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)測設備有浮子式、壓力式等方式水位計，單排電極觸點式等設備，因受到泥沙淤積、含沙量高、天氣、溫度、漂浮物、結冰、(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現(xiàn)不了水位、水溫實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。隨著國家近年來對水文、水資源、防洪等系統(tǒng)和其它涉及水位、水溫測驗行業(yè)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)需求量的增大，精度要求的提高，傳統(tǒng)的水位、水溫測量精度、性能要求、可靠程度均有可改進的空間。存在的的技術問題是：因水文（位）站設備安裝地理環(huán)境所限，導致有的地方設備不能夠垂直安裝，只能傾斜安裝，有的安裝位置、地質(zhì)條件較復雜，常變動，傾斜角度也隨之改變，水位值要求是垂直90°計算，所以每次現(xiàn)場的安裝，傾斜角度的測量數(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 技術原理

帶有姿態(tài)傳感器的數(shù)字遠傳水位水溫監(jiān)測儀，含有數(shù)字處理遙測終端機和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換器，自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換器上設置有水位探測感應器和水溫探測感應器，水位探測感應器采用雙排間隔設置，并且，上下相鄰的所述水位探測感應器交叉排列，增大相鄰所述水位探測感應器之間的間距。數(shù)字處理遙測終端機通過無線或有線傳輸?shù)剿谋O(jiān)測站，并通過RTU設備實現(xiàn)多形式的數(shù)據(jù)遠傳和接收。數(shù)字處理遙測終端機設置有內(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)字處理遙測終端機還設置有姿態(tài)調(diào)整器，所述姿態(tài)調(diào)整器包括姿態(tài)傳感器芯板、自動測算芯板和外圍電路，自動監(jiān)測姿態(tài)數(shù)值，并對設備安裝垂直度數(shù)值上傳實時進行修正。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。自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換器的下端設置有密封電路對接器，延伸所述自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換器的測量深度。數(shù)字處理遙測終端機和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉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，并且封裝于高級盒式絕緣專用配線密封盒里，進行加壓灌膠密封。自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換器采用不銹鋼雙排列電極觸點和電子芯板組成，所述雙排列電極觸點交叉排列，作為所述水位探測感應器。

3 產(chǎn)品設計

本設計產(chǎn)品依靠水自身的導電性能，參照人工觀測水尺監(jiān)測水位和水溫的方式，結合先進的電子技術、通信技術、計算機技術研制開發(fā)而成，采用雙排電極觸點式水位、水溫測量方式，解決了單排電極觸點式水位計存在的難以克服的缺點，測量誤差小于1cm，具有脫水標志，投資小不需要建測井，不受泥沙淤積、天氣、溫度、波浪、飄浮物、結冰、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)測儀結構外觀剖面見圖。

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)字處理遙測終端機，4-水位探測感應器，5-自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換器，6-密封電路對接器，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)字遠傳水位水溫監(jiān)測儀含有數(shù)字處理遙測終端機3和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換器5，自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換器5上設置有水位探測感應器4和水溫探測感應器，其中：水位探測感應器4采用雙排間隔設置，并且，上下相鄰的水位探測感應器4交叉排列，增大相鄰水位探測感應器4之間的間距，數(shù)字處理遙測終端機3通過無線或有線傳輸?shù)剿谋O(jiān)測站，并通過RTU設備實現(xiàn)多形式的數(shù)據(jù)遠傳和接收，數(shù)字處理遙測終端機3設置有內(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)字處理遙測終端機3還設置有姿態(tài)調(diào)整器8，姿態(tài)調(diào)整器8包括姿態(tài)傳感器芯板、自動測算芯板和外圍電路，能夠自動監(jiān)測姿態(tài)數(shù)值，并對設備安裝垂直度數(shù)值上傳實時進行修正。

使用時，自動監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換器放置在水中，水位探測感應器和水溫探測感應器監(jiān)測信號轉換為數(shù)字信號，實時上傳給數(shù)字處理遙測終端機，進行數(shù)字整合處理后實時上傳給水文監(jiān)測站。

圖1 數(shù)字水位水溫監(jiān)測儀結構外觀剖面圖

圖2 7-內(nèi)置太陽能充電板

4 應用成效

監(jiān)測儀器將電極觸點作成了雙排電極觸點電路，電極觸點交叉排列，電極觸點間距增大一倍，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之間，且不能停留，形成不了電極觸點短接，也就解決了因此造成水位監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差數(shù)值大的問題，從而提高了測量的精度。設計制作了專用獨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，平時存儲電量，待內(nèi)置缺電時進行自動補充，保證設備正常運行，也可以用作便攜式電源直接用于設備供電，定時充電交替更換使用，十分方便。從電路設計、芯片和原件都進行優(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、功耗高這兩個技術問題，通過一次性集成和封裝，不但改善了設備的一致性，而且還提高了設備的使用可靠性。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，進行加壓灌膠密封，既改善了電路板強度、韌性，同時也提高了產(chǎn)品的防水性能、防腐蝕和抗老化性能。在設計集成電路里增加了獨立高科技姿態(tài)傳感器，由姿態(tài)傳感器芯板、自動測算芯板和電路組成，通過姿態(tài)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整轉換器，自動進行監(jiān)測、計算水位監(jiān)測儀安裝姿態(tài)產(chǎn)生的數(shù)值，實現(xiàn)對設備安裝垂直度數(shù)值上傳實時進行修正。從而減輕了工作人員勞動強度，提高了工作效率，減少了資料誤差，提高了資料的精度。

測驗人員通過使用本次開發(fā)的水位監(jiān)測儀能隨時、隨地通過計算機和手機獲取實時水位、水溫數(shù)據(jù)，為水情自動測報系統(tǒng)和水量調(diào)度系統(tǒng)中的水位數(shù)據(jù)收集和水溫數(shù)據(jù)收集提供了新的可靠手段。

本產(chǎn)品已應用于水庫、河流、湖泊、渠道、水井、涵閘等處的水位、水溫自動監(jiān)測，也應用于海洋波浪爬坡、河流、渠道的水位、水溫自動監(jiān)測。由于設計了便攜式密封電路對接器，使設備便于攜帶、安裝，特別適用于水文、水資源保護巡測、河流洪水搶測。由于具有脫水標志，可以用于漫灘、水文測船的水位、水溫的監(jiān)測。