整套裝備的核心組件之一，其精度的高低直接決定了檢驗(yàn)測試裝置的精度。通過選型確定的該款編碼器具有以下特點(diǎn)：

(1)兼容RS485/ASCII碼自由協(xié)議、Modbus-RTU協(xié)議、同時(shí)帶有模擬量4-20 mA或0-20 mA輸出；

(2)可軟件智能編程設(shè)定內(nèi)部參數(shù)，波特率地址任意設(shè)定，CRC校驗(yàn)方式、更方便連接；

(3)歐系標(biāo)準(zhǔn)安裝尺寸，軸型安裝或盲孔型安裝，安裝方便；

(4)通過RS485串口，更方便連接，可以匹配任何控制器跟PLC從而節(jié)省控制器成本；

(5)防護(hù)等級最高達(dá)IP68，工作溫度可達(dá)-40℃～5℃，可完美應(yīng)用與長時(shí)間水下工作

(6)具有安全鎖式軸承設(shè)計(jì)，可防止大尺寸優(yōu)質(zhì)軸承組在運(yùn)行和安裝期間由于軸向載荷較大而造成的不對心。

(7)可選擇不銹鋼防爆型重載編碼器，具有歐盟防爆等級認(rèn)證，為石油化工以及防爆設(shè)備保駕護(hù)航。

2.5 觸摸屏設(shè)計(jì)

檢驗(yàn)測試裝置的數(shù)據(jù)展示、參數(shù)設(shè)置等功能均通過觸摸屏完成。觸摸屏采用5.6英寸640×480點(diǎn)陣串口指令屏，利用DGUS軟件對觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，該開發(fā)軟件配套基于K600+內(nèi)核的 DGUS 屏使用，用戶可以通過電腦端的 DGUS 開發(fā)軟件對DGUS 屏進(jìn)行功能的開發(fā)與設(shè)計(jì)。其中儀器編號、檢測量程、檢測速度等參數(shù)通過在觸摸屏上設(shè)置后通過RS232串口發(fā)送給控制裝置；控制裝置將水位計(jì)讀值、高精度編碼器讀值、水位計(jì)誤差等結(jié)果發(fā)送給觸摸屏。設(shè)計(jì)界面見圖4。

圖4 設(shè)計(jì)界面

2.6 程序設(shè)計(jì)

軟件部分采用模塊化編程設(shè)計(jì)思想，采用C語言編程，開發(fā)環(huán)境是Keil uVision2。Keil uVision2是單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)軟件，支持眾多不同公司的MCS-51架構(gòu)芯片，同時(shí)集編輯、編譯、仿真等功能與一體，還支持 PLM、匯編和C語言程序設(shè)計(jì)[3]。程序流程圖見圖5。

圖5 程序流程

程序開始后啟動(dòng)系統(tǒng)初始化程序，系統(tǒng)初始化程序主要包括編碼器清零指令、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和觸摸屏初始化程序等；系統(tǒng)初始化后采集浮子式水位計(jì)讀值，當(dāng)水位值在3 000 cm以下時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，模擬水位上升；當(dāng)水位值在3 000 cm以上時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，模擬水位下降；啟動(dòng)檢測程序不斷采集高精度編碼器和浮子式水位計(jì)讀值，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的檢測量程后系統(tǒng)發(fā)出步進(jìn)電機(jī)停止指令，同時(shí)計(jì)算出高精度編碼器和浮子式水位計(jì)讀值的誤差。

2.7 主要技術(shù)指標(biāo)

檢測類型：格雷碼輸出水位計(jì)；檢測范圍：0～10 m；精度：1 mm；通訊接口：RS232

顯示：LCD觸摸屏；供電：DC 12V10Ah鋰電池組；功耗：靜態(tài)時(shí)小于80 mA，工作時(shí)小于2 A；工作環(huán)境：溫度0～50℃，濕度不大于95%；整機(jī)凈質(zhì)量：10 kg。

3 最大允許誤差檢測與示范應(yīng)用

3.1 裝置最大允許誤差檢測

裝置研制完成后在水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行最大允許誤差檢測，指標(biāo)要求水位變化范圍0～10 m內(nèi)最大允許誤差優(yōu)于5 mm[4]。檢測過程如下：

將裝置安裝在實(shí)驗(yàn)室固定位置，以便于檢測過程中樣品與標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的數(shù)據(jù)同步讀取。安裝位置選擇在水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心水位臺實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，利用現(xiàn)有的壓力式水位計(jì)時(shí)間漂移檢測平臺，將裝置固定在平臺頂部，鋼絲繩穿過在平臺頂部上事先預(yù)留好的孔，以保證模擬裝置正常的工作狀態(tài)，等待檢測。

檢測過程中，使裝置的鋼絲繩下端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下能夠自然懸錘在標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺旁，受檢設(shè)備在0～10 m范圍內(nèi)，分別以40 cm/min和60 cm/min升、降全過程，比測點(diǎn)1個(gè)/m，記錄裝置人機(jī)交互界面上所顯示的通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩所產(chǎn)生的位移量，以及用標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺所測量出的鋼絲繩實(shí)際位移量(即標(biāo)準(zhǔn)位移量)，計(jì)算示值誤差。檢測結(jié)果見表1。

表1 最大允許誤差記錄

通過檢測表明，裝置在0～10 m全過程檢測中各個(gè)測點(diǎn)均滿足最大允許誤差優(yōu)于5 mm的要求。

3.2 示范應(yīng)用

檢驗(yàn)測試裝置研制完成后太湖流域管理局部分站點(diǎn)進(jìn)行示范應(yīng)用，以太師橋水文站為例，該站位于浙江省嘉興市桐鄉(xiāng)市，為國家基本水文站。站內(nèi)安裝的水位計(jì)為南水牌WFH-2A型浮子式水位計(jì)，準(zhǔn)確度等級為3級，測量范圍在0-10 m時(shí)，最大允許誤差為2 cm。因該站點(diǎn)水位井較淺，因此選用300 cm量程進(jìn)行測試，即當(dāng)模擬水位上升300 cm后模擬水位下降300 cm,當(dāng)中每100 cm檢測一次數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 浮子式水位計(jì)檢測

(續(xù)表2)

經(jīng)過上升和下降各300 cm水位變化的測試，每100 cm間隔水位誤差均小于2 cm，因此該浮子式水位計(jì)符合規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

本文介紹的便攜式高精度浮子式水位計(jì)檢驗(yàn)測試裝置體積小、質(zhì)量輕、易于攜帶，技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，解決了浮子式水位計(jì)現(xiàn)場檢測的問題。同時(shí)，裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，檢測過程無需人為干預(yù)，自動(dòng)化程度高，改變了原有浮子式水位計(jì)的檢測模式，填補(bǔ)了國內(nèi)現(xiàn)場檢測裝置的空白，保證了現(xiàn)場浮子式水位計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高了水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為國家水資源高效開發(fā)利用提供了有力的基礎(chǔ)支撐。