集線式水庫大壩安全監測系統設計*

宋子龍，魏永強，陳金干，王 祥

(湖南省水利水電科學研究所，長沙410007)

大壩安全監測是最近幾十年中發展起來的一門新興的技術學科，20世紀70年代以前稱為大壩原型觀測［1－2］，即在大壩原型中設置觀測儀器進行現場測量，以期獲得一些能反映大壩結構變化的特征量。20世紀20年代最早開始原型觀測是采用大地觀測法觀測大壩的變形;30年代初美國利用卡爾遜式儀器開展了大壩的內部觀測。然而由于觀測設備本身精度不高、可靠性及穩定性差［3－4］，以及隨著時間推移觀測設施的不斷陳舊及設備的自然老化等原因導致觀測數據的傳輸滯后和失真，以至于隨著20世紀30～70年代世界各國的筑壩高潮，大壩失事時有發生，造成的巨大災害引起了國際社會的高度重視。因此各國紛紛開始研制高精度、高可靠性的智能采集系統［5－7］:如美國基康、南京葛蘭、南瑞科技、南自所等都相繼研制出了自己的采集系統，而且各自的測量精度及穩定度都較以前有了很大的提高，數據傳輸的穩定度及系統的智能化也有了較大改進。

本文設計了一種集線式水庫大壩安全監測系統。該系統的硬件部分以 LPC2368FBD和STC12C5410AD為核心，將滲壓計、滲流計、水位計、溫度計、雨量計等傳感器連接至采集系統，通過應答、自報或應答與自報相結合的模式將監測數據傳至大壩端服務器;接著通過公網或移動的APN專網將監測數據傳送至省大壩中心數據庫，此種傳輸方式即保證了監測數據的實時性［8－10］，又保證了數據傳輸的可靠性［11－12］;最后通過后臺處理對水庫大壩的運行性態做出評價并將評價結果及時發送給相應的水行政主管部門，以便他們針對可能出現的災情做提前預防。軟件部分通過定時或實時發送采集命令，控制系統進行數據采集。

1 水庫大壩安全監測系統設計

1.1 硬件系統設計

本文設計的集線式水庫大壩安全監測系統的硬件部分由激振電路、頻率檢測電路、溫度檢測電路、開關量電路及單片機組成。其系統框圖如圖1所示，以下將對各個重要組成電路的工作原理進行詳細介紹。

圖1 水庫大壩安全監測系統硬件設計框圖

1.1.1 激振電路

激振電路采用掃頻激振技術，即用一個頻率可調節的信號去激勵振弦式傳感器的激振線圈，當信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦迅速達到共振狀態。由于激勵信號的頻率易采用軟件控制，因此，只要知道振弦固有頻率的大致范圍(一般來說，對一種已知的傳感器其固有頻率的大致范圍是確定的)，就可用該范圍內的激勵信號去激發它，以使得振弦快速起振，圖2為激振電路。

圖2 激振電路

1.1.2 頻率檢測電路

拾振線圈中感生電勢的頻率檢測電路由兩部分組成，一是濾波電路，采用兩級低通濾波法;二是過零比較電路，采用過零比較法，從比較器的輸出端得到頻率信號。其電路圖如圖3所示。

圖3 頻率檢測電路

由圖3可知，U1和U2組成兩級有源低通濾波電路;C1，R3及 C3，R6，分別構成第 1、2 級有源濾波電路的阻－容網絡;U3作為比較器，形成過零比較電路。由于感生電勢是一個周期信號，所以待測信號的頻率也就是周期性的方波 U3的輸出fout的頻率。

1.1.3 溫度檢測電路［13］

振弦式傳感器中內置Pt100電阻式溫度傳感器，該傳感器的測溫原理是:將電阻的變換轉換成電壓或電流等模擬信號，再通過A/D轉換將模擬信號轉換成數字信號，最后由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)計算得滲壓計所在部位處滲壓(孔隙)水的實際溫度值。其原理圖如圖4所示。

圖4 溫度檢測電路

由圖4可知R12、R13、R14及運放U4(U4和U5是低溫漂、高阻抗的運算放大器)共同組成一個恒流源電路，由式(1)計算得出穩定的電流值I，其計算公式如下所示:

圖4中，由于在A和B之間接有Pt100電阻式溫度傳感器，所以檢測通過AD轉換器的采樣值，就可根據式(2)，計算出A和B之間的電壓值u，其計算公式如下所示:

其中AD采樣值就是將Vout模擬量經過A/D轉換后轉換成的數字量;212表示A/D轉換器是12位的。

接著根據式(3)計算得出Pt100的實際電阻值r，其計算公式如下所示:

最后根據式(4)得滲壓計所在部位處滲壓(孔隙)水的實際溫度t，計算公式如下:

其中t表示攝氏溫度，lnr表示阻值的自然對數，其中系數 A=1.4051×10－3(在－50 ℃至+150 ℃范圍內計算有效)，B=2.369×10－4，C=1.019×10－7。

1.1.4 開關量電路

本系統中的開關量電路主要用于測量庫區水位和雨量，其原理分別如圖5、圖6所示。

圖5 水位采集原理圖

圖6 雨量采集原理圖

由圖5可知，水位采集的工作原理是:經水位傳感器編碼為二進制信號的水位信息Win通過三態緩沖器U6后，將輸出信號Wout送入CPU解碼，CPU經軟件譯碼和數據格式轉換后，便可得實際水位值。

由圖6可知，雨量采集的工作原理是:首先斯密特觸發器U7、U8對雨量脈沖信號Rin進行整形和放大，形成一個窄脈沖Rout;接著將Rout送入CPU外部中斷，CPU響應外部中斷后累加該次雨量脈沖數并將當前采樣值和累加值保存在CPU內部的E2PROM中，以此達到測量雨量的目的。

1.2 軟件系統設計

1.2.1 軟件系統設計的總體思想

本文設計的集線式水庫大壩安全監測系統的軟件部分由系統初始化、頻率測量、滲壓計所在部位處滲壓(孔隙)水的溫度測量、庫區水位測量、庫區降雨量測量、環境溫度測量、數據傳輸及數據發布等幾個主要部分組成。其組成框圖如圖7所示。

圖7 系統組成框圖

1.2.2 軟件控制流程

按照以上電路設計原理及系統組成框圖，系統軟件編程控制的基本思路是:首先對系統進行初始化;接著激勵電路激振傳感器工作，檢測電路對信號檢測、放大、整型、處理，最后得到所需的測量信號;同時A/D轉換器將模擬的電壓信號轉換成數字的電壓信號，轉換后和恒流源電路配合得出溫度傳感器的電阻值，繼而得出滲壓計所在部位處滲壓(孔隙)水的實際溫度;最后測量庫區水位、雨量、環境溫度，并將所有測量數據傳送至省大壩中心服務器數據庫進行處理及將處理結果實時的顯示在水利信息發布平臺上，其程序控制流程圖如圖8所示。

圖8 程序控制流程圖

2 實驗與結果

將本文設計的集線式水庫大壩安全監測系統應用于大壩安全監測實驗室，在實驗室用1 000 m長通信電纜模擬水庫現場的通信距離，分別測量了滲壓水位值、庫區水位值和降雨量值，并將測量值與實際值做比較。在試驗中由于溫度是最大的影響因子，所以為驗證本系統的穩定性、可靠性、數據傳送的及時性及正確性，分別在環境溫度為2℃、18℃、35℃進行了相應試驗，且每次試驗時間都持續5個月。試驗結果分別從每個月中隨機抽取兩組數據進行組合。其結果如表1～表3及圖9～圖11所示。

其中表1、表2、表3中理論誤差的計算公式如下:

式(5)中，Sacc:傳感器的精度;Cacc:采集儀精度;F:傳感器滿量程值。

由于本次試驗所選滲壓計的精度為±0.1%，滲壓采集儀的精度為±1%;水位計的精度為±0.25%，水位采集儀的測量精度為±0.025%;雨量計的測量精度為±1.5%，雨量采集儀的測量精度為±1.5%，所以由式(5)得測量滲壓水位的理論誤差為0.02;測量庫區水位的理論誤差為0.005;測量雨量的理論誤差為 0.03。

表1 2℃下的實驗數據表

圖9 2℃時的測量值與實際值比較圖

圖10 18℃時的測量值與實際值比較圖

表3 35℃下的實驗數據表

圖11 35℃時的測量值與實際值比較圖

由表1～表3和圖9～圖11得:

(1)滲壓水位測量值與滲壓水位實際值非常接近;滲壓水位測量誤差明顯低于理論誤差;測量值曲線和實際值曲線幾乎重合;

(2)測量庫區水位誤差明顯低于理論誤差;測量庫區雨量在18℃時的測量值與實際值非常接近，但在2℃和35℃時，測量庫區雨量與實際值由于溫度的影響有微弱的差別;

(3)降雨量測量值與降雨量實際值非常接近;測量降雨量誤差明顯低于理論誤差;測量值曲線和實際值曲線幾乎相同;

由以上實驗結果可得:本文設計的集線式水庫大壩安全監測系統的測量精度高、線性度好，且系統穩定、可靠，數據采集、傳輸正確、可靠。

3 結論

將本文設計的集線式水庫大壩安全監測系統應用在仙嶺水庫、梅埠橋水庫、大溪水庫、東坑水庫等25座水庫大壩現場，結果表明:在測量精度、穩定性、實時性、可靠性等方面都滿足要求，而且整個系統工作穩定、線性度好、能連續較好地工作，更重要的是本系統的設計方法為以后進一步研究水庫大壩安全監測系統提供了理論與實驗依據。

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