自動計時、計數測流信號接收器的研制

金舒宜 林曉明 林海鑫

（邵陽水文水資源勘測局 邵陽市 422000）

1 項目原由

流量測驗是水文測站最主要的測驗項目，湖南省除少部分大河站用ADCP 測流外，大部分測站采用纜道測流、測船測流，用的都是轉子式流速儀，測流離不開信號接收器。要計算出流速，一要有測流歷時，二要有信號個數，一般用馬表計時，人工計數，精度不高且很麻煩。為此，我們從測站工作需要的實際出發研制自動計時、計數測流信號接收器，以滿足測站需求。

2 研制開發

2.1 研制目標

本信號接收器的命題為自動計時、計數測流信號接收器，那么既要將來自轉子式流速儀發出來的流速信號準確無誤地接收到接收器中，以聲、光報警的方式告知操作人員，同時要具有測流歷時自動計數、流速信號個數自動計數的功能。既由流速信號驅動計時、計數器開始計數，又由流速信號驅動結束計數。還要有個標準時鐘脈沖信號供計時用。

接收信號靈敏度要高，抗干擾能力要強，適應環境要廣。該信號接收器以適用于纜道（包括絕緣和不絕緣纜道）測流為主要目標，也要適用于測船測流和涉水測流。不但要適用于旋漿式（20 轉一響）的流速儀，也要適用于旋杯式（一轉一響）的流速儀。不但要適用于纜道測流時，采用“無線”測流法測流，也要適用于測船測流時采用的有線和“無線”測流法測流。當用“無線”測流時，對信號源不能有特別要求，既要能接收直流脈沖信號，又要能接收交流脈沖信號，即不管用何種信號源，采用何種方式傳輸，采用何種測驗設備測流，均能準確無誤地將信號收到室內接收儀器中，并準確顯示測點測流歷時和流速信號個數。

2.2 設計方案的選取

（1）信號源類型的選取。測流信號接收器的研制，首先要考慮選用什么信號源。纜道測流信號的產生方式，一般有直流脈沖信號、交流音頻脈沖信號和數據編碼調制信號等。從湖南省纜道測流中信號源的使用情況來看，多數站使用直流脈沖信號，少部分站使用交流音頻脈沖信號。數據編碼調制信號，因其信號源、信號接收器電路復雜，特別是信號源還受到體積的限制，湖南省基本不用。所以，本次研制的測流信號接收器，只要能接收到直流脈沖信號和交流音頻脈沖信號，就基本上適用于湖南省的纜道測流要求。不需要再去研制信號源。

（2）信號傳輸形式的選取。信號的傳輸形式，有有線傳輸、無線電波傳輸和“無線”傳輸三種。“無線”傳輸，并非真正意義上的無線，而是利用纜道循環索和水體構成回路，由于水體不是線，所以習慣上稱“無線”傳輸。

從信號的三種傳輸形式中可以看出，有線傳輸，其信號輸出要通過鎧裝電纜或貫芯鋼絲繩，或在帶拉偏索纜道上，用循環索和拉偏索將信號傳回室內，對纜道要求較高，使用可靠性也難以保證；無線電波傳輸，技術要求高，電路復雜，業余條件下不易實現；利用纜道循環索和水體構成回路的“無線”傳輸，對纜道也無特別要求，是目前水文纜道中使用最多的一種傳輸方式。因此，本測流信號接收器信號傳輸方案采用“無線”傳輸。

（3）信號接收方案確定。以直流脈沖信號源為例，信號的接收原理見圖1。

圖1 “無線測流”原理示意圖

鋼絲繩與鉛魚體是絕緣的，水下電池筒電池負極接鋼絲繩到絞車，鋼絲繩同時又通過主索錨碇接入大地，電池正極通過流速儀接觸絲、鉛魚、水體、水下極板接至纜道房。在絞車與水下極板之間存在一個電阻，稱為入地電阻，見圖1 中Rd。當流速儀接觸絲接通時，流速信號一部分通過鉛魚、R3 從正極直接流向負極，另一部分通過鉛魚、R4、水下極板、Rd從正極流到負極。在信號接收器中，將Rd 串入輸入電路中，當有流速信號時，信號接收器輸入端由高電平變為低電平，以驅動后續電路工作，即完成了流速信號的接收。由于各站使用環境不同，上游來水不同以及土壤含水量不同等，各種影響因素的不同，Rd值也不盡相同，Rd 在信號回路的分壓也不相同。為了各測站在不同影響因素情況下測流信號接收器均能順利接收流速信號，在電壓比較電路中采用了基準電壓可調的辦法，以消除各種影響因素，擴大適用范圍。

（4）測流信號、測流歷時計數方案的確定。根據測流計時、計數的操作方法和規程以及測站測流方案，設置測流最短歷時100 s、60 s、30 s 三檔。通過微電腦自動統計時間脈沖個數，當達到最短測流歷時后，自動發出指令控制計時、計數。當操作人員認為流速信號穩定后，按一下開始按鈕，待第一個流速信號到來時即自動開始計時，此時不計流速信號個數。只有第二個流速信號到來時才自動開始計流速信號個數。此后兩組計數器同時工作，當達到設置的測流最短歷時后，再來一個流速信號時，計入該信號后兩組計數器同時自動停止工作。

綜上所述，設計方案為：信號源，采用直流脈沖信號和交流音頻脈沖信號；信號傳輸，采用纜道循環索和水體構成回路的“無線”傳輸方式；信號接收，用電壓比較電路，將信號回路的入地電阻串入信號接收器的輸入電路，采用了基準電壓可調的辦法，以消除影響因素，擴大適用范圍。設置測流最短歷時100 s、60 s、30 s 三檔，通過微電腦自動統計測流歷時和流速信號個數。

2.3 信號接收器的組成

信號接收器由信號輸入電路、抗干擾電路、電壓比較電路、聲光報警電路、計數信號輸出電路、時鐘脈沖發生電路、最短歷時設置電路、計時計數控制電路、供電穩壓電路、兩個LED 數碼管計數模塊等組成。方框圖見圖2。

2.4 信號接收器的特點

（1）入地電阻串入輸入電路，大大提高了流速信號的利用率，從而提高了靈敏度。

（2）采用負脈沖有效的方式，當有流速信號時，輸出端也由高電平變為低電平，這種方式不但適用于“無線”測流也適用于有線測流。

圖2 信號接收器方框圖

（3）用電容充電時間決定輸出信號長度，以控制繼電器動作，繼電器有兩組常開觸點，一組接通蜂鳴器發聲，一組給單片機提供輸入信號，互不干擾。蜂鳴器發聲時間約0.5 s，解決了“嘟”聲噪人問題。用LED 顯示流速儀接觸絲的接通狀態。即同時具有聲、光報警和計數脈沖輸出功能。

（4）將比較器基準電壓設為可調，消除了各種綜合因素的影響，大大增強了適用范圍。

（5）采用微電腦作10 Hz 標準時鐘脈沖發生器，精度優于0.1%，一致性好，適合批量生產。

（6）采用計時、計數控制器，可任意切換測流最短歷時100 s、60 s 或30 s。

（7）可將其嵌入纜道控制柜內使用。也可盒裝移動，用兩節鋰電池供電，循環充電，電池經久耐用。

2.5 安裝與調試

自動計時、計數測流信號接收器已陸續安裝了10 臺，3 臺嵌入式，7 臺移動式。邵陽站用于船上測流，其它站用于纜道測流。該信號接收器在安裝過程中沒有調試元件，只要元件良好，焊接無誤，一裝即成。第一次測流時要調節基準電壓，以適應測站環境，以后也不需要經常調節。

3 應用實例

該套自動計時、計數測流信號接收器已在邵陽水文局邵陽、茅坪、紅巖、洞口、隆回5 個站使用1年有余，普遍反映使用簡單，操作方便，穩定可靠。

[1] 長江流域規劃辦公室.水文纜道（第一版）[M].北京：水利電力出版社，1978.

[2] 王喜斌，孫東輝，李葉紫，等.MCS-51 單片機應用教程[M].北京：清華大學出版社，2004.