水文流量測驗設備轉子式流速儀數字信號通訊研究

彭 麗，劉鵬翼

（婁底水文水資源勘測中心,湖南 婁底 417000）

引 言

轉子式流速儀是我國水文測驗不可或缺的重要設備之一。轉子式流速儀信號的采集和通訊傳輸一直是水文部門長期研究的課題。轉子式流速儀內部安裝有接觸絲或干簧管，通過水體推動旋漿(或旋杯)旋轉，從而產生通斷信號。如果在流速變化不劇烈的情況下，轉子式流速儀產生的流速信號為周期性的標準方波信號，但是由于接觸絲的機械抖動、干簧管的磁抖動干擾、天然河道水體不同水阻的變化、感應雷擊等影響，使得轉子式流速信號的采集相當復雜。在采集轉子式流速儀內部接觸絲或干簧管觸點的通斷信號時，很多情況下沒有充分考慮流經觸點的電流要小，最好不大于2 mA的電流。只有盡量降低流過觸點電流，才能提高轉子式流速儀的使用壽命。有些廠家的轉子式流速儀信號采集，為了消除水阻的影響，對轉子式流速儀信號輸入端往往采用“小電壓大電流”的設計方案，以降低流速儀使用壽命的方式確保信號采集的可靠性。

目前水文流速測驗采集的轉子式流速儀的流速信號，往往是通過水文纜道循環索鋼絲繩和水體構成的回路傳輸，這是目前流速信號利用水文纜道最常用的一種信號傳輸方式。為了解決利用纜道傳輸流速信號受干擾問題，信號傳輸時多采用交流調頻信號傳輸方式。但實際上水文站的纜道橫跨從幾十米到幾百米不等，架設高度從幾米到幾十米，偌大的跨河鋼絲繩在空間變成一個巨大的天線，這根天線不停地接收空間的各種電磁干擾信號，使得正常流速信號和干擾信號夾雜在一起，有時干擾信號的強度比流速儀的頻率信號要強，頻譜也比流速信號要寬，所以多年來流速信號的通訊傳輸一直困擾著水文測驗人員，實際測流時，往往是水文測驗人員根據經驗判斷有效的流速信號，人為剔除干擾信號，才能基本完成測流任務。

隨著水文測驗科技的進步，利用轉子式流速儀實現自動測流是當下的迫切需求，對此怎樣確保流速信號采集和傳輸的準確性、可靠性及穩定性是我們水文工作者需要重點研究的課題。筆者根據多年在水文一線測驗的實踐探索和經驗總結，提出了一套全新的轉子式流速儀采集和傳輸方案，對解決困擾水文流量測驗工作的流速儀信號問題具有一定的現實意義。

1 轉子式流速儀信號的采集

1.1 流速信號的采集電路

轉子式流速儀是在河道的水體中工作的，天然河道的水體含有不同的雜質，水體的導電性能也是復雜多樣。轉子式流速儀的信號線接線柱淹沒在水中，水體不同的導電率會使轉子式流速儀通斷信號產生誤導通，影響流速信號的采集。為了避免該種現象的發生，筆者設計了流速信號的采集電路。根據轉子式流速儀信號避免受水阻變化影響，達到觸點過流電流值小的要求，按“小電壓小電流”的方案設計轉子式流速儀信號的采集。轉子式流速儀信號采集電路如圖1所示。

圖1 轉子式流速信號的采集

根據圖1所示電路可見，R1表示水阻，和流速儀觸點開關及R3并聯。流速儀觸點開關串聯R3接入3.3 V電源。當流速儀觸點開關導通，電流經過R2電阻和流速儀觸點開關，為了使經過流速儀觸點開關的電流小于2 mA，R2的電阻必須大于1.65 kΩ。流速儀觸點開關導通后，三極管Q1的基極為低電平，三極管Q1斷開，集電極電壓提高，流速信號采集端為高電平。

當流速儀觸點開關斷開后，水阻R1和R3電阻并聯構成電阻R13，R13電阻和R2電阻串聯，則二極管D1的負極電壓提高，二極管D1截止，三極管Q1的基極為高電平，三極管Q1導通，三極管Q1的集電極電壓降低，流速信號采集端為低電平。流速信號采集口再接入觸發器，以輸出標準的方波信號，供后續單片機采集。

1.2 流速信號的數字化處理

傳統的轉子式流速儀信號采集處理，是通過水下綜合信號源設備，采集到流速信號后，根據電路調制成設定頻率的交流調頻模擬信號再傳輸。岸上接收設備將接收到的模擬信號經過放大、整理，然后通過音頻譯碼鎖相環集成電路將流速信號分離并處理，由此可見影響流速信號采集傳輸的主體是水文纜道鋼絲繩、河道水體、水下綜合信號源設備及傳輸回路上的其他環節。

由于傳輸回路長且中間環節較多，往往影響流速信號采集的準確性。水文測驗人員對傳統流速采集設備總結出“低枯水信號一切正常，洪水時信號異常是常態”的突出現象。為解決傳統信號傳輸回路對信號采集的影響，筆者認為將流速信號處理部分從岸上接收設備集成到水下綜合信號源設備中，用高性能單片機根據編制好的智能處理軟件直接處理流速信號，然后將處理的流速信號編碼成數字信號再傳輸。

將流速信號編制成可傳輸的數字信號優勢如下：

1）數字信號可編碼，通過設計的編碼通訊協議，可智能完善漏傳丟失流速信號，傳輸差錯可控。

2）數字信號抗干擾能力強，基本可排除外部干擾，且噪音不累計。

3）經過編碼的數字信號包含的信息量較大，除可傳輸水面、流速和河底信號外，還可包含信號源內置電池電壓，甚至可包含水溫、水壓、采集時間等數據。

4）經過編碼的數字信號傳輸可靠性高，通過握手通訊機制大大提高數據傳輸的穩定性。

5）數字信號可現地存儲。即使信號通訊受干擾中斷，但仍可通過信道恢復補發或固態存儲下載獲取數據。

6）數字信號配置靈活，根據不同的要求可擴展功能，只需要更改軟件，不需要對電路重新設計。

7）數字信號便于單片機識別處理。根據流速測驗的人為經驗，可編制成單片機軟件，以代替人工判別轉子式流速儀的抖動信號，確保流速信號采集的準確性。

2 流速信號的數字通訊傳輸

轉子式流速儀的流速信號利用水文纜道鋼絲繩傳輸的傳統方式構成的傳輸回路比較復雜，回路涉及的中間環節較多，故障現象千奇百怪，一旦出現問題也難以排查，往往即使更換水下綜合信號源等設備，也無法解決問題，這是廣大水文工作者遇到的普遍問題，也是多年未攻克的一個技術難題。筆者認為要徹底解決此問題，需要完全拋開利用水文纜道鋼絲繩作為流速信號傳輸的回路組成部分，采用無線數傳回路建立相對獨立的傳輸通道。

2.1 流速信號數字通訊系統的組成

流速信號數字通訊系統由水下綜合信號源和岸上接收設備組成。水下綜合信號源根據流速采集電路采集到流速信號后傳輸給單片機，單片機軟件經過智能識別、判斷、處理、編碼成可傳輸的數字信號，發送給數字電臺模塊發送。岸上接收設備可以是計算機、纜道控制臺、手持機等形式，岸上設備通過數字電臺接收到信號后，根據編碼協議對數據進行解析處理，再以各種方式體現出流速信號。

2.2 數字通訊頻率的選擇

進入20世紀90年代后，數字通訊開始進入快速發展階段，尤其是超高速大容量、日益成熟的高效編碼等技術的進步，標志著新的數字化智能通訊將進一步發展。

數字通訊的頻率非常多，從GPRS、CDMA這樣的公網數字通訊，到對講機點對點的數字通訊都采用不同的頻率。433 MHz頻率是我國免申請段發射接收頻率，可直接使用，433 MHz頻率抗干擾強，支持各種點對點、一點對多點的通訊需要，具有收發一體、安全隔離、使用簡單、性價比高、穩定可靠等特點。故選擇433MHz頻率作為流速信號數字通訊系統的數傳頻率。

3 關鍵問題的解決

流速信號數字通訊系統所采用的433 MHz無線電波，在水體中傳輸時的衰減非常嚴重，導致無法通訊。所以如果流速測點較深導致水下綜合信號源天線完全入水不能實時傳輸流速信號，有些廠家提出采用浮標天線或伸縮天線的方式解決天線入水不能發射信號的問題，筆者認為不管是浮標天線或伸縮天線，在低枯水時可確保正常使用，但是一旦發洪水，水面上將產生巨量的各類漂浮物，會對天線產生破壞，從而影響系統使用穩定性。

根據本文闡述的設計方案，流速信號數字通訊系統充分利用智能特點，提出如下全新的解決方案：

1）系統根據天線長度和流速測點入水深度，預判電臺天線完全入水。

2）系統根據根據轉子式流速儀從水面下降到流速測點的距離，計算下降時間。

3）當流速儀在水面時，系統給水下綜合信號源發送“流速延時自動采集出水補發”指令，該指令包含到達設定的延時時間后，單片機自動開始采集流速信號并存儲。

4）系統判斷水下綜合信號源已經完成流速信號的自動采集后，將轉子式流速儀提出水面，此時天線已經露出水面。水下綜合信號源采集到出水信號后，將固態存儲的流速數據發送給岸上接收設備，數據包含測速時間、歷時、信號數等信息。

4 結 語

轉子式流速儀數字信號通訊是通過無線數字傳輸回路進行流速信號的采集和傳輸，使流速信號的采集、處理、傳輸具有智能化和維護簡便的特點，且使用不受環境的影響。系統在湖南省婁底市冷水江、雙峰水文站進行實際測試反應良好，解決了水文站多年來流速信號受干擾嚴重的問題，可預見轉子式流速儀數字信號通訊系統將是極具發展前景的流速信號采集傳輸方法。