張建偉, 楊卓靜, 馮建華, 張 磊, 袁愛(ài)軍

(1.國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

深孔分層抽水自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張建偉1,2, 楊卓靜1,2, 馮建華1,2, 張 磊1,2, 袁愛(ài)軍1,2

(1.國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

針對(duì)深進(jìn)尺鉆孔各個(gè)含水層水文地質(zhì)參數(shù)難以獨(dú)立獲取、試驗(yàn)環(huán)境惡劣等問(wèn)題，提出深孔分層抽水試驗(yàn)的新方法。設(shè)計(jì)了基于壓阻硅芯體的溫度、壓力傳感器并配置自動(dòng)控制單元，與含水層封隔器配套使用，解決了深孔含水層獨(dú)立研究的難題?？紤]到自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器高精度指標(biāo)、高頻采樣能力及高效數(shù)據(jù)處理的需求，開(kāi)發(fā)了智能補(bǔ)償算法，設(shè)計(jì)了高速采樣電路及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理界面,完善了儀器的整體性能。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于LCD1602顯示屏的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊及基于SD卡的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊，使得監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)掌握試驗(yàn)動(dòng)態(tài)，并且實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。分層抽水自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器成功運(yùn)用于黑河流域水文地質(zhì)調(diào)查工作中，獲取了黑河中下游地區(qū)多個(gè)含水層的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)。應(yīng)用結(jié)果表明了儀器的高效性和可靠性。此類(lèi)儀器及方法有助于提高我國(guó)水文地質(zhì)調(diào)查質(zhì)量，以及水文地質(zhì)領(lǐng)域的理論創(chuàng)新。

水文地質(zhì)； 智能； 環(huán)境； 自動(dòng)化； 傳感器； 監(jiān)測(cè)； 濾波； 補(bǔ)償

0 引言

近年來(lái)，國(guó)土資源部重點(diǎn)部署了我國(guó)典型地區(qū)1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查工作，以滿(mǎn)足新時(shí)代的經(jīng)濟(jì)建設(shè)及民生需求。但可查閱的歷史水文資料受當(dāng)時(shí)調(diào)查條件及技術(shù)方法的限制，往往籠統(tǒng)片面，已經(jīng)不能滿(mǎn)足國(guó)民生產(chǎn)的要求。例如，以往對(duì)河西走廊所處的黑河流域的調(diào)查方法以人工統(tǒng)測(cè)為主，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)稀少、無(wú)規(guī)律，獲取數(shù)據(jù)量不足且精度不夠；含水層研究基本以淺層為主，抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)片面，利用價(jià)值不高，導(dǎo)致目前該區(qū)域基礎(chǔ)水文地質(zhì)資料匱乏。因此，本文提出一種能夠用于多含水層深孔封隔洗井、抽水的新方法，研制了一種能夠與封隔器配套使用的水位、水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器。該設(shè)備具有高精度、寬量程、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便使用以及自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的特點(diǎn)，提高了野外調(diào)查的精度和效率。同時(shí)，該設(shè)備能夠有效提高洗井效果、獲取獨(dú)立含水層的參數(shù)，使調(diào)查工作質(zhì)量明顯提高，創(chuàng)新性顯著[1-2]。

1 工作原理

1.1 含水層封隔器

研究含有多個(gè)含水層深孔中的某一含水層時(shí)，需要將該含水層與其他含水層分離。本文設(shè)計(jì)了含水層封隔器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 封隔器結(jié)構(gòu)圖

該封隔器由高壓氮?dú)馄?、?dǎo)氣管、膠桶和水管組成。在使用過(guò)程中，將高壓氮?dú)馄糠胖糜诰冢飧粞b置放置于兩含水層止水實(shí)管處，兩者通過(guò)導(dǎo)氣管相連。高壓氮?dú)馄可涎b配有壓力表，用于監(jiān)控膠桶的充裝壓力，防止膠桶漲破或者難以達(dá)到封隔含水層的效果。膠桶采用含氟橡膠材料制成，其膨脹系數(shù)高，能夠有效貼合井壁，達(dá)到密封效果；膠桶的材料也可以根據(jù)含水層及抽水試驗(yàn)環(huán)境的變化而改變。膠桶通過(guò)網(wǎng)撐、滑軸、O型圈等配件與水管相連，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)桶內(nèi)壓力壓縮O型圈保證膠桶的密封性。導(dǎo)水管兩端是標(biāo)準(zhǔn)外螺紋，可以和潛水泵、泵管、死堵連接。

1.2 壓阻硅傳感技術(shù)

分層抽水試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)水位、水溫、流量的實(shí)時(shí)變化。本文采用晶體硅為基礎(chǔ)材料，利用硅材料的壓阻效應(yīng)制成應(yīng)力敏感器件。利用激光鐫刻技術(shù)，在硅膜片上繪制等臂電橋電路。硅膜等臂電橋電路如圖2所示。

圖2 硅膜等臂電橋電路圖

應(yīng)力與阻值的映射關(guān)系是信號(hào)傳感的基礎(chǔ)，當(dāng)硅膜片受到應(yīng)力作用時(shí)，其外形和電阻率的改變會(huì)導(dǎo)致電橋電路失衡。根據(jù)材料力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式，電阻變化與應(yīng)力的關(guān)系為：

(1)

式中:R為阻值；v為材料的泊松比；π為材料的壓阻系數(shù)；E為材料的楊氏模量。

根據(jù)等臂電橋電路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)傳感信號(hào)測(cè)量電路如圖3所示。

圖3 傳感信號(hào)測(cè)量電路圖

圖3中,電路響應(yīng)和激勵(lì)的關(guān)系為：

Uout=UR-UD

(2)

(3)

(4)

(5)

由式(5)可以看出，在單位壓力作用下，壓力傳感器的輸出變化是由電橋中橋臂的電阻值變化所決定的。

在傳感器制作過(guò)程中，電橋電路中的電阻應(yīng)該完全一致，即在無(wú)外力施加情況下，測(cè)量電路應(yīng)該輸出為零。但是在實(shí)際激光鐫刻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差。對(duì)此，采用補(bǔ)償電阻對(duì)傳感信號(hào)測(cè)量電路進(jìn)行修正。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該設(shè)備硬件部分主要由兩部分構(gòu)成：放置于水下的傳感芯體及適配電路和放置于井口的邏輯控制、電源、時(shí)鐘、信號(hào)處理等單元。系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

（3）A高漏電流混酸化成箔：皮膜抗水合性一般、漏電流大，高壓水煮后皮膜耐壓下降幅度大，化成箔容量轉(zhuǎn)化率高、強(qiáng)度好，適用縮體引線式鋁電解（表4、5是生產(chǎn)的大型鋁電解，壽命短不適用），配合的電解液必須形成效率高、含漏電抑制劑。此類(lèi)化成箔如果高壓水煮出現(xiàn)無(wú)耐壓，在實(shí)際使用中產(chǎn)品早期失效是大概率事件，因此，此類(lèi)化成箔皮膜抗水合指標(biāo)是首要指標(biāo)。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

系統(tǒng)采用5～12 V直流供電，常通和可斷電源設(shè)計(jì)思想能夠有效降低系統(tǒng)功耗，實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用3 V紐扣電池供電[3]；傳感器信號(hào)接口電路遵循RS-485通信協(xié)議，設(shè)備與上位機(jī)接口電路遵循RS-232通信協(xié)議；系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的MSP430F5438A作為邏輯控制芯片，其功耗低、主頻高、外設(shè)豐富的特點(diǎn)能夠保證設(shè)備性能；系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和高效處理的能力，每次獲取的監(jiān)測(cè)結(jié)果在氣壓補(bǔ)償后通過(guò)液晶屏顯示給試驗(yàn)人員，同時(shí)存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)芯片選用M25P80；上位機(jī)可以通過(guò)串口對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和歷史數(shù)據(jù)讀取。

2.2 濾波放大電路

壓力芯體受力后輸出小電壓信號(hào)，對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理后進(jìn)行A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算獲取直觀測(cè)量結(jié)果。模擬信號(hào)調(diào)制電路中的濾波電路采用MAX267構(gòu)成帶通濾波器，濾除信號(hào)中的直流成分和電源帶來(lái)的高頻噪聲干擾；然后經(jīng)過(guò)MAX4471進(jìn)一步放大，得到與單片機(jī)相匹配的電壓信號(hào)。同時(shí)，該信號(hào)通過(guò)低功耗比較器MAX9028轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器工作。

2.3 氣壓補(bǔ)償電路

水中傳感器測(cè)量結(jié)果是水壓和大氣壓力的疊加，系統(tǒng)在殼體2中配置了基于MS5540C的氣壓補(bǔ)償電路，以提高測(cè)量精度。

基于MS5540C的氣壓補(bǔ)償電路配置了標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，以便與主控制芯片通信；氣壓傳感器電源端通過(guò)磁珠消除高頻噪聲；使用32 768 Hz外部有源晶振作為時(shí)鐘源，能夠提高傳感器精度；SPI接口時(shí)鐘端接入15 pF電容，對(duì)消除野外干擾非常有效[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)部配置實(shí)時(shí)時(shí)鐘和邏輯控制單元，控制程序采用中斷喚醒的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)能夠響應(yīng)外部時(shí)鐘中斷和串口中斷，外部時(shí)鐘中斷對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)采集任務(wù)，即當(dāng)設(shè)定的鬧鐘和時(shí)鐘匹配時(shí)，系統(tǒng)被喚醒，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示等任務(wù)；串口中斷對(duì)應(yīng)設(shè)置設(shè)備參數(shù)、讀取歷史數(shù)據(jù)等任務(wù)。系統(tǒng)通過(guò)判斷狀態(tài)字、延時(shí)、中斷嵌套等方法避免事件沖突，以保證設(shè)備在無(wú)人值守的情況下自動(dòng)完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。

3.2 溫度補(bǔ)償算法

由于硅壓阻的傳感特性受溫度影響較大，因此對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)囊饬x重大。本文結(jié)合傳統(tǒng)多項(xiàng)式擬合法和遺傳算法模型，建立遺傳回歸模型；采用改進(jìn)的遺傳算法；利用其自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索功能，對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，提高了模型的擬合準(zhǔn)確度[5]。溫度補(bǔ)償算法軟件實(shí)現(xiàn)步驟如下。

①建立傳統(tǒng)回歸模型。

P=b0+b1t+b2t2+b3v+b4v2+b5tv+b6t2v+b7tv2

②利用數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸，得到回歸系數(shù)bi。

③取各回歸系數(shù)bi附近數(shù)組，作為遺傳算法的定義域B。

⑤以bi為決策變量，依據(jù)改進(jìn)的遺傳算法，按適應(yīng)函數(shù)fmax進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

⑥求得新的回歸系數(shù)，并代入混合模型。

選取兩套同一量程的監(jiān)測(cè)設(shè)備，為其中一套植入溫度補(bǔ)償算法，依托標(biāo)準(zhǔn)壓力源及高低溫試驗(yàn)箱，開(kāi)展室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)[6]。試驗(yàn)所得傳感器溫度補(bǔ)償結(jié)果比較如表1所示。

表1 傳感器溫度補(bǔ)償結(jié)果比較

試驗(yàn)結(jié)果表明，植入溫度補(bǔ)償算法的設(shè)備精度明顯提高，而且殘差值有正有負(fù)，顯示了隨機(jī)變化的動(dòng)態(tài)特性，算法效果良好。未進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)測(cè)值誤差較大，而且殘差漂移方向趨于一致，說(shuō)明設(shè)備受溫度影響較大，監(jiān)測(cè)結(jié)果價(jià)值不高。 本文提出的溫度補(bǔ)償模型實(shí)質(zhì)是一個(gè)二維曲面的非線性校正，該算法適用于受多種因素影響的傳感器標(biāo)定及誤差補(bǔ)償研究[7]。

4 野外應(yīng)用

該設(shè)備應(yīng)用于黑河流域水文地質(zhì)調(diào)查中，完成了多個(gè)鉆孔的分層洗井和分層抽水監(jiān)測(cè)工作，獲取了大量數(shù)據(jù)。本文以3#鉆孔為例，展示設(shè)備應(yīng)用效果。3#鉆孔井深為120 m，靜水位為2.35 m，含有兩個(gè)含水層，井中34.3～57.8 m和69.5～88.8 m兩段為含水層，其他位置為非含水層。封隔器放置于鉆孔60 m左右的實(shí)管位置，通過(guò)調(diào)整潛水泵和封隔器的上下位置，開(kāi)展對(duì)兩個(gè)含水層的獨(dú)立和混合抽水試驗(yàn)。封隔兩個(gè)含水層抽上層水的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5 孔HQ3抽上層水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

兩套100 m量程的監(jiān)測(cè)設(shè)備分別放置于靜水位下43.65 m和79.75 m處，采樣頻率設(shè)置為每分鐘一次，試驗(yàn)過(guò)程中抽取兩個(gè)降深，試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)17 h。

由圖5可見(jiàn)，封隔器分離兩個(gè)含水層的抽水過(guò)程中，上層水位最大降深為5.65 m，下層水位保持不變；

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可獲取上部含水層水資源參數(shù)。同理，更換封隔器和潛水泵的位置，可獲取下部含水層數(shù)據(jù)。如果鉆孔中有多個(gè)含水層，可以使用多個(gè)封隔器和多套監(jiān)測(cè)設(shè)備達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

通過(guò)分析獲取的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，表明100 m量程的監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量誤差不超過(guò)±2 cm，設(shè)備性能穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)處理數(shù)據(jù)，有效提高了抽水試驗(yàn)質(zhì)量和效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的深孔分層抽水自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、資源要求低、抗干擾能力強(qiáng)，現(xiàn)已成功應(yīng)用于野外試驗(yàn)，并獲取了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。野外監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，此設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定、可靠，精度、分辨率等指標(biāo)均能夠滿(mǎn)足野外需求。本設(shè)計(jì)可以成為未來(lái)解決野外地下水監(jiān)測(cè)的有效工具。

此外，所設(shè)計(jì)的儀器采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，其功能模塊移植性強(qiáng)，邏輯控制思路通用，有一定的借鑒性；傳感器溫度補(bǔ)償算法通用性強(qiáng)，適用于多種傳感器的誤差補(bǔ)償研究[8]。

[1] 張光輝,劉少玉,張翠云,等.黑河流域地下水循環(huán)演化規(guī)律研究[J].中國(guó)地質(zhì),2004,31 (3):289-293.

[2] 李文鵬,郝愛(ài)兵.中國(guó)西北內(nèi)陸干旱盆地地下水形成演化模式及其意義[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1999,26(4):28-32.

[3] 史云,錢(qián)東平,呂長(zhǎng)飛,等.基于智能網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(1):68-71.

[4] 陳曉穎,宋愛(ài)國(guó)，李建清，等.遺傳算法在硅壓阻氣壓傳感器溫度補(bǔ)償中的應(yīng)用[C]//航空試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)，2010.

[5] 王志剛,唐飛，王曉浩，等.基于MS5534B的氣壓高度計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微納電子技術(shù),2008,45(6):351-354.

[6] 趙學(xué)亮，史云，馮蒼旭.雙極性電壓脈沖激勵(lì)的智能電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x[J].自動(dòng)化儀表,2011,32(1):76-79.

[7] 張磊，史云，趙學(xué)亮.基于單片機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù),2011,30(6):39-41.

[8] 史云，張建偉，楊卓靜，等.多含水層深孔分層抽水試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)：ZL201520614475[P].2016-02-03.

Design and Application of Automatic Monitoring Instrument for Deep Hole Stratified Pumping

ZHANG Jianwei1,2, YANG Zhuojing1,2, FENG Jianhua1,2, ZHANG Lei1,2, YUAN Aijun1,2

(1. Key Laboratory of Monitoring Technology of Geological Environment, Baoding 071051，China;2. Centre for Hydrogeology and Environmental Geology Survey of China Geological Survey，Baoding 071051，China)

Aiming at the difficulties in independently obtaining hydrogeological parameters?that belongs to each aquifer of a deep drilling footage and the poor experimental environment, a new method of deep hole stratified pumping test is presented. The temperature and pressure sensors based on piezoresistive silicon core are designed, and the automatic control unit is configured; these are complementary used with aquifer packer, to solve the problem of independent study of the aquifer in deep hole. Considering the demands for high accuracy, high frequency sampling capability, and high efficient data processing, the intelligent compensation algorithm is developed; and the high speed sampling circuit and host computer data processing interface are designed to improve the overall performance of the instrument. In addition, in order to grasp the test status in real time and realize real time storage of the test data, the data display module based on LCD1602 and the data storage module based on SD card are designed. The automatic monitoring instrument is successfully applied in the investigation of Heihe basin; the test data of multiple aquifers in middle and lower region of Heihe are acquired. The test results prove the necessity, high efficiency, and reliability of the instrument. Such kind of instrument and method are helpful to improve the quality of hydrogeological survey in China, and theoretical innovation in hydrogeological field.

Hydrogeololgy； Intelligence; Environment; Automation； Sensor; Monitoring; Filtering; Compensating

國(guó)土資源部公益性行業(yè)基金項(xiàng)目(201411083-1)、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局基金項(xiàng)目(12120114018401)

張建偉(1983—)，男,碩士，工程師，主要從事地質(zhì)儀器的研究與應(yīng)用。E-mail:chegs_zjw@sina.com。

TH81;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702018

修改稿收到日期：2016-07-21