跟踪式细管径水位计的设计

董万钧，刘 婕，董 波，吴小明

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）



跟踪式细管径水位计的设计

董万钧1,2，刘 婕1,2，董 波1,2，吴小明1,2

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）

摘 要：从仪器的结构组成、工作原理、功能特点、技术指标等方面，详细介绍跟踪式细管径水位计的设计方案。通过样机的测试及分析，表明该水位计工作稳定可靠，测量精度高，各项指标满足各项设计要求。研制的跟踪式细管径水位计兼具浮子式水位计工作稳定，无温漂、时漂，性价比高的特点，同时又适用于细管径应用场合，因而具有广泛的工程应用前景。

关键词：跟踪式；细管径；水位计；工作原理；设计

0　引言

水位是重要的水文监测要素[1]，目前，用于测量水位的仪器种类很多，如浮子式[2]、压力式[3]、气泡式[4]、雷达式[5]、超声波式[6]、磁悬式[7]、激光式[8]水位计等，前 3 种为接触式水位计，后 4 种为非接触式水位计。总体来说，目前在我国应用最普遍的是浮子式水位计，具有工作稳定，不受温度、湿度等因素的影响，也没有时漂，所以该类型的水位计得到了广大用户的认可。但浮子式水位计必须有配套的水位井或保护管，井或管的内径一般要求在 200 mm 以上，这就限制了应用。为较好地解决温漂、时漂、细管径工作条件、价格昂贵等问题，设计了跟踪式细管径水位计。

1　跟踪式细管径水位计结构与工作原理

1.1结构

跟踪式细管径水位计从结构上分为机械和电气2 部分，结构如图 1 所示。机械部分包括重锤（含磁致浮子传感器）、传动轮、绕线盘、蜗轮蜗杆机构及配套的轴承等，电气部分包括直流电机、铠装电缆、编码器，以及控制、供电和通讯等电路。

图1　系统结构图

1.2工作原理

跟踪式细管径水位计的重要部件重锤（含磁致浮子传感器）的剖面图如图 2 所示。当被测水位变化时，浮子随水位上升或下降，通过浮子自带的永磁体触发上行/下行定位开关触点闭合或断开，进而驱动电动机正转与反转，实现水位的测量。

图2　重锤剖面图

对于定时测量的应用场合，若传感器探头位于水位之上，即传感器探头和液面为脱离状态时，浮子受自重位于杆体底部，电动机下行，定位开关闭合，驱动电动机正转，驱动传感器下行；当传感器接触水面时，传感器头部的下行定位开关断开，电动机停止工作，通过信号采集器接收定位开关的开关信号并读取当前编码器的读数，即当前水位；在传感器探头位于水位中时，即传感器探头和液面为接触状态时，浮子由于浮力作用位于杆体顶部，电动机上行，定位开关闭合，驱动电动机反转，驱动传感器上行，当传感器浮子与杆体顶部上行定位开关脱离时，传感器头部的上行定位开关断开，电动机停止工作，通过信号采集器接收定位开关的开关信号并读取当前编码器的读数，即当前水位。

仪器跟踪测量时，将保持磁致浮子传感器和水面接触，并保持内部浮子处于上下 2 个定位开关之间，一旦浮子不在 2 个定位开关之间，直流电机就会启动，并根据浮子位置，启动传感器上行或下行，重新使传感器内部浮子处于上下 2 个行程开关之间，从而实现跟踪测量，此时编码器的读数即当前水位。

2　跟踪式细管径水位计设计

2.1主要技术特点

2.1.1传感器探测时无温漂、时漂

跟踪式细管径水位计通过纯机械及简单电路相结合的方式实现水位的在线测量，为无源探测，所涉及的设备不受温湿度影响，因而不存在温漂、时漂。水位测量时，带有永磁体的浮子随水位上升或下降，控制上下行定位开关的通断，通过电机的正反转带动编码器读数的变化，实现水位的实时测量。

2.1.2磁性开关可靠性高

这些磁性开关可靠的构造保证长期无故障的工作。由于撞击、磨损和振动的影响被减到最小，气密的开关可以提供精确的、不超过 1% 的重复性，开关动作点在产品的使用期限内保持恒定。

2.1.3特制铠装线缆耐腐性能强

跟踪式细管径水位计涉及的铠装线缆选择TPVV3×0.12 专用线缆，并增加直径不超过 0.3 mm的铟钢丝，整体外径不超过 3 mm。这种专用线缆具有较好的耐油、耐酸碱、耐腐蚀性能。20 ℃ 导体最大直流电阻为 90 Ω/km，20 ℃ 最小绝缘电阻为1000 MΩ/km。

2.1.4电源有保护功能

选择上海衡孚 HF400W-S-12（12 V，33 A）开关电源，输出电压 12 V，具有 AC 全电压输入及操作温度内全功率输出等保护功能。

2.2主要技术指标

1）水位测量准确度：定时测量为 ±2 mm，跟踪测量为 ±1 cm；

2）水位测量范围：0～40 m；

3）跟踪水位变幅速度：≤ 45 cm/min；

4）水位传感器直径：＜ 28 mm；

5）直流电机：工作电压 DC12 V，工作电流为下行 65 mA，上行 120 mA；

6）通讯接口：RS-232/485；

7）工作方式：纯固态存储器，或固态存储器 +信道机；

8）信道：GPRS/GSM、超短波信道；

9）时钟精度：年误差小于 3 min；

10）速率：9 600 bit/s；

11）采集间隔：1，2，3，4，6，8，12，24 h可设置；

12）固态存储器的存储方式：每 1 h 存储 1 帧数据报文。

2.3主要特点

1）结构简单，有利于降低故障率，保证测量精度；

2）安装接入方便；

3）免清洗、维护方便；

4）工作稳定，不受温度、湿度等因素的影响，无时漂；

5）实现水位跟踪式实时测量。

2.4主要功能

1）实现水位的实时在线测量。

2）可连接 1 台并行口水位计。可按照设定的水位采集间隔时间，自动上电采集、存储水位数据，若配置了信道机，会开启信道机发送 1 次最新的地下水位数据。

3）可外接便携式电脑，现场下载固态存储器内任何时段的数据，亦可通过信道机（GPRS-DTU）远程下载历史数据。

4）具有电池电压值检测和发送功能。终端机发送数据时，自动检测并发送测站的电池电压数据。

5）具有参数显示和设置功能。操作相应的功能键，可汉字显示出站号、水位编码器徝、当前水位、水位基位、当前时间等信息内容。

6）可进入设置莱单，查看或修改已设置的各类参数。

7）具有超时发送、强迫掉电功能。8）支持休眠唤醒工作方式。9）具有死机自动复位功能。

10）具有显示发送状态的功能。

11）具有工作方式选择功能，可纯存储，或存储 + 传输。

12）具有时钟设置功能，可人工输入和远程自动校时。

13）具有数据保存功能。机内的所有数据都具有断电保护功能，任何时候检修和断电，都不会破坏和改变原来的数据。只有重新改变设置内容才会变更机内原来设定的各项参数。

14）水位接口采取隔离和防干扰措施。

15）能自动驱动 12 V 电流电机正转或反转。

16）具有密码设置功能。为防止误操作，在进入设置菜单时，要输入 4 位数字密码，只有密码验证正确时，才能进行下一步的操作。

17）可连接 1 台信道机，如 GPRS / GSM 模块，超短波电台等。

3　跟踪式细管径水位计样机测试

跟踪式细管径水位计在完成定型设计及样机生产后，在 10 m 水位台进行了样机的性能测试，主要内容包括：外观质量、测量范围、分辨力、水位变率、准确度、回差、防雷、工程环境、绝缘性能、电压波动、自由跌落等。

3.1精度测试

对跟踪式细管径水位计在 10 m 水位台进行样机的精度测试，结果如表 1 所示。

表1　精度测试表cm

本次试验是在 10 m 水位台上进行的，最大误差为 1.05 cm。根据 GB/T 27993—2011 《水位测量仪器通用技术条件》相关规定，满足水位计准确度 4 级要求。

3.2重复性试验

对跟踪式细管径水位计在 10 m 水位台进行样机的重复性试验，结果如表 2 所示。

表2　重复性精度测试表cm

根据 GB/T 27993—2011 《水位测量仪器通用技术条件》有关重复性相关规定，重复性小于水位计允许误差的 0.5 倍（即 1 cm）为合格，因而跟踪式细管径水位计重复性测试合格。

3.3回差试验

通过对跟踪式细管径水位计在 10 m 水位台进行样机的回差测试，结果如表 3 所示。其中，水位升、降分别表示将水位调节至高于和低于标准水位，以进行回差测试。

表3　回差试验统计表cm

根据 GB/T 27993—2011 《水位测量仪器通用技术条件》有关回差相关规定，回差小于水位测量仪器准确度最大允许误差的 1.0 倍（即 2 cm）为合格，因而跟踪式细管径水位计回差测试合格。

通过仪器的多次性能试验，测试样机各项性能指标均能初步满足样机设计要求，但测量精度仍需进一步提高。

3.4误差分析

跟踪式细管径水位计的误差主要表现为系统误差。由于跟踪式细管径水位计电路内部传输信号都是电子信号，在常温常态下，电路性能稳定性和抗干扰能力较好。导致仪器测量时回差较大的主要原因是磁致浮子上升和下降时存在测量盲区。

根据图 2，通过对样机探头部分测量可知，H 为2.8 cm，H1为 1.2 cm，在水位升降时，探头部分测量回差 δ = H - H1= 2.8 - 1.2 = 1.6 cm。

通过回差测试分析，仪器回差为 1.7～2.0 cm，而探头部分固有回差为 1.6 cm。经分析，产生误差的另外原因是由铠装线缆在水位突变过过程中存在测绳“打滑”所致。为进一步提高仪器的测量精度，后期将采取以下 2 种途径改进仪器：1）缩小磁致浮子传感器探头尺寸，减小测量盲区；2）选择摩擦阻力更大的聚氨酯线缆护套，减少线缆打滑。目前，针对该仪器的改进工作正在进行中，因而暂未对样机进行野外比测试验，初步定于样机 10 m 水位台测试精度控制在 1 cm 以内时，再进行样机野外比测试验。

4　结语

据统计，我国仅各类地下水监测点一项就有20 000 余个，对于相关水位监测产品具有迫切而广泛的应用需求。在水文遥测需求，尤其是地下水监测的需求不断提高的背景下，研制的跟踪式细管径水位计能够充分适应市面上对于无温漂、时漂，安装简单，测量方便，价格优势明显及实时在线测量等应用需求。本产品目前已申请实用新型专利1 项（专利名称：跟踪式细管径水位计，专利号：ZL2014-2-0186601），项目组后期将进一步开展产品的推广应用研究。

参考文献：

[1] 沈凯. 智能水位计的设计[J]. 常州信息职业技术学院学报，2012，11 (5): 28-31.

[2] 侯 煜，于兴晗，张 军，等. 新型浮子式水位计的研制与应用[J]. 水利信息化，2012 (5): 36-39.

[3] 胡吉华 ，徐国龙，曹国华，等. 基于陶瓷电容传感器的压力水位计的研制[J]. 水利信息化，2013 (2): 33-39.

[4] 马海青，温得平，温川，等. 气泡式水位计在青海省千瓦鄂博水文站非汛期的应用[J]. 中国水运，2014，14 (10): 187-188.

[5] 牛睿平，张 健，王美玲. 一种新型国产雷达水位计的设计[J]. 水利信息化，2015 (5): 34-38.

[6] 汤祥林，刘艳平，尚修志，等. 低功耗、高精度超声波水位计的研制[J]. 水电自动化与大坝监测，2014，38 (3): 14-17.

[7] 杨培英，李纪彩. 磁悬式水位计在工程上的初步应用[J].港工技术，2007 (1): 53-54.

[8] 姚永熙. 地下水监测方法和仪器概述[J]. 水利水文自动化，2010 (1): 6-13.

Design of Tracking Small Diameter Water Level Gauge

DONG Wanjun1,2, LIU Jie1,2, DONG Bo1,2, WU Xiaoming1,2
(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

Abstract:This article introduces the design scheme of the tracking small diameter water level gauge, from the instrument structure, working principle, features, technical specifications and other aspects. Through the type test and analysis of a prototype, the test results show that the water level gauge is stable, and reliable and high precision is meet the design requirements. The tracking small diameter water level gauge is stable, with no temperature drift, no time drift, high cost performance and is suitable for small caliber applications. So it has wide application prospects.

Key words:tracking mode; small diameter; water level gauge; working principle; design

作者简介：董万钧（1977-），男，江苏高邮人，工程师，从事水利信息化、监控调度研究工作。

基金项目：南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（Y915007）

收稿日期：2015-12-09

中图分类号：P335

文献标识码：A

文章编号：1674-9405(2016)01-0044-04