低成本磁感應浮子水位計研發

謝崇寶，高 虹，白 靜，黃 斌，湯 博

(1.中國灌溉排水發展中心，北京 100054；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048)

0 前 言

根據水位計工作原理的不同，可以將水位計分為：壓力式水位計、浮子式水位計、超聲波水位計和激光水位計。壓力式水位計根據壓力與水深成正比關系的靜水壓力原理，運用壓敏組件作傳感器來測量水位。超聲波式水位計利用超聲波反射的原理來測量水位，傳感器向水面發射超聲波，超聲波遇到水面立即發生反射，采用傳播的時間、安裝高度間接計算水位。浮子式水位計利用浮子跟蹤水位升降，以機械方式直接傳動記錄水位，浮子式水位計需有測井設施。激光水位計與超聲波水位測量水位的原理相似，采用激光反射的原理來測量水位。由于在農田水位的灌溉渠道一般為規則斷面，在恒定均勻流動假設的前提下，在水位-流量關系曲線上，水位與流量存在一一對應關系，根據水位可以推求出斷面的過水流量，因此在利用儀器測量灌區渠道的流量方面，采用水位計比較簡單實用。

在我國，浮子水位計的研發和使用可以追溯到20世紀70年代[1]。2006年，祝玲等人研制了適用于自動測量引黃灌區斗口流量的智能浮子式水位計[2]，其利用倒置的量筒中浮子傳感器移動測量水位的變化情況，不需要安裝在專門的測井內，但在渠道水流中泥沙含量過大的情況下，容易在量筒中淤積，從而水位計無法正常工作。謝崇寶和黃斌改進了機械式浮子水位計，引入了電子存儲設備，可以實時記錄并存儲水位的變化過程[3]。2012年，侯煜等人對傳統的機械式浮子水位計進行了改進，研制了新型浮子水位計，采用上下輪的封閉式結構，改進了浮筒與重錘，減少了測繩與轉輪打滑的可能性[4]。

1 工作原理

機械式浮子水位計工作原理如圖1所示，根據浮筒和重錘的受力有：

Gft-Fft=Gzc-Fzc

(1)

式中：Gft為浮筒受到的重力；Fft為浮筒受到的浮力；Gzc為重錘受到的重力；Fzc為重錘受到的浮力。

圖1 機械式浮子水位計工作原理示意圖

重錘受到的浮力為：

Fft=Gft-Gzc+Fzc

(2)

對于確定的機械浮子水位計來說，Fft為一固定值，由于浮筒受到的浮力一定，也就是說浮筒總是保持同樣的浸沒深度。水位上升Δ時，浮筒跟蹤水面變化，浮筒也上浮Δ的距離，重錘會牽引懸索下降同樣的距離。當水位下降時，原理類似。懸索移動帶動轉輪產生轉動，與轉輪同軸的編碼器也隨之轉動，并輸出編碼值到數據采集裝置，采集裝置根據編碼值計算得到實際水位值。傳統的浮子水位計的缺點有：①當重錘露出水面時，會產生一定的誤差；②當水位變化劇烈時，可能造成懸索打滑；③需要安裝在測井中。

在本文中研發了一種新型磁感應浮子水位計(圖2)。磁感應浮子水位計測桿內等距布設磁敏開關，磁浮球懸浮在水面上，在水位變化時，磁浮球跟隨水面沿著測桿上下移動。

圖2 磁感應浮子水位計示意圖

磁浮球受到的浮力為：

Ffq=Gfq

(3)

式中：Gfq為磁浮球受到的重力；Ffq為磁浮球受到的浮力。

對于確定的磁感應浮子水位計來說，由于磁浮球受到的浮力一定，磁浮球總是保持同樣的浸沒深度。如圖3所示，磁浮球內部的磁敏開關6會閉合，數據采集裝置根據電流信號，判斷磁敏開關6的位置計算得到水位。為了防止水位短時間內的劇烈波動帶來的誤差，數據采集裝置在短時間內采集30次數據，只存儲其平均值作為本次的觀測值。磁感應浮子水位計的量程取決于測桿的長度，其精度取決于磁敏開關的間距。

圖3 局部放大圖

2 關鍵構件及特點

磁感應浮子水位計如圖4所示，組成部分有：

圖4 磁感應浮子水位計的整體效果

(1)磁浮球：磁浮球懸浮在水面上，當水位變化時，磁浮球沿著測桿上下移動，追蹤水面的變化。

(2)測桿：內置磁敏開關，磁敏開關在磁浮球磁場的作用下，會由斷開狀態轉換為閉合狀態，接通電路，產生電流信號。

(3)數據采集、存儲模塊：位于磁感應水位計頂部的密封盒中，其功能為按照設定的時間間隔，采集電流信號，將電流信號轉換為數據信號，并存儲起來。

(4)通信模塊：位于獨立的密封盒中，支持GPRS/CDMA通訊方式，由外部供電，在實時通訊狀態下，通過GPRS/CDMA模塊將水位測量數據發送到計算機上。

磁感應浮子水位計的數據采集、轉化和存儲模塊設計為一體，可以提高效率，降低功耗。在非實時通訊的狀態下，2節5號電池可工作一年。電路板、磁敏開關、采集存儲模塊、電池都密封在水位計的測桿或頂部密封盒內，不接觸水體?？梢栽诓捎檬殖謹祿ㄓ嵔K端，對磁浮子水位計進行參數設置，讀取水位資料。磁感應浮子水位計采用電磁感應的方式獲取水位信息，不再采用機械傳動的方式，解決了懸索可能變形及打滑脫落問題。整個水位計的密封性較好，僅在更換電池時需打開密封蓋，因此不受其可以克服壓力式水位計的缺點，不受水體中的泥沙影響。同時磁感應浮子水位計受溫度等環境因素影響不大，不需要進行溫度修正。

3 使用效果及評價

在我國的大部分灌區水位計的量程較小，主要集中在0.5和1 m，采用磁敏開關作為水位感應器件的優點為在水位計量程較小時成本低廉，有利于在灌區管道中大量推廣。磁感應浮子水位計的精度取決于磁敏開關的密度，試制了精度1和0.5 cm，量程為0.5和1 m的磁感應浮子水位計。將試制的水位計安裝在山東省濱州市簸箕李灌區的渠道上，使用情況良好。

[1] 姚永熙. 浮子式水位計綜述[J]. 水利水文自動化，1992,(2):23-26.

[2] 祝 玲，盧勝利，馬國華，等. 智能浮子式水位計[J]. 傳感器與微系統，2006,(6):52-54.

[3] 謝崇寶，黃 斌. 低功耗自記式浮子水位計[J].中國農村水利水電，2006,(1):113-114.

[4] 侯 煜，于興晗，張 軍，等. 新型浮子式水位計的研制與應用[J]. 水利信息化，2012,(5):36-39.