集線式水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

宋子龍，魏永強，陳金干，王 祥

(湖南省水利水電科學研究所，長沙410007)

大壩安全監(jiān)測是最近幾十年中發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)學科，20世紀70年代以前稱為大壩原型觀測［1－2］，即在大壩原型中設(shè)置觀測儀器進行現(xiàn)場測量，以期獲得一些能反映大壩結(jié)構(gòu)變化的特征量。20世紀20年代最早開始原型觀測是采用大地觀測法觀測大壩的變形;30年代初美國利用卡爾遜式儀器開展了大壩的內(nèi)部觀測。然而由于觀測設(shè)備本身精度不高、可靠性及穩(wěn)定性差［3－4］，以及隨著時間推移觀測設(shè)施的不斷陳舊及設(shè)備的自然老化等原因?qū)е掠^測數(shù)據(jù)的傳輸滯后和失真，以至于隨著20世紀30～70年代世界各國的筑壩高潮，大壩失事時有發(fā)生，造成的巨大災害引起了國際社會的高度重視。因此各國紛紛開始研制高精度、高可靠性的智能采集系統(tǒng)［5－7］:如美國基康、南京葛蘭、南瑞科技、南自所等都相繼研制出了自己的采集系統(tǒng)，而且各自的測量精度及穩(wěn)定度都較以前有了很大的提高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定度及系統(tǒng)的智能化也有了較大改進。

本文設(shè)計了一種集線式水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分以 LPC2368FBD和STC12C5410AD為核心，將滲壓計、滲流計、水位計、溫度計、雨量計等傳感器連接至采集系統(tǒng)，通過應答、自報或應答與自報相結(jié)合的模式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至大壩端服務器;接著通過公網(wǎng)或移動的APN專網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至省大壩中心數(shù)據(jù)庫，此種傳輸方式即保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性［8－10］，又保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?1－12］;最后通過后臺處理對水庫大壩的運行性態(tài)做出評價并將評價結(jié)果及時發(fā)送給相應的水行政主管部門，以便他們針對可能出現(xiàn)的災情做提前預防。軟件部分通過定時或?qū)崟r發(fā)送采集命令，控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。

1 水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的集線式水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分由激振電路、頻率檢測電路、溫度檢測電路、開關(guān)量電路及單片機組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示，以下將對各個重要組成電路的工作原理進行詳細介紹。

圖1 水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

1.1.1 激振電路

激振電路采用掃頻激振技術(shù)，即用一個頻率可調(diào)節(jié)的信號去激勵振弦式傳感器的激振線圈，當信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦迅速達到共振狀態(tài)。由于激勵信號的頻率易采用軟件控制，因此，只要知道振弦固有頻率的大致范圍(一般來說，對一種已知的傳感器其固有頻率的大致范圍是確定的)，就可用該范圍內(nèi)的激勵信號去激發(fā)它，以使得振弦快速起振，圖2為激振電路。

圖2 激振電路

1.1.2 頻率檢測電路

拾振線圈中感生電勢的頻率檢測電路由兩部分組成，一是濾波電路，采用兩級低通濾波法;二是過零比較電路，采用過零比較法，從比較器的輸出端得到頻率信號。其電路圖如圖3所示。

圖3 頻率檢測電路

由圖3可知，U1和U2組成兩級有源低通濾波電路;C1，R3及 C3，R6，分別構(gòu)成第 1、2 級有源濾波電路的阻－容網(wǎng)絡(luò);U3作為比較器，形成過零比較電路。由于感生電勢是一個周期信號，所以待測信號的頻率也就是周期性的方波 U3的輸出fout的頻率。

1.1.3 溫度檢測電路［13］

振弦式傳感器中內(nèi)置Pt100電阻式溫度傳感器，該傳感器的測溫原理是:將電阻的變換轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)計算得滲壓計所在部位處滲壓(孔隙)水的實際溫度值。其原理圖如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路

由圖4可知R12、R13、R14及運放U4(U4和U5是低溫漂、高阻抗的運算放大器)共同組成一個恒流源電路，由式(1)計算得出穩(wěn)定的電流值I，其計算公式如下所示:

圖4中，由于在A和B之間接有Pt100電阻式溫度傳感器，所以檢測通過AD轉(zhuǎn)換器的采樣值，就可根據(jù)式(2)，計算出A和B之間的電壓值u，其計算公式如下所示:

其中AD采樣值就是將Vout模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量;212表示A/D轉(zhuǎn)換器是12位的。

接著根據(jù)式(3)計算得出Pt100的實際電阻值r，其計算公式如下所示:

最后根據(jù)式(4)得滲壓計所在部位處滲壓(孔隙)水的實際溫度t，計算公式如下:

其中t表示攝氏溫度，lnr表示阻值的自然對數(shù)，其中系數(shù) A=1.4051×10－3(在－50 ℃至+150 ℃范圍內(nèi)計算有效)，B=2.369×10－4，C=1.019×10－7。

1.1.4 開關(guān)量電路

本系統(tǒng)中的開關(guān)量電路主要用于測量庫區(qū)水位和雨量，其原理分別如圖5、圖6所示。

圖5 水位采集原理圖

圖6 雨量采集原理圖

由圖5可知，水位采集的工作原理是:經(jīng)水位傳感器編碼為二進制信號的水位信息Win通過三態(tài)緩沖器U6后，將輸出信號Wout送入CPU解碼，CPU經(jīng)軟件譯碼和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，便可得實際水位值。

由圖6可知，雨量采集的工作原理是:首先斯密特觸發(fā)器U7、U8對雨量脈沖信號Rin進行整形和放大，形成一個窄脈沖Rout;接著將Rout送入CPU外部中斷，CPU響應外部中斷后累加該次雨量脈沖數(shù)并將當前采樣值和累加值保存在CPU內(nèi)部的E2PROM中，以此達到測量雨量的目的。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計的總體思想

本文設(shè)計的集線式水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分由系統(tǒng)初始化、頻率測量、滲壓計所在部位處滲壓(孔隙)水的溫度測量、庫區(qū)水位測量、庫區(qū)降雨量測量、環(huán)境溫度測量、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)發(fā)布等幾個主要部分組成。其組成框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)組成框圖

1.2.2 軟件控制流程

按照以上電路設(shè)計原理及系統(tǒng)組成框圖，系統(tǒng)軟件編程控制的基本思路是:首先對系統(tǒng)進行初始化;接著激勵電路激振傳感器工作，檢測電路對信號檢測、放大、整型、處理，最后得到所需的測量信號;同時A/D轉(zhuǎn)換器將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字的電壓信號，轉(zhuǎn)換后和恒流源電路配合得出溫度傳感器的電阻值，繼而得出滲壓計所在部位處滲壓(孔隙)水的實際溫度;最后測量庫區(qū)水位、雨量、環(huán)境溫度，并將所有測量數(shù)據(jù)傳送至省大壩中心服務器數(shù)據(jù)庫進行處理及將處理結(jié)果實時的顯示在水利信息發(fā)布平臺上，其程序控制流程圖如圖8所示。

圖8 程序控制流程圖

2 實驗與結(jié)果

將本文設(shè)計的集線式水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)應用于大壩安全監(jiān)測實驗室，在實驗室用1 000 m長通信電纜模擬水庫現(xiàn)場的通信距離，分別測量了滲壓水位值、庫區(qū)水位值和降雨量值，并將測量值與實際值做比較。在試驗中由于溫度是最大的影響因子，所以為驗證本系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、數(shù)據(jù)傳送的及時性及正確性，分別在環(huán)境溫度為2℃、18℃、35℃進行了相應試驗，且每次試驗時間都持續(xù)5個月。試驗結(jié)果分別從每個月中隨機抽取兩組數(shù)據(jù)進行組合。其結(jié)果如表1～表3及圖9～圖11所示。

其中表1、表2、表3中理論誤差的計算公式如下:

式(5)中，Sacc:傳感器的精度;Cacc:采集儀精度;F:傳感器滿量程值。

由于本次試驗所選滲壓計的精度為±0.1%，滲壓采集儀的精度為±1%;水位計的精度為±0.25%，水位采集儀的測量精度為±0.025%;雨量計的測量精度為±1.5%，雨量采集儀的測量精度為±1.5%，所以由式(5)得測量滲壓水位的理論誤差為0.02;測量庫區(qū)水位的理論誤差為0.005;測量雨量的理論誤差為 0.03。

表1 2℃下的實驗數(shù)據(jù)表

圖9 2℃時的測量值與實際值比較圖

圖10 18℃時的測量值與實際值比較圖

表3 35℃下的實驗數(shù)據(jù)表

圖11 35℃時的測量值與實際值比較圖

由表1～表3和圖9～圖11得:

(1)滲壓水位測量值與滲壓水位實際值非常接近;滲壓水位測量誤差明顯低于理論誤差;測量值曲線和實際值曲線幾乎重合;

(2)測量庫區(qū)水位誤差明顯低于理論誤差;測量庫區(qū)雨量在18℃時的測量值與實際值非常接近，但在2℃和35℃時，測量庫區(qū)雨量與實際值由于溫度的影響有微弱的差別;

(3)降雨量測量值與降雨量實際值非常接近;測量降雨量誤差明顯低于理論誤差;測量值曲線和實際值曲線幾乎相同;

由以上實驗結(jié)果可得:本文設(shè)計的集線式水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度高、線性度好，且系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)采集、傳輸正確、可靠。

3 結(jié)論

將本文設(shè)計的集線式水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)應用在仙嶺水庫、梅埠橋水庫、大溪水庫、東坑水庫等25座水庫大壩現(xiàn)場，結(jié)果表明:在測量精度、穩(wěn)定性、實時性、可靠性等方面都滿足要求，而且整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定、線性度好、能連續(xù)較好地工作，更重要的是本系統(tǒng)的設(shè)計方法為以后進一步研究水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了理論與實驗依據(jù)。

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