磁致伸縮一體化水位計的研制

李學勝，羅孝兵，王啟飛

(南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，南京 210003)

0 引 言

水資源是人類社會生存和發展不可缺少的自然資源，我國是一個水資源缺乏的國家，其中農業灌溉用水又占據相當大一部分，目前我國灌區水資源利用效率整體較低，為了實現高效節約用水及合理分配用水，對水位的測量就顯得尤為重要[1]。目前常用的水位測量主要包括人工檢尺、浮子式、壓力式、超聲波、雷達式和激光式等水位計。人工檢尺的測量精度低，每次測量時間長，且只能離線測量，不適用于在線實時測量；浮子式水位計[2]結構簡單、成本低、功耗小，缺點是測量精度低，容易受泥巴、水藻等影響需要水位井測量，受浮子尺寸影響不能測低水位；壓力式水位計[3]易于安裝，量程大，可用于零下溫度測量，但絕對誤差大，有溫漂，維護工作量大；超聲波式水位計[4]易安裝，設備價格低，維護方便，但易受氣溫、水面漂浮物等的影響，測量精度和可靠性較差；雷達式水位計[5]精度高、量程大、抗干擾能力強、可靠性好、易安裝，但該價格較高、設備較復雜，維護成本高，易受水面漂浮物影響；激光式水位計量程大、精度高，體積小，但結構復雜，維護成本高，另外，需要與反射板配合使用，增加了安裝難度[6-8]。

綜上所述，很少能提供一種測量精度高，測值穩定，結構簡單，經濟實用，方便現場安裝的集多種功能于一體的水位測量裝置。

本文設計的一體化水位計是基于磁致伸縮效應的一種浮子式水位監測裝置。雖然，本裝置使用了浮球作為水位升降的標識物，也會具有一些浮子式水位計的一些特點，比如受水草、泥巴的影響，有的地方還需要修建水位測量井等缺點。但該裝置采用磁致伸縮原理具有測量精度高、測值穩定可靠，結構簡單、成本低廉等特點，同時，該儀器是集水位測量、流量換算、數據顯示和全網通通訊等為一體的一種多功能監測設備,且該產品還具有外部接口簡單，現場調試及運行、維護工作量小等特點。可以為量水、取水及水資源的合理分配與利用提供科學的、現代化的手段；同時也可應用于數量大、站點分散的城市防洪排澇工程。

1 儀器工作原理

一體化水位計是基于磁致伸縮效應、浮力原理、電子技術、無線通信技術等研制而成的水位測量儀器,它的工作原理[9,10]如圖1所示。

圖1 工作原理圖Fig.1 Working principle diagram

當傳感器工作時，將問詢脈沖加載到波導絲上,該脈沖沿波導絲向前傳播,由電磁場理論可得,問詢脈沖在波導絲周圍會產生一個垂直于波導絲的環向磁場。當環向磁場與浮球----位置磁鐵(浮球里設置有永久性磁鐵)產生的軸向磁場相遇時,就會互相疊加產生螺旋形磁場,由磁致伸縮效應可得,該螺旋形磁場使波導絲在浮球當前位置處產生瞬時扭轉形變,形成扭轉應變脈沖，應變脈沖是一種機械波，沿著波導絲向兩端傳播,當扭轉波傳播到波導絲末端時,被阻尼器吸收,防止波的反射干擾信號檢測。當扭轉波傳播到波導絲頂端時，被檢測線圈拾取，在線圈兩端就有感應電壓輸出。根據脈沖發射與電壓信號輸出的時間差計算浮球的位置，從而得到水位信息。一體化水位計的主控存儲模塊，通過采集水位采集模塊中的水位數據，并根據錄入存儲模塊的水位流量關系曲線換算出當前流量，然后通過全網通通信終端，將水位、流量數據發送至中心站及分中心。

2 傳感器結構設計

儀器結構如圖2所示：主要包括：密封堵頭、擋圈、浮球、測桿、連接件、防水航空插頭、變送器殼體、液晶顯示屏、紅外感應開關等，儀器內部設有：波導絲、波導絲屏蔽層、消回波裝置、波導絲直線度調節裝置、測量線圈、CPU電路板、電源板、信號板、鋰電池等。

變送器殼體分為下殼體、支撐板及上蓋。為方便更換鋰電池，將下殼體分為電子倉和電池倉兩部分，二者互不影響。電子倉里設置有豎直方向的電路板卡槽，可直接將電路板插入卡槽內，方便電路板安裝。液晶顯示屏、紅外開關電路板安裝在支撐板上，支撐板固定到電子倉上。上蓋板與下殼體采用卡槽式連接，更換鋰電池時，只需將上蓋板擰下即可，方便電池更換。上蓋板和下殼體之間有密封設備。另外變送器殼體上還設置有防水航空插頭孔、天線孔，防水航空插頭可連接太陽能充電裝置和RS485通訊接口。天線孔方便天線外接，可為全網通通訊提供較強信號。

圖2 儀器結構圖Fig.2 Structure chart of instrument

變送器殼體和測桿通過螺紋連接，測桿里包括波導絲、波導絲屏蔽層、消回波裝置、波導絲直線度調節裝置、測量線圈等， 為了保證波導絲在其保護管中的直線度，提高傳感器的測量精度，該傳感器設置有波導絲拉緊裝置，安裝時通過調節該裝置，可以保證波導絲的直線度，提高儀器的測量精度。另外，為了減少回波對測量的影響，在波導絲兩端均設置有消回波的材料。

3 電路設計

一體化磁致伸縮水位計集供電、采集、顯示、通信功能于一體，水位計的電路部分整體分為4個電路板進行設計，包括主控電路板、電源板、電池充電控制電路板、紅外開關電路板，電路板之間通過插針或排線進行連接。電路板上主要由電源管理、充電控制、MCU、RS485通訊單元、全網通無線通訊、ZIGBEE通訊、液晶顯控、存儲單元、傳感器測量單元、LCD顯示單元及紅外感應開關等單元組成。其中， MCU、RS485通訊單元、全網通無線通訊、ZIGBEE通訊、液晶顯控、存儲單元、傳感器測量等單元設計在主控電路板上，充電控制、紅外開關、電源分別單獨設計一塊電路板，具體如圖3所示。

圖3 電路總體框圖Fig.3 Block diagram of the circuit

電源管理單元主要將鋰電池的12 VDC電源或外部6～28 VDC電源轉換為4.1 VDC和3.3 VDC電源，給本模塊電路及主控電路、紅外開關、液晶顯示等供電。同時根據各功能模塊的定義，采用獨立電源供電，通過MCU控制，在需要工作時供電，其余時間關閉，以實現低功耗，具體如圖4所示。

圖4 電源管理單元電路框圖Fig.4 Block diagram of power management circuit

其中鋰電池的12 VDC電源或外部6～28 VDC電源轉換為4.1 VDC采用了超低功耗、高轉換效率的LT3481芯片，其電源轉換效率能到達90%以上，靜態工作電流僅50 μA，是本水位計實現低功耗的重要一環節，其電路原理圖見圖5所示。

圖5 12 V電源轉換為4.1 V原理圖Fig.5 Schematic diagram of 12 V power conversion to 4.1 V

MCU單元采用STM32F103ZG核心處理器，該芯片性能強大，功耗低，成本低，能夠滿足一體化水位計對于MCU的性能要求。微控制器負責與各個功能模塊接口，采用IO口、UASRT串口、I2C總線與各個功能模塊連接實現監控模塊應用功能，滿足采集、通信需求，具體如圖6所示。

圖6 MCU芯片與其他功能模塊接口圖Fig.6 Interface diagram between MCU chip and other functional modules

全網通無線通訊單元與MCU通訊，將MCU計算出的液位等信息通過全網通天線傳輸至遠程中心站。同時，本模塊在開機時給出GSM通信時間窗口，進行重要或調試參數設置。為滿足遠程控制要求，設置遙控通信時間窗口，通過短信進行參數設置，可設置參數包括：目的地址IP、端口、工作模式、手機號、站號、水位基準值。為實現本一體化水位計低功耗目標，設計電源控制電路，由MCU定時開啟和關閉全網通通信模塊電源開關。考慮到供電可靠性，留有外部電源接入接口。充電控制單元主要實現太陽能電源或外部直流電源輸入對鋰電池的充電控制。

LCD顯示單元采用背光型漢字液晶顯示器，主要實現水位、液位、運行參數(系統時間、系統站號)、電池電壓等參數的實時顯示，同時通過受控電源供電，達到低功耗目的。

紅外感應開關采用Si1141集成芯片，其集成度高，外圍器件少(如圖7所示)，僅需要對電源進行適當保護電阻和電源去耦電容即可。其環境光傳感器能夠感應高達128 kilolux的光照度。此外，Si1141的先進架構能夠在25 μs內完成接近感應測量，減少了極其耗電的紅外二極管的開啟時間，實現業界最低的系統功耗(9 μA平均電流，0.5 μA待機電流)。

圖7 紅外感應開關原理圖Fig.7 Schematic diagram of infrared induction switch

另外，儀器預留流量換算公式設置窗口。根據不同標準渠道(如：巴歇爾槽、梯形等)的經驗公式，或是通過現場率定得到率定公式，通過預留流量換算公式設置窗口將公式導入，因這些公式都是 液位高度的函數，只要測得液位高度，儀器就可根據公式換算出當時渠道的流量，最終直接輸出流量值。

4 技術指標

①測量范圍：0～1 000、1 500、2 000 mm；②基本誤差：≤±0.1%FS；③不重復度：≤±0.05%FS；④遲滯性：≤ 0.1%FS；⑤環境溫度：-20～+60 ℃。

注：FS為儀器的測量范圍，單位為mm。

5 試 驗

5.1 性能試驗

性能測試平臺如圖8所示，該平臺是自主研發的標定裝置，并得到水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監督檢驗測試中心的認可，平臺采用溢流方式，具有調平裝置，首先通過調節底座，將標定管調整到豎直方向，再將校準后的一體化水位計放置于標定管內，通過調節螺桿將一體化水位計同樣調整到豎直方向，同時保證一體化水位計的浮球能自由移動。

圖8 性能測試平臺Fig.8 Performance test platform

首先找儀器零點：先將溢流桶降低到約與水位計測桿底端在同一水平面位置處，然后緩慢往溢流桶內加水，水通過連通管進入到標定管中，同時浮球隨水面升高，當有水從溢流管流出時，快速往溢流桶內加水(由于重力及慣性作用，水繼續往標定管里流)，為保證加水過程中標定管里的水面高于溢流管位置，溢流管要選擇稍細的水管，并且溢流管安裝位置要低于溢流桶上邊緣，當水開始從溢流桶上邊緣流出時，停止加水，待水面穩定后，記錄一體化水位計測值，同時將千分尺顯示屏清零，然后緩慢移動溢流桶，移動量為記錄的一體化水位計測值，最后再將千分尺顯示屏清零，待水面穩定后，此處設為儀器零點。

性能測試：以100 mm為一個檔位，儀器共進行3個正返程測試。

正程：首先將溢流桶升高100 mm，緩慢往里注水，注水方法與找零點時一致，待水穩定后，記錄為第一檔時一體化水位計測值，然后再將溢流桶升高100 mm，再往溢流桶里注水，注水方法與第一檔時一致，待水穩定后，記錄為第二檔一體化水位計測值，繼續此步驟，直到溢流桶升高1 500 mm(儀器滿量程)。

返程：緩慢向下移動溢流桶100 mm，待水面穩定后記錄返程第一檔儀器測值，繼續向下緩慢移動溢流桶100 mm，待水面穩定后記錄返程第二檔儀器測值，如此反復，直到千分尺回到零點。

第一個正返程測試結束。按此方法對儀器進行3個正返程測試，測試數據及數據分析如表1所示。

由表1試驗數據可知，在測量范圍內，儀器的基本誤差、不重復度、遲滯性均在儀器設計要求范圍之內。

5.2 穩定性試驗

在室溫下，將一體化水位計與浮球同時固定在一試驗平臺上，保證兩者之間不出現相對移動，通過RS485通訊線與電腦連接，接通電源，儀器拷機時間為2017/11/10-2017/11/14，歷時4 d共計約96 h，測量頻率均為1 min/次，試驗數據如圖9所示。

圖9 穩定性試驗數據曲線圖Fig.9 Chart of stability test data

從圖9的試驗數據可知，儀器經過近4 d的拷機試驗，測值變化不超過0.1 mm，雖然開始有上升的趨勢，但隨著時間的推移逐漸趨于穩定，且測值在759.65 mm上下周期性變化，由此可知儀器穩定性良好。

5.3 環境適應性試驗

將儀器放入高低溫試驗箱，同時將儀器和浮球均固定在試驗箱體內，測量在儀器設計溫度下能否正常工作，測量數據如表2。

表2 高低溫試驗數據表Tab.2 high and low temperature test data sheet

從表2數據可以得到，儀器在-20 ℃和60 ℃下均能正常工作，滿足儀器設計要求。

6 結 語

本文介紹了一款基于磁致伸縮原理研發的一體化水位計，該儀器集水位測量、流量換算、數據顯示和全網通通訊等功能為一體的多功能監測設備。本文從測量原理，結構設計及電路設計出發，詳細介紹了磁致伸縮一體化水位計的設計研發過程，設計了標定平臺，該平臺得到水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監督檢驗測試中心的認可，并在該平臺上進行了儀器性能試驗，通過試驗驗證了儀器的性能指標均能達到設計要求，為儀器市場推廣應用提供了理論基礎及試驗依據。而且，該儀器還通過了水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監督檢驗測試中心進行的委托檢驗，各項指標均符合國標《GB/T11828.5-2011水位測量儀器第5部分：電子水尺》1級精度的要求。目前，已有40臺儀器安裝在大安灌區綜合自動化及調度運行管理系統中，已運行一個灌季，狀態良好，得到了客戶的肯定。