帶有姿態(tài)傳感器的數(shù)字水位水溫監(jiān)測(cè)儀研發(fā)

李建平 張曦明 張景

(河南水文水資源局 河南鄭州 450004)

1 背景

目前普遍采用的水位監(jiān)測(cè)設(shè)備有浮子式、壓力式等方式水位計(jì)，單排電極觸點(diǎn)式等設(shè)備，因受到泥沙淤積、含沙量高、天氣、溫度、漂浮物、結(jié)冰、(水)介質(zhì)、泡沫等因素的不同程度的影響，并且還存在不能有效的區(qū)分有水和無水的問題。并因其功耗大、沒有供電電源的因素實(shí)現(xiàn)不了水位、水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。隨著國家近年來對(duì)水文、水資源、防洪等系統(tǒng)和其它涉及水位、水溫測(cè)驗(yàn)行業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需求量的增大，精度要求的提高，傳統(tǒng)的水位、水溫測(cè)量精度、性能要求、可靠程度均有可改進(jìn)的空間。存在的的技術(shù)問題是：因水文（位）站設(shè)備安裝地理環(huán)境所限，導(dǎo)致有的地方設(shè)備不能夠垂直安裝，只能傾斜安裝，有的安裝位置、地質(zhì)條件較復(fù)雜，常變動(dòng)，傾斜角度也隨之改變，水位值要求是垂直90°計(jì)算，所以每次現(xiàn)場(chǎng)的安裝，傾斜角度的測(cè)量數(shù)據(jù)換算較煩瑣，出現(xiàn)誤差，需要較正，給基層工作人員增加了較大工作量，也影響資料的精度。

2 技術(shù)原理

帶有姿態(tài)傳感器的數(shù)字遠(yuǎn)傳水位水溫監(jiān)測(cè)儀，含有數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上設(shè)置有水位探測(cè)感應(yīng)器和水溫探測(cè)感應(yīng)器，水位探測(cè)感應(yīng)器采用雙排間隔設(shè)置，并且，上下相鄰的所述水位探測(cè)感應(yīng)器交叉排列，增大相鄰所述水位探測(cè)感應(yīng)器之間的間距。數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)通過無線或有線傳輸?shù)剿谋O(jiān)測(cè)站，并通過RTU設(shè)備實(shí)現(xiàn)多形式的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和接收。數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)設(shè)置有內(nèi)置太陽能充電板以及外置防水電源接頭和外置防水天線接頭，外置防水天線接頭與天線連接；數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)還設(shè)置有姿態(tài)調(diào)整器，所述姿態(tài)調(diào)整器包括姿態(tài)傳感器芯板、自動(dòng)測(cè)算芯板和外圍電路，自動(dòng)監(jiān)測(cè)姿態(tài)數(shù)值，并對(duì)設(shè)備安裝垂直度數(shù)值上傳實(shí)時(shí)進(jìn)行修正。內(nèi)置太陽能充電板通過整流器與內(nèi)置可充電電池連接，所述內(nèi)置可充電電池采用鋰電池，所述外置防水電源接頭連接所述內(nèi)置可充電電池和外部電源。自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的下端設(shè)置有密封電路對(duì)接器，延伸所述自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的測(cè)量深度。數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器選用耗電量低的CMOS譯碼及編碼電路，一次性集成在電路里，并且封裝于高級(jí)盒式絕緣專用配線密封盒里，進(jìn)行加壓灌膠密封。自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用不銹鋼雙排列電極觸點(diǎn)和電子芯板組成，所述雙排列電極觸點(diǎn)交叉排列，作為所述水位探測(cè)感應(yīng)器。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)產(chǎn)品依靠水自身的導(dǎo)電性能，參照人工觀測(cè)水尺監(jiān)測(cè)水位和水溫的方式，結(jié)合先進(jìn)的電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)研制開發(fā)而成，采用雙排電極觸點(diǎn)式水位、水溫測(cè)量方式，解決了單排電極觸點(diǎn)式水位計(jì)存在的難以克服的缺點(diǎn)，測(cè)量誤差小于1cm，具有脫水標(biāo)志，投資小不需要建測(cè)井，不受泥沙淤積、天氣、溫度、波浪、飄浮物、結(jié)冰、流冰、水質(zhì)、泡沫等因素的影響。帶有姿態(tài)傳感器的數(shù)字水位水溫監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)外觀剖面見圖。

圖1和圖2中1-外置防水電源接頭，2-外置防水天線接頭，3-數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)，4-水位探測(cè)感應(yīng)器，5-自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，6-密封電路對(duì)接器，7-內(nèi)置太陽能充電板，8-姿態(tài)調(diào)整器。

帶有姿態(tài)傳感器的數(shù)字遠(yuǎn)傳水位水溫監(jiān)測(cè)儀含有數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)3和自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器5，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器5上設(shè)置有水位探測(cè)感應(yīng)器4和水溫探測(cè)感應(yīng)器，其中：水位探測(cè)感應(yīng)器4采用雙排間隔設(shè)置，并且，上下相鄰的水位探測(cè)感應(yīng)器4交叉排列，增大相鄰水位探測(cè)感應(yīng)器4之間的間距，數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)3通過無線或有線傳輸?shù)剿谋O(jiān)測(cè)站，并通過RTU設(shè)備實(shí)現(xiàn)多形式的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和接收，數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)3設(shè)置有內(nèi)置太陽能充電板7以及外置防水電源接頭1和外置防水天線接頭2，外置防水天線接頭2與天線連接；數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)3還設(shè)置有姿態(tài)調(diào)整器8，姿態(tài)調(diào)整器8包括姿態(tài)傳感器芯板、自動(dòng)測(cè)算芯板和外圍電路，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)姿態(tài)數(shù)值，并對(duì)設(shè)備安裝垂直度數(shù)值上傳實(shí)時(shí)進(jìn)行修正。

使用時(shí)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器放置在水中，水位探測(cè)感應(yīng)器和水溫探測(cè)感應(yīng)器監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)時(shí)上傳給數(shù)字處理遙測(cè)終端機(jī)，進(jìn)行數(shù)字整合處理后實(shí)時(shí)上傳給水文監(jiān)測(cè)站。

圖1 數(shù)字水位水溫監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)外觀剖面圖

圖2 7-內(nèi)置太陽能充電板

4 應(yīng)用成效

監(jiān)測(cè)儀器將電極觸點(diǎn)作成了雙排電極觸點(diǎn)電路，電極觸點(diǎn)交叉排列，電極觸點(diǎn)間距增大一倍，使雨水、水流、含泥沙量大、水質(zhì)體差水體不能附著在電極觸點(diǎn)之間，且不能停留，形成不了電極觸點(diǎn)短接，也就解決了因此造成水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差數(shù)值大的問題，從而提高了測(cè)量的精度。設(shè)計(jì)制作了專用獨(dú)立高性能外置鋰電池，太陽能電源充電的不間斷電源供電系統(tǒng)，作為備用電源，平時(shí)存儲(chǔ)電量，待內(nèi)置缺電時(shí)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)充，保證設(shè)備正常運(yùn)行，也可以用作便攜式電源直接用于設(shè)備供電，定時(shí)充電交替更換使用，十分方便。從電路設(shè)計(jì)、芯片和原件都進(jìn)行優(yōu)選，選用耗電量低的CMOS譯碼及編碼電路，一次性集成在電路里，解決了集成低、功耗高這兩個(gè)技術(shù)問題，通過一次性集成和封裝，不但改善了設(shè)備的一致性，而且還提高了設(shè)備的使用可靠性。一次集成封裝的電路芯板是采用專業(yè)制造的電路板，其強(qiáng)度好耐腐蝕，將完整電路芯板封裝于絕緣專用配線密封盒里，進(jìn)行加壓灌膠密封，既改善了電路板強(qiáng)度、韌性，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的防水性能、防腐蝕和抗老化性能。在設(shè)計(jì)集成電路里增加了獨(dú)立高科技姿態(tài)傳感器，由姿態(tài)傳感器芯板、自動(dòng)測(cè)算芯板和電路組成，通過姿態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整轉(zhuǎn)換器，自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、計(jì)算水位監(jiān)測(cè)儀安裝姿態(tài)產(chǎn)生的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備安裝垂直度數(shù)值上傳實(shí)時(shí)進(jìn)行修正。從而減輕了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，減少了資料誤差，提高了資料的精度。

測(cè)驗(yàn)人員通過使用本次開發(fā)的水位監(jiān)測(cè)儀能隨時(shí)、隨地通過計(jì)算機(jī)和手機(jī)獲取實(shí)時(shí)水位、水溫?cái)?shù)據(jù)，為水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)和水量調(diào)度系統(tǒng)中的水位數(shù)據(jù)收集和水溫?cái)?shù)據(jù)收集提供了新的可靠手段。

本產(chǎn)品已應(yīng)用于水庫、河流、湖泊、渠道、水井、涵閘等處的水位、水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)，也應(yīng)用于海洋波浪爬坡、河流、渠道的水位、水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)。由于設(shè)計(jì)了便攜式密封電路對(duì)接器，使設(shè)備便于攜帶、安裝，特別適用于水文、水資源保護(hù)巡測(cè)、河流洪水搶測(cè)。由于具有脫水標(biāo)志，可以用于漫灘、水文測(cè)船的水位、水溫的監(jiān)測(cè)。