AFS型測流平臺水文信號采集方案的研究應用

劉力行，武利生，張金柱，盧海文

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

2020年入汛以后，長江中上游地區發生多輪強降雨，多于常年同期，根據長江流域各水文站的觀測數據，多座水庫提前泄洪，保證了包括三峽水庫在內的蓄洪能力［1］。因此，2020年汛期降水量雖然遠超1998年汛期，但并未發生如1998年一般的洪澇災害，這其中各水文站的水文自動測流數據功不可沒。

AFS型測流平臺目前應用于黃河中游流域各大水文站如吳堡水文站和府谷水文站用于實現智能化，高精度測流［2］。測流過程中，水文站工作人員需要測量河流橫斷面上若干個位置的水深和流速數據，文獻［3］中測流平臺能夠實現自動前進至特定位置，即起點距（測流平臺與起點之間的距離）的自動控制，但水深和流速數據的測量依然需要人工參與。

目前的流速測量方式分為接觸式和非接觸式測量［4］，接觸式測量方式通過把旋槳流速儀的兩極接線柱接入到蜂鳴器中，通過水文站工作人員數蜂鳴器的響聲，結合秒表來進行人工計數得到流速，或者把接線柱接入到測速手持盒中，由測速盒進行計算得到流速，該方案需要人員長時間停留在測流平臺上進行操作，同時人工計數的方式有很大的錯誤可能；非接觸式測量方式通過雷達結合多普勒效應進行測量［5］，但雷達測速儀只能施測過水斷面的水面流速，且必須采取其他辦法測量過水斷面面積，還要尋求水面流速與斷面平均流速的函數關系。對過水斷面的水面波反射不明顯的河流、水面波汽化現象（水波翻動氣化后形成白色浪花）嚴重的河流，以及過水斷面頻繁變化而施測斷面又困難的河流等，其精度會受到影響［6］。

水深的測量有兩種方法，一種是通過讀取測深桿的刻度來獲取，這種測深方式需要長時間的專業訓練才能保證測深的準確度且具有一定危險性，另外一種是通過超聲波測深儀來進行測深，但這種測深辦法受水中的魚群以及泥沙等漂浮物影響較大，且容易受自然聲波干擾，精度難以保證［7］。

綜合各方面因素，ACS系統的測流方案采用旋槳流速儀結合增量式編碼器獲得水深和流速，該方案的實現關鍵在于水面信號、流速信號、水底信號的獲取。

2 整體原理

本方案基于文獻［1］中所設計的自動測流平臺，該平臺為本團隊自主設計研發，目前已經應用與黃河中游局多個水文站的自動測流。

2.1 自動測深方案介紹

懸桿測流裝置安裝有旋槳流速儀，它的垂直升降運動通過懸桿升降電機帶動鋼絲繩來進行驅動，鋼絲繩帶動懸桿運動的同時帶動導向輪上的增量式編碼器，從而實現了對懸桿相對于懸桿零點的距離的記錄，如圖1所示。以懸桿初始位置為原點，懸桿運動方向為x坐標軸。自動測深過程由以下步驟完成：（1）設定流速儀接線柱距離托盤底部的垂直距離s；（2）懸桿由初始位置開始下降，通過增量式編碼器記錄x坐標值；（3）流速儀接線柱入水瞬間，記錄懸桿坐標值x1；（4）懸桿托盤接觸河底時，記錄懸桿坐標值x2；由幾何關系，可以計算出水深H滿足下式：

圖1 測深坐標示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Sounding Coordinates

2.2 自動測流速方案介紹

旋槳流速儀的流速計算公式如下：

納米氧化鈣(Nano-CaO，簡稱Ca)、納米氧化硅(Nano-SiO2，簡稱Si)和膨潤土(Bentonite，簡稱Be)的混合比為Ca∶Si∶Be=4∶6∶100(質量比)。為了便于對比分析，也制備了其他不同摻入比例的壓實樣，即Ca∶Si∶Be=0∶0∶100、Ca∶Si∶Be=4∶0∶100和Ca∶Si∶Be=0∶6∶100。

式中：V—測流時段內平均流速（m∕s）；K—槳葉水力螺距；C—流速儀常數；T—測流時常（單位為S）；N—每產生一個信號內旋轉部件旋轉圈數；ɑ—T時段內信號數。

自動測流速的過程通過PLC來實現，在預設好測速時間，進入測速狀態后，旋槳流速儀每轉20圈發一個流速信號，有PLC計數器計算規定時間內流速儀的信號數，并根據公式計算出流速。

3 信號采集原理

3.1 水底信號采集

水底信號的采集在測流過程中最為困難，但卻必不可少。經過反復的探討與試驗，設計了轉臂式失重開關，如圖2所示。它在懸桿觸底時會由于失重把信號采集回來。

圖2 轉臂式失重開關原理圖Fig.2 Schematic Diagram of Rotary Arm Weightless Switch

其水底信號檢測原理是：當懸桿懸空時，承載懸桿的鋼絲繩緊繃，中間的失重檢測輪被鋼絲繩卡在A位置，此時金屬擋片B貼近接近開關，接近開關處于常閉狀態；懸桿觸底后，鋼絲繩松開，失重檢測輪失去了承重，受重力自然下墜到D位置，此時金屬擋片遠離了接近開關，使得接近開關處于常開狀態。當接近開關斷開即為水底信號。

3.2 水面信號與流速信號的采集

水面信號與流速信號由旋槳流速儀產生，信號由信號采集儀來實現采集，其原理，如圖3所示。信號收集儀使用STM32F103作為主控芯片，采用單片機內部A∕D轉換電路采集信號，旋槳流速儀的兩接線柱一端接電源負極，另一端接入到STM32F103的模擬量輸入口且通過限流電阻接入到STM32F103的3.3V供電模塊。假設水阻為R2，流速儀導通時的電阻為R3［8］。

圖3 電路原理圖Fig.3 Circuit Schematic

當流速儀未入水，且尚未導通時，A0模擬量輸入口輸入的電壓為3.3V，此時對應到F103里面的模擬量值V為4095左右，大于參考值Vsurf（流速儀入水時臨界電壓對應的模擬量值），F103不做處理；流速儀入水瞬間，相當于在流速儀兩端并聯了水阻R2，K1閉合，此時的分壓值為V=（R2∕R1）*3.3V，小于參考值Vsurf，F103置Sur輸出口為高位，經反相器輸出低位從而光耦1導通，輸出24V電壓到PLC的水面信號輸入口；同理，流速儀在水中導通時，由于流速儀電阻R3約等于短路，此時讀取到的模擬量值小于Vliu（流速儀導通時臨界電壓對應的模擬量值），F103置Liu輸出口為高位，經反相器輸出低位從而光耦2導通，輸出24V電壓到PLC的流速信號輸入口。

4 采集方案的實現

4.1 信號傳輸方案

原本的方案是將流速儀兩端的信號線穿過中空的懸桿直接連接到測流平臺主控系統中，但由于信號線在懸桿下降過程中，冗余部分會隨機落在平臺上，尤其是懸桿的導輪上，無人測流時這種情況不可能得到及時處理，容易造成懸桿運動卡頓，甚至絞斷電線，使得吊車維護成本大大提高。為了解決這個問題，下面提出了一種利用拉偏纜來進行傳輸的方案可以克服這個問題。

信號的傳輸通過拉偏纜和測流平臺來實現，測流平臺箱體和電源的負極導通，拉偏電機以及拉偏纜固定座與平臺箱體絕緣，如圖4所示。

圖4 拉偏纜示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Biased Cable

模擬量輸入口的接線：拉偏纜電機殼一端通過導線連接到模擬量輸入端口，在拉偏纜固定座一端通過導線把流速儀塑料壓頭接線柱連接。其中，從拉偏纜固定座到與拉偏繩絕緣子之間的鋼絲繩由于會浸沒在水中，故需要采用包塑的鋼絲繩來進行絕緣。

電源負極的接線：由于安裝流速儀時流速儀主體部分和懸桿接觸，而懸桿和吊箱主體沒有絕緣，因而不需要處理就已經接入電源負極。

4.2 參考值設定

上文提及的兩個參考值Vsurf，Vliu受水阻影響較大，且在不同的水文站水阻不一樣，甚至于同一個地方不同的時間段也不一樣，因此難以設定合適的參考值進行比較，為了解決這個問題，提高該系統在不同水文站的通用性，開發了專門用于觀測和修改參數的手機APP。手機通過藍牙與STM32芯片進行通訊，需要修改參數時，只需要打開APP觀察流速儀在各個狀態的值，再輸入合適的參考值發送到下位機便可完成參數的修改。手機的人機交互界面，如圖5所示。

圖5 手機人機交互界面Fig.5 Mobile Phone Man-Machine Interface

4.3 流速信號的噪聲處理

因為轉子流速儀自身原因以及河里復雜的工作情況的影響，其輸出的信號并不是理想中的那么規范，容易受到抖動信號以及尖峰噪聲的干擾［9］，如圖6所示。

圖6 流速儀輸出波形與實際波形對比圖Fig.6 Comparison of the Output Waveform of the Flow Meter with the Actual Waveform

為了防止抖動信號誤觸發PLC計數影響測速精度，參考了一些消抖去噪的措施［10］，例如在模擬信號輸入端添加旁路電容、用單穩態觸發器74121模塊結合74LS08濾波去抖等。經實測旁路電容效果有限，所以本次主要討論后者。74121模塊的功能，如表1所示。74LS08模塊為與門電路，Q端僅在A、B端輸入均為高電平時輸出高電平，去抖電路，如圖7所示。

表1 單穩態觸發器功能表Tab.1 Monostable Trigger Function Table

圖7 去抖動干擾電路圖Fig.7 De-Jitter Interference Circuit Diagram

輸入信號為經STM32芯片處理后的流速信號時序圖，如圖8所示。當流速輸入信號為持續低電平時，74121 模塊輸出高電平，74LS08模塊B端為低電平，因此流速輸出低電平；當流速輸入信號收到抖動信號時，上升沿觸發74121模塊，使它的Q＇端輸出一個穩態時間為Tw的負脈沖，在此期間74LS08模塊輸出低電平，Tw時間后，74121模塊Q＇端輸出恢復高電平，此時抖動信號已經過去，流速輸入信號恢復低電平，流速輸出信號依舊為低電平，完成抖動信號的過濾；當流速輸入信號收到流速信號時，74121模塊Q＇依舊會輸出一個穩態時間為Tw的負脈沖，Tw時間后，74LS08模塊的A端與B端均為高電平，Q端輸出高電平為流速信號。

圖8 去抖動時序圖Fig.8 Debounce Timing Diagram

暫穩態時間Tw的具體數值與R1和C1的大小有關，應合理選擇他們的數值使Tw的值處于抖動信號的最大脈沖寬度Tmax與流速輸入信號的最小脈沖寬度Txcs之間。若Tw過小以致小于Tmax時部分干擾信號不能被完全消除；若Tw過大時以致大于Txcs時會誤過濾流速信號。

根據時序圖可知，硬件去抖電路已經把大部分誤差過濾掉，未完全消除的抖動信號時因為Tw后，流速信號輸入處于另一個抖動信號的高電平位置，對于這種干擾，可以在PLC中用軟件過濾掉［11］。

5 實驗驗證

5.1 水底信號的實驗驗證

水底信號由接近開關直接傳輸至PLC輸入端口，因此僅需驗證其機械結構能否觸發接近開關由常閉轉換至常開即可。

將測流平臺運行至岸邊，將懸桿下降直到接觸地面，此時能夠看到轉臂式失重開關呈現下落狀態，接近開關為常開狀態，PLC收到水底信號。

5.2 水面信號與流速信號的實驗驗證

把流速儀放入渾濁河水中，手動轉動旋槳流速儀模擬其在實際情況下的運行情況，并把信號用信號采集儀采集回來輸入到電腦進行分析。

實驗結果，如圖9～圖12所示。

圖9 原始信號Fig.9 Original Signal

圖9是采集到的模擬量輸入端的原始信號，可以看出：入水后的流速儀輸入到STM32的電壓顯著降低了，但流速儀的接線柱還沒有導通；之后流速儀轉動到足夠的圈數后會產生相應的流速脈沖信號，能看到脈沖的下降和上升沿有較為明顯抖動干擾；STM32處理后得到的水面信號，可以看到水面信號基本穩定，如圖10所示。流速信號，可以看出信號上升沿與下降沿較粗，即為存在大量抖動信號，如圖11所示。經過消抖電路濾波后得到的流速信號，抖動基本上已被過濾掉，只有一小部分的抖動由PLC軟件進一步處理，如圖12所示。

圖10 水面信號Fig.10 Surface Signal

圖11 濾波前的流速信號Fig.11 Flow Rate Signal Before Filtering

圖12 濾波后流速信號Fig.12 Flow Rate Signal After Filtering

綜上，這里提出的信號采集方案可行。

5.3 整體系統實驗

無人測流的上位機界面，如圖13所示。通過界面可以控制測流平臺起點距移動以及平臺升降以及自動測深測速。設定好相應的測深垂線后還能實現一鍵測流。本次測流設定的垂線有11條。

圖13 AFS上位機界面Fig.13 AFS Host Computer Interface

在每條垂線自動測流過程中，平臺上的工作人員同步進行人工測流。在測得河流的深度后采用兩點法測速，分別測0.2以及0.8水深位置的流速，取得的數據，如表2所示。

表2 測流數據表Tab.2 Flow Measurement Data Table

從數據表格可以看出，無人測速與人工測速所取得的信號數以及時間相差不大，基本上無誤差，但人工計時由于人有反射時間，所以記錄下來的時間可能會略有滯后，而無人測速的時間精度更高，在信號無抖動情況下理應比人工測更準確；無人測深和人工測深的相對誤差大約在為3.44%，有個別達到了5%，可能是由于測深桿和懸桿測深的位置略有不同有關，總體來說，測深誤差符合測驗要求。

6 結論

這里深入研究了ACS型測流平臺實現無人測流過程中的三個關鍵信號的采集。結合了測流平臺本身的特點，在旋槳流速儀的基礎上開發出了信號采集儀器，通過A∕D 轉換得到了水面信號，流速信號，并且為流速信號設計了硬件濾波電路。經實驗驗證，所設計的信號采集儀具備實用性。另外，設計了轉臂式失重開關，利用了懸桿觸底時的失重實現了水底信號采集。經過水文站工作人員的實測對比，所設計的采集方案采集回來的數據能夠滿足實際工作需要，可以為全國各大水利科研機構的無人測流研究提供一種參考。