陳杰中， 吳寧聲

(1.水利部南京水利水文自動化研究所， 江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心， 江蘇 南京，210012； 3.江蘇南水水務科技有限公司， 江蘇 南京 210012)

目前我國水文水資源現(xiàn)場監(jiān)測設備在出廠前性能測試都符合監(jiān)測精度要求，但在現(xiàn)場使用一段時間后，監(jiān)測精度是否仍能夠保持出廠時的精度，則缺乏現(xiàn)場檢驗測試裝置進行驗證。目前，國內(nèi)外尚沒有成熟的水文儀器現(xiàn)場檢驗測試技術和手段，因此研究便攜式水文儀器現(xiàn)場檢驗測試技術符合提高水文測驗精度的發(fā)展方向。

浮子式水位計作為水資源監(jiān)測的主要儀器，目前除了與現(xiàn)場水尺進行目測比對之外，缺少科學的現(xiàn)場檢測手段。便攜式浮子式水位計檢驗測試裝置(以下簡稱檢驗測試裝置)解決了目前大量水位站使用中的浮子式水位計現(xiàn)場無法檢驗測試的問題，該裝置體積小，質(zhì)量輕，實現(xiàn)了一種水文儀器在使用現(xiàn)場的快速檢測[1]。

1 設計目標

1.1 浮子式水位計測量誤差因素的分析

浮子式水位計監(jiān)測水位時，造成測量誤差的影響因素主要有[2]：

(1)水位計長期運行導致水位輪槽底機械磨損、使得水位輪角位移量與對應的水位變化不一致，造成測量誤差；(2)受惡劣環(huán)境因素或外力因素導致的水位輪銹蝕或鹽蝕、微動開關與碼輪位置關系變化、水位輪軸及軸承等關鍵傳動件的變形等；(3)傳動鋼絲繩彎折或扭曲等。

使用者應定期對浮子式水位計進行檢測排查，若出現(xiàn)上述現(xiàn)象，需立即檢修并更換相應配件。

1.2 測量內(nèi)容

被檢的浮子式水位計就是在現(xiàn)場使用中的水位計，因此檢驗測試裝置在確定檢測方法時應包含：檢測點的選擇、檢測速率的選擇、浮子式水位計量程選擇、浮子式水位計測量值、標準器采集值、數(shù)據(jù)記錄次數(shù)、數(shù)據(jù)處理方法、檢測結果的分析等。

被檢浮子式水位計為WFH-2A型浮子式水位計，檢驗精度為3級精度，該款水位計技術指標如下：浮子直徑：Φ150 mm；水位輪工作周長：320 mm；平衡錘直徑：Φ20 mm；測量范圍： 0～40 m；分辨力： 1 cm；水位變率：≤1 m/min；測量誤差：量程≤10 m時，±2 cm；量程>10 m時，±0.2%；輸出形式： 12 bit格雷碼(負邏輯輸出)；顯示方式： 5位機械數(shù)字顯示；工作環(huán)境：溫度為-10～+50℃(水體不結冰)；濕度：≤95% RH(40℃無凝露)。

圖1 檢測方法

1.3 檢測原理

檢驗測試裝置由高精度角位移編碼器以及測量碼盤直徑計算鋼絲線性位移；步進電機驅(qū)動系統(tǒng)可設置標準要求的檢測速率模擬水位升降；數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)可同時分別采集被檢水位計與測量系統(tǒng)標準值，進而計算出被檢水位計在各檢測點的測量誤差。檢測方法的示意圖如圖1所示。

1.4 測量模型

Δh=hm-hb

(1)

式中：Δh為被檢浮子式水位計的水位誤差值；hm為被檢浮子式水位計水位讀值；hb為水位的標準值(即高精度編碼器讀值)。

2 儀器研制

2.1 結構設計

檢驗測試裝置總體主要由高精度編碼器(軸端固定從動輪)、驅(qū)動電機(軸端固定繞線輪)、測控模塊、驅(qū)動模塊、供電模塊、觸控模塊、導向輪和傳動鋼絲繩等組成，總體結構如圖2所示。

2.1.1 設計思路

檢驗測試裝置的設計思路是：將現(xiàn)場被檢測浮子式水位計使用的鋼絲繩連接浮子的一端去掉浮子后直接繞在驅(qū)動電機的繞線輪上，固定平衡錘的一端仍繞在被檢浮子式水位計的水位輪上，如圖2所示，鋼絲繩通過導向輪分別壓在被檢浮子式水位計水位輪和高精度編碼器從動輪繩槽里，檢測時，鋼絲繩的移動會驅(qū)使水位輪和高精度編碼器從動輪同時轉(zhuǎn)動，如果不出現(xiàn)鋼絲繩在輪上的打滑現(xiàn)象，則水位輪和高精度編碼器從動輪記錄的鋼絲繩位移量應該是一致的。通過設計，高精度編碼器記錄繩長的分辨力可以達到0.1 mm，能確保1 mm的水位檢測分辨力。

圖2 總體結構1-調(diào)平底腳 2-導向輪 3-鋼絲繩 4-被檢水位計接口 5-繞線輪 6-圓水泡 7-從動輪 8-被檢水位計 9-驅(qū)動電機 10-供電模塊 11-觸控模塊 12-測控模塊 13-驅(qū)動器 14-高精度編碼器

在儀器檢測范圍(0～10 m)內(nèi)，驅(qū)動電機經(jīng)減速器驅(qū)動繞線輪，通過收放線模擬水位的升降。收放線速度可選擇，設計時設定了40 cm/min和60 cm/min兩種水位變率。圖2中箭頭方向表示模擬水位下降時鋼絲繩運動方向，當水位上升時方向相反。

為了達到便攜的要求，檢驗測試裝置將所有模塊和器件集成化為一體式的機箱，外形尺寸為350 mm×220 mm×260 mm，質(zhì)量為10 kg，同時機箱上配有提手，方便攜帶至現(xiàn)場。

2.1.2 應用操作方法

使用檢驗測試裝置的目的是通過對比安裝在現(xiàn)場的浮子式水位計的測量值與裝置中高精度編碼器的測量值，比較兩者的誤差是否超過允許誤差范圍，如果是，則將該水位計進行校準后再投入使用，達到消除測量誤差的目的。

由圖2可以看出，圖示1調(diào)平底腳與圖示6圓水泡為一套調(diào)平裝置，在檢測工作開始前要做好調(diào)平；圖示3即現(xiàn)場的水位計所用的鋼絲繩，根據(jù)現(xiàn)場的浮子式水位計實際安裝位置，通過圖示2導向輪調(diào)整好相對位置與鋼絲繩包角，引入到圖示7從動輪，經(jīng)過從動輪后最終接入并固定與圖示5繞線輪周上。

由剖視圖可以看出，從動輪固定于圖示14高精度編碼器的軸端，繞線輪固定于圖示9驅(qū)動電機的軸端，當檢測裝置啟動工作模擬水位下降或上升時，電源控制單元驅(qū)動電機軸轉(zhuǎn)動，繞線輪作圓周運動將鋼絲繩收放，收放過程中帶動從動輪轉(zhuǎn)動，此時高精度編碼器能夠記錄下該位移量。

驅(qū)動模塊控制電機進行不同速率的轉(zhuǎn)動來模擬不同的水位變率，但在一個上升和下降的過程中通常保持變率一致。

圖示12測控模塊中的數(shù)據(jù)處理單元可以同時采集高精度編碼器記錄的鋼絲繩位移量和圖示8被檢水位計的測量值，并進行對比處理。如果不出現(xiàn)鋼絲繩在輪上打滑的現(xiàn)象，則被檢水位計所測得的水位數(shù)值和高精度編碼器記錄的鋼絲繩位移量應該是在允許誤差范圍內(nèi)的。

2.2 控制裝置

控制裝置是檢驗測試裝置的核心組件之一，控制裝置主要功能包括采集浮子式水位計和高精度編碼器讀值、計算水位計誤差、控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和實現(xiàn)人機交互等。

控制裝置主要包括單片機、數(shù)據(jù)采集、電機驅(qū)動、串口通訊及電源管理等部分組成。其中以STC89C58RD+芯片為核心,該芯片具有高速、低功耗、抗干擾強等特點，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。

當控制裝置收到測試指令后，控制裝置隨即啟動驅(qū)動電機，采集浮子式水位計讀值作為檢測初始值，將浮子式水位計的格雷碼讀值轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)；高精度編碼器讀值通過RS485通訊采集，并將讀值根據(jù)相應系數(shù)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動輪行徑值；當?shù)竭_對應的測試點后控制裝置發(fā)出停止指令，計算出浮子式水位計水位值與高精度編碼器讀值誤差。

2.3 驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置是由步進電機驅(qū)動器、步進電機和收線輪組成。驅(qū)動裝置是用于驅(qū)動驅(qū)動輪和浮子式水位計碼輪，從而模擬水位的變化。

步進電機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器?？刂破?脈沖信號發(fā)生器)可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。脈沖的個數(shù)和頻率通過控制裝置進行控制。驅(qū)動裝置結構見圖3。

圖3 驅(qū)動裝置

2.4 高精度編碼器

高精度編碼器是整套裝備的核心組件之一，其精度的高低直接決定了檢驗測試裝置的精度。通過選型確定的該款編碼器具有以下特點：

(1)兼容RS485/ASCII碼自由協(xié)議、Modbus-RTU協(xié)議、同時帶有模擬量4-20 mA或0-20 mA輸出；

(2)可軟件智能編程設定內(nèi)部參數(shù)，波特率地址任意設定，CRC校驗方式、更方便連接；

(3)歐系標準安裝尺寸，軸型安裝或盲孔型安裝，安裝方便；

(4)通過RS485串口，更方便連接，可以匹配任何控制器跟PLC從而節(jié)省控制器成本；

(5)防護等級最高達IP68，工作溫度可達-40℃～5℃，可完美應用與長時間水下工作

(6)具有安全鎖式軸承設計，可防止大尺寸優(yōu)質(zhì)軸承組在運行和安裝期間由于軸向載荷較大而造成的不對心。

(7)可選擇不銹鋼防爆型重載編碼器，具有歐盟防爆等級認證，為石油化工以及防爆設備保駕護航。

2.5 觸摸屏設計

檢驗測試裝置的數(shù)據(jù)展示、參數(shù)設置等功能均通過觸摸屏完成。觸摸屏采用5.6英寸640×480點陣串口指令屏，利用DGUS軟件對觸摸屏進行系統(tǒng)開發(fā)，該開發(fā)軟件配套基于K600+內(nèi)核的 DGUS 屏使用，用戶可以通過電腦端的 DGUS 開發(fā)軟件對DGUS 屏進行功能的開發(fā)與設計。其中儀器編號、檢測量程、檢測速度等參數(shù)通過在觸摸屏上設置后通過RS232串口發(fā)送給控制裝置；控制裝置將水位計讀值、高精度編碼器讀值、水位計誤差等結果發(fā)送給觸摸屏。設計界面見圖4。

圖4 設計界面

2.6 程序設計

軟件部分采用模塊化編程設計思想，采用C語言編程，開發(fā)環(huán)境是Keil uVision2。Keil uVision2是單片機應用開發(fā)軟件，支持眾多不同公司的MCS-51架構芯片，同時集編輯、編譯、仿真等功能與一體，還支持 PLM、匯編和C語言程序設計[3]。程序流程圖見圖5。

圖5 程序流程

程序開始后啟動系統(tǒng)初始化程序，系統(tǒng)初始化程序主要包括編碼器清零指令、電機驅(qū)動器和觸摸屏初始化程序等；系統(tǒng)初始化后采集浮子式水位計讀值，當水位值在3 000 cm以下時，步進電機正轉(zhuǎn)，模擬水位上升；當水位值在3 000 cm以上時，步進電機反轉(zhuǎn)，模擬水位下降；啟動檢測程序不斷采集高精度編碼器和浮子式水位計讀值，當達到相應的檢測量程后系統(tǒng)發(fā)出步進電機停止指令，同時計算出高精度編碼器和浮子式水位計讀值的誤差。

2.7 主要技術指標

檢測類型：格雷碼輸出水位計；檢測范圍：0～10 m；精度：1 mm；通訊接口：RS232

顯示：LCD觸摸屏；供電：DC 12V10Ah鋰電池組；功耗：靜態(tài)時小于80 mA，工作時小于2 A；工作環(huán)境：溫度0～50℃，濕度不大于95%；整機凈質(zhì)量：10 kg。

3 最大允許誤差檢測與示范應用

3.1 裝置最大允許誤差檢測

裝置研制完成后在水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心實驗室進行最大允許誤差檢測，指標要求水位變化范圍0～10 m內(nèi)最大允許誤差優(yōu)于5 mm[4]。檢測過程如下：

將裝置安裝在實驗室固定位置，以便于檢測過程中樣品與標準鋼卷尺的數(shù)據(jù)同步讀取。安裝位置選擇在水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心水位臺實驗室內(nèi)，利用現(xiàn)有的壓力式水位計時間漂移檢測平臺，將裝置固定在平臺頂部，鋼絲繩穿過在平臺頂部上事先預留好的孔，以保證模擬裝置正常的工作狀態(tài)，等待檢測。

檢測過程中，使裝置的鋼絲繩下端設備運行狀態(tài)下能夠自然懸錘在標準鋼卷尺旁，受檢設備在0～10 m范圍內(nèi)，分別以40 cm/min和60 cm/min升、降全過程，比測點1個/m，記錄裝置人機交互界面上所顯示的通過驅(qū)動電機帶動鋼絲繩所產(chǎn)生的位移量，以及用標準鋼卷尺所測量出的鋼絲繩實際位移量(即標準位移量)，計算示值誤差。檢測結果見表1。

表1 最大允許誤差記錄

通過檢測表明，裝置在0～10 m全過程檢測中各個測點均滿足最大允許誤差優(yōu)于5 mm的要求。

3.2 示范應用

檢驗測試裝置研制完成后太湖流域管理局部分站點進行示范應用，以太師橋水文站為例，該站位于浙江省嘉興市桐鄉(xiāng)市，為國家基本水文站。站內(nèi)安裝的水位計為南水牌WFH-2A型浮子式水位計，準確度等級為3級，測量范圍在0-10 m時，最大允許誤差為2 cm。因該站點水位井較淺，因此選用300 cm量程進行測試，即當模擬水位上升300 cm后模擬水位下降300 cm,當中每100 cm檢測一次數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 浮子式水位計檢測

(續(xù)表2)

經(jīng)過上升和下降各300 cm水位變化的測試，每100 cm間隔水位誤差均小于2 cm，因此該浮子式水位計符合規(guī)范要求。

4 結 語

本文介紹的便攜式高精度浮子式水位計檢驗測試裝置體積小、質(zhì)量輕、易于攜帶，技術指標滿足設計目標，解決了浮子式水位計現(xiàn)場檢測的問題。同時，裝置采用模塊化設計，檢測過程無需人為干預，自動化程度高，改變了原有浮子式水位計的檢測模式，填補了國內(nèi)現(xiàn)場檢測裝置的空白，保證了現(xiàn)場浮子式水位計監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，提高了水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為國家水資源高效開發(fā)利用提供了有力的基礎支撐。