水文行業(yè)智能儀器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

□張新書

水文行業(yè)是一種特殊的行業(yè)，其工作環(huán)境大都在野外完成，條件艱苦環(huán)境惡劣，使用的主要測(cè)量?jī)x器是流速儀，而該儀器的傳感器部分有國家標(biāo)準(zhǔn)限制，所以后期的數(shù)據(jù)采集和處理的研究對(duì)減輕工作壓力，改善工作條件以及提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量具有非常重要的意義；因此各地水文機(jī)構(gòu)都在研究智能化的流速記錄儀器。以下以我省研制的流量測(cè)算儀為例介紹智能流量測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用。

1．設(shè)計(jì)思路

流量測(cè)量?jī)x器由于其環(huán)境的特殊性和人員結(jié)構(gòu)，決定了其儀器雖說速度不用太快，但卻對(duì)可靠性有比較高的要求，并盡可能的兼容多種情況。因此用流速儀進(jìn)行流量巡測(cè)對(duì)流量測(cè)算儀提出了新的要求。

1.1 能適應(yīng)各種數(shù)據(jù)采集手段

現(xiàn)有水文站測(cè)量斷面流量時(shí)雖然流速測(cè)量統(tǒng)一采用流速儀作為傳感器，但流速儀也分旋漿、旋杯等各種類型，且其信號(hào)接口各有不同，而且除它外，其它像測(cè)量水位、起點(diǎn)距、水深等測(cè)量流量的必要數(shù)據(jù)的采集方法因受多種因素的制約，已形成“百花爭(zhēng)鳴”的局面，改變這種狀況不僅是脫離實(shí)際的，也是目前規(guī)范所不允許的。這就要求流量測(cè)量?jī)x器必須適應(yīng)多樣化的數(shù)據(jù)采集手段，也就是說要適應(yīng)各種數(shù)據(jù)接口，以便能和多種傳感器連接。

1.2 能適應(yīng)各種巡測(cè)環(huán)境

各地水文部門的測(cè)驗(yàn)方式逐步由駐測(cè)轉(zhuǎn)向駐測(cè)與巡測(cè)相結(jié)合的方式。與駐測(cè)相比，巡測(cè)的工作環(huán)境更復(fù)雜，對(duì)儀器的環(huán)境適應(yīng)能力要求更高，對(duì)儀器的功能要求更全面，對(duì)測(cè)驗(yàn)效率要求更高。這就要求智能流量測(cè)算儀具備防震、防雨性能，由于要人工使用，所以必須是小型手持式儀器，并具有自動(dòng)計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)、打印及建立數(shù)據(jù)庫等各種功能，以便為以后的工作提供方便。

1.3 測(cè)算精度符合規(guī)范要求

水文行業(yè)的巡測(cè)，雖不同于傳統(tǒng)的駐測(cè)，但仍屬流速儀法測(cè)流，因此其使用的儀器其測(cè)算精度必須達(dá)到規(guī)范要求，以確保水文資料的一致性。

1.4 我省智能流量測(cè)算儀總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述要求，我們制定的總體設(shè)計(jì)方案是：以單片機(jī)為核心，組成一個(gè)微功耗的，并由兩節(jié)普通干電池供電的手持式智能流量測(cè)量的儀器，可以記錄并完成各巡測(cè)站點(diǎn)的流速、距離、顯示、存儲(chǔ)等項(xiàng)前期任務(wù)；其中除流速測(cè)量統(tǒng)一采用流速儀做傳感器自動(dòng)記錄以外，其余各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)均采用現(xiàn)行的各種方法采集后，用鍵入法輸給該儀器。另外儀器具有與計(jì)算機(jī)通訊的功能；流量計(jì)算表的打印、建數(shù)據(jù)庫等后處理任務(wù)由配套的計(jì)算機(jī)完成。這一方案不僅大大簡(jiǎn)化了單片機(jī)前向通訊配置，而且也給后續(xù)處理工作創(chuàng)造了良好的外部條件。

2.主要結(jié)構(gòu)和工作原理

智能流量測(cè)算儀智能部件包括80C31單片機(jī)、128KB掉電保護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、128KB程序存儲(chǔ)器、纜道測(cè)量接口電路、16×2字符式液晶顯示屏、通信接口電路、4×6陣列薄膜按鍵開關(guān)、輸入接口電路、電源變換電路及音響報(bào)警電路等（見附圖）。

流量測(cè)算儀硬件采用了節(jié)能、便攜的設(shè)計(jì)。使用微功耗芯片，簡(jiǎn)化了不必要的程序，只設(shè)置了“工作”與“閑置”兩種運(yùn)行模式；智能部件集成于一個(gè)萬用表大小的盒子中；由兩節(jié)普通1.5V5號(hào)電池供電即可保證儀器的正常運(yùn)行，尤其適用野外巡測(cè)方便攜帶及低功耗的要求。

智能流量測(cè)算儀結(jié)構(gòu)示意框圖

完整的測(cè)量數(shù)據(jù)采集、計(jì)算程序已預(yù)先固化在程序存儲(chǔ)器芯片中。當(dāng)電源啟動(dòng)后，儀器首先要對(duì)儀器性能進(jìn)行自檢；自檢通過后進(jìn)入閑置工作方式，等待命令；輸入測(cè)量斷面的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)：如斷面號(hào)、流速儀系數(shù)、施測(cè)時(shí)間、天氣、平均流速系數(shù)、邊孔流速系數(shù)和流量改正系數(shù)；然后按提示的順序通過數(shù)字鍵盤輸入測(cè)速延時(shí)、起點(diǎn)距、測(cè)時(shí)水位、水深等數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存于儀器中。每次按鍵相當(dāng)于提出一次中斷申請(qǐng)，隨后該儀器便自動(dòng)進(jìn)入工作模式，按鍵結(jié)束后會(huì)自行退出工作模式重新進(jìn)入閑置模式，等待新的申請(qǐng)。流速儀傳感器發(fā)出的測(cè)速信號(hào)由輸入電路進(jìn)入智能部件，經(jīng)過處理后的流速信號(hào)送入單片機(jī)，然后由程序自動(dòng)計(jì)算測(cè)點(diǎn)流速值，即時(shí)顯示在液晶屏幕上，并將結(jié)果存入存儲(chǔ)器中。整個(gè)測(cè)流過程完成后，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算出斷面流速，顯示出測(cè)流結(jié)果并可輸出，滿足現(xiàn)場(chǎng)分析及拍報(bào)需求。

3．試用情況與鑒定評(píng)價(jià)

智能流量測(cè)算儀研制完成后，經(jīng)我省10個(gè)直屬水文局及海委漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局引黃穿衛(wèi)樞紐管理所；山東省聊城水文水資源勘測(cè)局等單位的實(shí)際使用和對(duì)比，證明本智能測(cè)算儀其各項(xiàng)性能均滿足了設(shè)計(jì)方案所設(shè)計(jì)的要求；其測(cè)算結(jié)果與常規(guī)法測(cè)流時(shí)用人工計(jì)算結(jié)果完全一致。

與此同時(shí)在該智能儀器研制完成后，經(jīng)河北省水利廳邀請(qǐng)的國內(nèi)水文部門的權(quán)威專家教授，對(duì)該儀器進(jìn)行了鑒定；認(rèn)為“該儀器能適應(yīng)野外巡測(cè)環(huán)境，能現(xiàn)場(chǎng)一次完成流速測(cè)量、流量計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作，后續(xù)處理工作較完善，操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，性能價(jià)格比較好，測(cè)算結(jié)果符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求。可以減輕測(cè)驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率，為開展巡測(cè)儀器配套工作創(chuàng)造了有利的條件”，并認(rèn)定“該儀器具有實(shí)用、新穎的特點(diǎn)，在多斷面巡測(cè)中一次完成流量測(cè)算方面，能夠達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平”?！?/p>