一體化地下水水位計的設計與實現

任慶海，高 軍，王 瑞

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；3.宿遷市宿城區水利局，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

水是生命之源、生產之要、生態之基。地下水是我國水資源的重要組成部分，是我國城鄉生活和工農業用水的重要供水水源。為了科學、合理地開發利用和保護地下水資源，需要加強地下水的動態監測和分析預測。

地下水水位是最重要、應用最廣泛的監測要素，通過監測水位變化過程可以了解地下水的大多數動態和影響。加強地下水水位自動監測是貫徹落實黨和國家重要治水思路，保障國家水安全的戰略性、基礎性、長期性工作。

1 總體設計

用于地下水水位自動監測的水位計按照工作原理不同，主要有壓力式、浮子式、氣泡式等類型[1]。水位計按照儀器組件集成形式的不同，大致可分為一體式水位計和分體式水位計。目前，在國家地下水監測工程項目實施中，常用的自動監測地下水水位計主要有壓力式地下水位計和浮子式地下水位計[2]。

根據國家地下水監測工程項目實施的相關要求，本文設計了一種一體化地下水位自動監測儀器，采用壓力式水位計測量水位。該款自動監測儀器是集壓力傳感器、數據采集、遙測、存儲、通信傳輸、供電為一整體的智能地下水監測傳輸設備。

該款一體化遙測水位計是以高精度、高穩定性的壓力傳感器作為壓力感知元件。根據測量水位值（H）等同于大氣壓的流體靜壓（K）而建立起來關系：H=K/g（g為重力加速度）。

輸出數據值經過內部智能線性修正和溫度補償，進而得到水位的準確測量值。

2 分項設計

2.1 壓力式傳感器設計

壓力式傳感器采用一體式設計結構，各部件間接頭連接方便可靠、易于拆裝，便于設備安裝調試和使用維修。壓力式傳感器體積小巧、功能強大，外形尺寸僅為φ22 mm×134 mm。傳感器筒體采用316 L不銹鋼材質，底端探頭防護罩為高強度尼龍，頂部采用高強度尼龍對通氣電纜進行保護。電纜采用Φ6.8 mm雙鋼絲防水屏蔽通氣電纜，在對氣壓補償的同時保證了產品的穩定可靠[3]。

壓力傳感器基于陶瓷電容和鉑電阻的水位、水溫傳感器研制，重點解決溫度補償和時間漂移問題。壓力傳感器采用靜壓測量原理，CPU可設置為定時或實時采集壓力和溫度傳感器，并運用嵌入式微控制器預置的特定算法對采集的壓力數據進行線性修正和溫度補償，從根本上保證了產品的穩定性和精度。

2.2 遙測終端機（RTU）設計

本系統采用嵌入式微控制器MSP430F5xx系列芯片作為微控制器，所有功能都通過主程序和中斷來實現，數據通過內嵌2G（或4G）通訊模塊傳輸至中心站，實現了地下水水位和溫度數據的自動監測。系統原理及結構如圖1所示。

圖1 系統原理及結構

2.3 系統工作流程設計

RTU上電啟動后，進入系統初始化階段，將對各個模塊初始化，主要包括設置系統時鐘、I/O端口、內部集成電路、串口參數等，并配置讀取單元、打開中斷等，隨后進入系統主程序循環階段。在主程序循環階段，主要進行二次判斷：一是數據采集的時間點判斷，“是”則做相應的處理，“否”則數據采集結束。二是數據發送判斷，“是”則進行發送數據的相關處理，“否”則關閉通訊模塊和數據采集模塊電源，微控制器進入休眠狀態。微控制器休眠以后，等待外部中斷再次喚醒[4]，系統主程序流程如圖2所示。

圖2 系統主程序流程

3 儀器性能指標和特點

3.1 儀器主要性能指標

（1）測量參數：水位和水溫。

（2）水位量程：0～10 m，0～20 m，0～30 m可選。

（3）水位測量精度：≤0.1%/FS；分辨率：1 cm。

（4）埋深：0～1200m。

（5）水溫計分辨力：0.1 ℃；水溫測量誤差：≤±0.1 ℃。

（6）工作電壓：5～15VDC。

（7）靜態工作電流：≤10 μA。

（8）數據固態存儲：5年以上存儲數據，不丟失。

（9）溫補范圍：0～50 ℃。

（10）工作溫度：-20～70 ℃。

（11）防護等級：IP68。

3.2 儀器特點

（1）儀器結構精簡、密封性好，具有防潮、防腐、防銹的特點。可在高濕度環境下長期工作。

（2）具有自報式和召測試工作模式，支持中心站遠程召測及本地、遠程參數設置和數據下載，并具有數據補發功能。

（3）儀器內部集成了防反接、防過載及抗干擾處理電路，保證儀器在惡劣環境下可靠工作。

（4）選用陶瓷電容式壓力傳感器，并采用溫度補償修正功能，使壓力傳感元件更加穩定，水位測量準確性更高。

（5）具有高集成度和低功耗的特點，能確保儀器在不更換電池的情況下正常運行3年以上。

4 結語

本文主要對一種一體化地下水位監測儀器做了總體和分項設計的描述，最后進行了儀器主要性能指標和特點的介紹。本文設計的一體化地下水位計已經通過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各項檢測檢驗，具有功耗低、運行穩定可靠的優點。本設計中的產品目前在國家地下水監測項目中得到了廣泛的應用，為加強地下水的動態監測和分析預測，以及水資源統一調度、合理配置、監督與考核等提供決策依據。