帶有姿態傳感器的數字水位水溫監測儀研發

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、泡沫等因素的不同程度的影響，并且還存在不能有效的區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不了水位、水溫實時監測數據的傳輸。隨著國家近年來對水文、水資源、防洪等系統和其它涉及水位、水溫測驗行業的實時監測數據需求量的增大，精度要求的提高，傳統的水位、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，所以每次現場的安裝，傾斜角度的測量數據換算較煩瑣，出現誤差，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

帶有姿態傳感器的數字遠傳水位水溫監測儀，含有數字處理遙測終端機和自動監測數據轉換器，自動監測數據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。數字處理遙測終端機通過無線或有線傳輸到水文監測站，并通過RTU設備實現多形式的數據遠傳和接收。數字處理遙測終端機設置有內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；數字處理遙測終端機還設置有姿態調整器，所述姿態調整器包括姿態傳感器芯板、自動測算芯板和外圍電路，自動監測姿態數值，并對設備安裝垂直度數值上傳實時進行修正。內置太陽能充電板通過整流器與內置可充電電池連接，所述內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置可充電電池和外部電源。自動監測數據轉換器的下端設置有密封電路對接器，延伸所述自動監測數據轉換器的測量深度。數字處理遙測終端機和自動監測數據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。自動監測數據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 產品設計

本設計產品依靠水自身的導電性能，參照人工觀測水尺監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、泡沫等因素的影響。帶有姿態傳感器的數字水位水溫監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-數字處理遙測終端機，4-水位探測感應器，5-自動監測數據轉換器，6-密封電路對接器，7-內置太陽能充電板，8-姿態調整器。

帶有姿態傳感器的數字遠傳水位水溫監測儀含有數字處理遙測終端機3和自動監測數據轉換器5，自動監測數據轉換器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，數字處理遙測終端機3通過無線或有線傳輸到水文監測站，并通過RTU設備實現多形式的數據遠傳和接收，數字處理遙測終端機3設置有內置太陽能充電板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；數字處理遙測終端機3還設置有姿態調整器8，姿態調整器8包括姿態傳感器芯板、自動測算芯板和外圍電路，能夠自動監測姿態數值，并對設備安裝垂直度數值上傳實時進行修正。

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

圖1 數字水位水溫監測儀結構外觀剖面圖

圖2 7-內置太陽能充電板

4 應用成效

監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測數據誤差數值大的問題，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，作為備用電源，平時存儲電量，待內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傳感器，由姿態傳感器芯板、自動測算芯板和電路組成，通過姿態自動監測數據調整轉換器，自動進行監測、計算水位監測儀安裝姿態產生的數值，實現對設備安裝垂直度數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的水位監測儀能隨時、隨地通過計算機和手機獲取實時水位、水溫數據，為水情自動測報系統和水量調度系統中的水位數據收集和水溫數據收集提供了新的可靠手段。

本產品已應用于水庫、河流、湖泊、渠道、水井、涵閘等處的水位、水溫自動監測，也應用于海洋波浪爬坡、河流、渠道的水位、水溫自動監測。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、水溫的監測。