基于無線模塊的地下流體井水位校測裝置

張 敏 戴 波 張 揚 宮 杰 王 佳

（中國南京 210014 江蘇省地震局）

0 引言

數字式水位儀具有測量分辨率較高、動態響應特性良好等特點，在地震地下井水位觀測中廣泛應用（石巖等，2014；居海華等，2017）。壓力式水位傳感器具有較高的測量精度，是數字式水位儀的重要組成部分，主要用于檢測井孔中水柱的壓力變化，進而轉換成探頭到水面的高度變化，井水位觀測的測量對象是水位埋深，即地下水面相對于基準面（例如井口、泄流口）的垂直距離，水位埋深需要與水位傳感器的測量值進行換算得到（中國地震局監測預報司，2007）。然而，儀器在長期觀測中存在零漂等問題，影響觀測資料質量（劉春國等，2018）。為了保證井水位觀測數據的真實有效，根據地震行業規范的相關要求，需要定期現場校測水位，校正儀器相關參數。因此，水位校測對提高流體觀測網的運行質量與監測效能具有重要意義，是規范井水位觀測技術的關鍵環節。

水位校測可分為靜水位和動水位校測，當前國內流體臺站的井水位觀測中，靜水位觀測明顯多于動水位觀測（馮恩國等，2012）。靜水位校測的需求更加廣泛，常用校測方法有測鐘法和電極法。地震流體臺站水位埋深從幾米到幾十米不等，且校測精度要達到1 mm，因此實現大量程、高精度的水位校測，存在較大難度。水位校測本質上是水位測量，測量技術發展成熟，測量裝置類型多樣（劉彧等，2019）。相比測鐘法，電極法在測量精度上有了較大提高，且簡單便攜、易于操作。電極法的工作原理為，校測探頭端部一般有2 個探針，當探針電極接觸水面時，水作為導電介質使電極之間形成閉合回路，測量儀的蜂鳴器報警、指示燈閃光。此外，其他類型的校測裝置也逐步得到應用。例如，采用浮子式的測量探頭，即探頭內部設置磁簧開關（干簧管），并在探頭前端設有一個環形磁鐵浮子，浮子在一定范圍內可動，接觸到水面時，浮子中的磁鐵吸合磁簧開關，導致測量儀報警。

使用測鐘法和電極法進行靜水位現場校測過程中，需要緩慢尋找測鐘或探頭電極觸點接觸水面的確切位置，人工讀取刻度尺示數，對使用者的熟練程度有較高要求。鋼尺水位計是一種典型的電極式水位測量裝置，多應用于地下流體井、鉆孔等水位測量。然而，傳統的鋼尺水位計通過塑膠工藝將刻度尺和導電線纜連接到水位探頭，存在以下問題：①量程越大，繞線盤體積越大，操作使用不便；②鋼尺電纜外側為透明塑膠覆膜加工而成，若鋼尺電纜發生彎折、老化等變形，會對測量精度產生影響，不便于維護。

文中介紹了一種基于無線模塊的水位校測裝置，該裝置采用多電極探針的探頭，通過無線傳輸，將電極接觸水面的電信號傳輸到地面，觸發蜂鳴器報警和指示燈顯示，并設計了讀數模塊，研制了水位校測裝置樣機來開展實驗研究和臺站測試。

1 工作原理

地震流體井下水位校測裝置總體結構主要包括探頭、鋼卷尺和讀數模塊、接收報警模塊（圖1），其中探頭包括探頭殼體、多電極探針、無線發射模塊和供電電池。

圖1 流體井下水位校測裝置總體結構Fig.1 Structure of the designed water level calibration device

流體井下水位校測裝置具體工作原理為，多電極探針的探頭通過鋼卷尺連接，測量時探頭接觸流體井中的水面。由于探針長度不同，接觸水面的先后順序不同，將探針接觸水面的通斷信號通過探頭中的無線發射模塊，先進行編碼，再發射至接收模塊。接收模塊通過解碼，對探頭與水面的接觸情況進行指示和報警，然后從讀數模塊的鋼卷尺刻度上讀數，記錄測量值，再轉換成水位埋深值，即完成水位校測工作。

多電極探針裝配后長度差不大于1 mm，探頭的測量精度優于1 mm。以探頭采用4個電極探針（其中1 個公共電極）為例，即探針P1—P4，探針P1比探針P2長，探針P2比探針P3長，探針P4為公共電極，與探針P1長度相等。相應地，在接收報警模塊上設置3 個指示燈L1—L3和1 個蜂鳴器F1。將探頭各個探針與井下水面接觸的通斷信號通過無線發射，接收報警模塊會發出報警并顯示，其中探針接觸水面時接收報警模塊的報警提示見表1。校測裝置的鋼卷尺零點從探針P1頂端計算，探針P1的頂端到鋼卷尺連接處的距離從鋼卷尺上截除。

表1 探針接觸水面時接收報警模塊的報警提示Table 1 Receiver warning when the probe touches the water

無線數據傳輸技術廣泛應用于車輛監控、遙控遙測、門禁系統、工業數據采集、機器人控制等領域，技術成熟，傳輸穩定可靠（房明明，2009）。本研究采用315 MHz 無線模塊，主要包括無線發射模塊和無線接收模塊，其中無線發射模塊設置在探頭內部，無線接收模塊則為接收報警模塊的組成部分。

在一般水位校測過程中，由于井口高度較低，超出地面較少，讀數時難以保證視線與刻度尺平齊，不可避免地造成讀數誤差。基于錯位放大原理設計的讀數模塊，可以減小讀數誤差。游標卡尺是一種典型的基于錯位放大原理的量具，測量精度高，使用廣泛。基于該原理設計的校測裝置配有固定支座，在支座上安裝讀數模塊。讀數模塊包含一個固定的游標尺，校測工具選用的鋼卷尺可作為主尺，并在讀數模塊上確定讀數基準點。測量過程中，連接探頭的鋼卷尺可動，游標尺相對固定，讀取并記錄井口到基準點的刻度值H1和探針P1接觸水面的刻度值H2，則水位校測的埋深值為H=H2－H1。

2 裝置設計

2.1 探頭和探針

探頭是校測裝置的主要組成部分，其外殼為工程塑料，各組成零件通過螺紋連接。探頭的電極采用耐腐蝕的不銹鋼材料，通過防水密封膠固定在探頭前段。探頭結構見圖2所示，探頭上端連接鋼卷尺，下端探測井下水面，中間部分用于安裝電池，為無線發射模塊供電。

圖2 探頭結構示意Fig.2 Structure of the probe

多電極探針設計在機械結構上可提高探針接觸井下水面探測的準確度。為保證校測裝置的測量精度不低于1 mm，各電極探針裝配后的長度差不高于1 mm。此外，探頭上的多電極結構，需要盡可能增大電極探針的布設間距，避免電極上有水粘滯或混入鐵銹等雜質，造成誤導通。

2.2 無線模塊

設計選用315 MHz 無線模塊，其無線發射模塊采用聲表諧振器SAW穩頻，頻率穩定度高。采用PT2262/PT2272編碼、譯碼芯片進行電路設計。

無線發射模塊結合編碼芯片PT2262 進行編碼電路設計，見圖3(a)。經過芯片17 腳串行傳輸的數據信號，被調制到315 MHz 的高頻載波上，通過天線輻射出去。接收模塊通過天線接收到高頻信號，經解調，通過譯碼芯片PT2272，電路設計見圖3(b)。數據信號從芯片14 腳輸入，解碼后導致蜂鳴器報警或指示燈顯示。

圖3 無線模塊電路（a）編碼；（b）譯碼Fig.3 Circuit schematic for the wireless module

2.3 讀數模塊

為了減小人為讀數誤差，基于錯位放大原理設計讀數模塊。該模塊以鋼卷尺為主尺，設有一個固定游標尺（圖4）。游標尺可選擇為10、20 或50 個分格，鋼卷尺精度為1 mm。測量過程中主尺（鋼卷尺）可動，游標尺固定，讀數的基準點為游標尺的零刻度線。理論上，利用該讀數模塊可提高測量過程中的讀數精度。例如，當游標分格取為20 時，讀數可精確到0.05 mm。

圖4 基于錯位放大原理的讀數模塊Fig.4 Schematic of reading module based on the dislocation enlarge principle

3 實驗研究

3.1 誤差分析

由于鋼卷尺選用工業級產品，刻線精度已通過出廠檢定，因此影響測量精度的因素主要包括系統誤差（例如機械結構的裝配誤差、探針電極的安裝誤差）和隨機誤差（例如人為操作誤差）。

系統誤差可通過實驗分析消除，對測量值進行修正；隨機誤差需要增加測量次數，計算多次校測的平均值來減小。為了減小多電極探針的安裝誤差，可通過標定實驗進行測試。具體實驗方法為，將探頭懸掛固定，取一個量杯，加入適量的水，將量杯固定在高精度升降臺上，調整升降臺的升降位移，例如每次上升或下降一定位移，根據表1 數據所示，觀察各個探針接觸水面以及接收報警模塊的工作情況。

3.2 臺站實驗

基于無線數據傳輸原理，試制地下流體井水位校測裝置樣機1 套，多電極探針裝配后的長度差設置為1 mm，校測裝置的測量精度為1 mm，開展臺站測試和實驗研究。按照地下流體井水位現場校測規范的要求，校測連續重復測量5 次，計算平均值和平均誤差，并填寫水位校測記錄表，實驗結果見表2。在臺站實驗中，與市場上商業化的水位校測產品進行比測，結果基本一致。實驗結果表明，研制的水位校測裝置可用于地震流體臺站的靜水位校測，驗證了基于無線模塊設計地下流體井水位校測裝置的可行性。

表2 流體臺站水位校測對比實驗結果Table 2 Comparison experiments of water level calibration in underground fluids stations

4 結束語

基于無線模塊的地下流體井水位校測裝置，采用多電極探針的探頭，通過無線傳輸，電極接觸水面的電信號被傳輸到報警模塊，觸發蜂鳴器報警和指示燈顯示，讀數模塊記錄刻度值。按照水位校測規范要求，計算獲得水位校測值。通過設計裝置的機械結構和硬件電路等，研制水位校測裝置樣機開展實驗和臺站測試，驗證了設計原理和實現方案的可行性。

本設計方案實現了水位校測功能，滿足使用需求和相關規范要求，可應用于地震流體井下靜水位校測。研制的實驗樣機采用在固定底座上安裝讀數模塊的設計，相比傳統的水位校測裝置，增加了裝置的復雜程度，需要進一步優化裝置機械結構，以使校測裝置簡單便攜。另外，在探頭中的多電極探針結構布局和材質選型等方面需要開展更深入的研究，以進一步提高水位校測裝置的測量精度。