SFL?系列浮子式量水堰儀電路改進設計

梁永榮 ，孫國強 ，梅 星

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

浮子式量水堰儀主要用于壩體、壩基、基巖等水工建筑物的滲流量觀測，采用量水堰法自動測量量水堰堰上水位，也可作為小量程水位計、閘位計使用，用于測量庫、灌渠水位及閘門開度等[1]。由于水工建筑物工程現(xiàn)場普遍存在雷擊嚴重、溫差和濕氣較大等現(xiàn)象，使得無相關防護措施的自動化監(jiān)測儀器和設備測值誤差較大，損壞嚴重，給管理方帶來較大管理難度及經(jīng)濟損失。針對 SFL 系列浮子式量水堰儀在大壩安全監(jiān)測工程實際應用中暴露出來的浪涌保護弱、防潮效果差、可靠性欠佳等問題進行電路改進，設計一款新型 TS_485 變送器，通過專業(yè)的結構封裝，與 SFL 系列浮子式量水堰儀內(nèi)嵌成智能一體化傳感儀器。

1 浮子式量水堰儀結構與原理

1.1 結構

SFL 系列浮子式量水堰儀由電子編碼傳感器、轉(zhuǎn)輪、浮子、懸索、平衡錘等部件組成，結構示意圖如圖 1 所示。浮子、平衡錘與懸索連接牢固，懸索懸掛在水位輪的“U”形槽中，平衡錘起拉緊懸索和平衡作用，調(diào)整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水線上[2]。

圖 1 SFL 系列浮子式量水堰儀的結構示意圖

1.2 原理

SFL 系列浮子式量水堰儀通過浮子感應水位變化，通過轉(zhuǎn)輪帶動電子編碼傳感器工作。當水位不變時，浮子與平衡錘兩邊的力是平衡的，電子編碼傳感器的輸出值不變；當水位上升時，浮子產(chǎn)生向上浮力，使平衡錘拉動懸索帶動水位輪作逆時針方向旋轉(zhuǎn)，電子編碼傳感器的輸出值增加；水位下降時，浮子下降，拉動懸索帶動水位輪順時針方向旋轉(zhuǎn)，傳感器的輸出值減小。

浮子式量水堰儀的輸出為電壓信號，由 5 芯屏蔽電纜引出（藍、黑、紅、綠、白），測量原理如圖 2 所示，其中，R1，R2，R3，R4，R5為電纜芯線電阻，R藍紅，R紅白為浮子式量水堰儀傳感器的分壓電阻，U藍紅，U紅白為浮子式量水堰儀傳感器的分電壓，U藍白為浮子式量水堰儀傳感器的總電壓。由于R1，R2，R3，R4，R5芯線電阻與 R藍紅和 R紅白分壓電阻相比阻值可以忽略不計，則 U23的值接近與 U藍紅，即 U23≈U藍紅，同理 U34≈U紅白。

圖 2 SFL 系列浮子式量水堰儀的電路測量原理圖

由圖 2 可知：

整理可得：

在此原理下，考慮消除芯線電阻對測量電壓的影響，需要采集 U23和 U34電壓信號測值，在實際電壓采集電路中，需要采集 U黑白，U紅白，U綠白3 個電壓值。

2 智能一體化傳感儀器硬件設計

2.1 技術指標

智能一體化傳感儀器技術指標如表 1 所示。

2.2 硬件設計

在 SFL 系列浮子式量水堰儀基礎上，采用進口高精度旋轉(zhuǎn)電位器，設計新型 TS_485 變送器系統(tǒng)。新型變送器系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、通訊及電源 5 個模塊，主要基于微功耗STC15F2K60S2 微處理器平臺，采用雙通道、高分辨率 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換電路，Modbus 標準協(xié)議 RS-485通訊接口，4 kV/1A 防雷和靜電保護電路。本研究主要介紹電壓采集及防雷 2 個電路的設計。

表 1 智能一體化儀器技術指標

2.2.1 電壓采集電路設計

根據(jù)測量原理可知，TS_485 變送器需要提供SFL 系列浮子式量水堰儀供電電壓 U藍白，需要采集 U黑白，U紅白和 U綠白3 個電壓。為將傳感器信號與 TS_485 變送器信號隔離，提高系統(tǒng)可靠性，減少 A/D 芯片使用個數(shù)，降低成本，使用光耦繼電器 AQW214EH 進行信號電壓隔離和高速切換。AQW214EH 光耦繼電器無機械觸點，因此沒有觸點的磨損，使用壽命接近于無限；驅(qū)動部分不僅具有光耦特性，能抑制干擾信號傳輸，還具有低電流控制，高隔離電壓，高速切換，低泄漏電流功能特性。電壓采集電路設計如圖 3 所示。

圖 3 電壓采集電路設計

當 TS_485 變送器接收到測量命令后，微處理器控制管腳 CON_S_V 輸出“1”，三極管和光耦繼電器相繼導通，為儀器藍、白線提供 2.5 V 電壓（AD780_OUT 輸出 2.5 V[7]）；微處理器控制管腳 CON_S_V1， CON_S_V2，CON_S_V3 依次置“1”，光耦繼電器依次導通，輸出 U黑白，U紅白和 U綠白供 A/D 采樣，再根據(jù)公式（3）計算 U23，U34的比值。

2.2.2 防雷電路設計

在工程現(xiàn)場中，自動化監(jiān)測系統(tǒng)若采用市電供電，RS-485 通訊等有線傳輸時，因傳輸線通常暴露于戶外，極易因雷擊等引入過電壓。而電壓轉(zhuǎn)換和通訊等芯片的工作電壓較低，耐壓值也非常低，一旦過壓會擊穿損壞；當有強烈浪涌能量出現(xiàn)時，有的芯片會爆裂，線路板會焦糊，自動化監(jiān)測系統(tǒng)可能直接癱瘓，無法測控。因此防雷擊保護電路設計十分必要，設計的防雷電路如圖 4 所示。

當雷擊發(fā)生時，感應過電壓由 A/B 線引入，經(jīng)過 PTC（BK250-120），GDT（SMD4532-075NF）作為初級共模防護，GDT 可以承受 10 kA（8/20 μs）浪涌沖擊。這樣殘壓降低到 1 kV 以下，經(jīng)過 TVS（SMBJ5.0CA）二級保護進行共模保護，到 RS-485 收發(fā)器（MAX485ESA）的電壓被鉗制在12 V 以下，同時，通過 A/B 線上的上拉電壓可保證A/B 線上的電壓保持在高電平而實現(xiàn)對收發(fā)器的浪涌保護。電源電壓防雷電路設計原理一樣，都是經(jīng)過 PTC，GDT 和 TVS 一級、二級保護，將電壓鉗制在 12 V。

3 實驗與分析

為驗證 TS_485 變送器電路的合理性，及對大壩流量觀測惡劣環(huán)境的適應性，結合 SFL-300 浮子式量水堰儀，進行 TS_485 變送器的精度、重復性和遲滯性、長期穩(wěn)定性、高溫高濕和高低溫等實驗。

圖 4 RS-485 通訊防雷電路設計

3.1 TS_485 變送器精度、重復性、遲滯性實驗

本實驗將可編程線性直流電源 DP832A 作為基準穩(wěn)壓電源，五位半數(shù)字萬用表 8808A 測量值作為實際值，TS_485 變送器測值為測量值，分 0 V 1 個，2.5，2.0，1.5，1.0 ，0.5 V 各 2 個共計 11 個測點，進行 TS_485 變送器精度、重復性、遲滯性實驗。

系統(tǒng)滿量程是 2.5 V，滿量程最大重復誤差計算公式如下：

式中：σ重是系統(tǒng)滿量程最大重復誤差；Ui是單線程每個測點電壓測值；n 是測點測值次數(shù)，此處 n = 3。

滿量程最大遲滯性誤差計算公式如下：

式中：σ遲是系統(tǒng)滿量程最大遲滯誤差；U進i，U回i分別是雙線程每個測點的進程和回程測值；n 是線程次數(shù)，此處 n = 3。

試驗和計算結果如表 2 和 3 所示，可以得到：滿量程 TS_485 變送器最大相對誤差為 0.024%，最大重復性誤差為 0.04%，最大遲滯性誤差為 0.02%。

3.2 TS_485 變送器長期穩(wěn)定性實驗

在工程現(xiàn)場中，儀器分布往往比較分散，有的工程為降低監(jiān)測成本，儀器距離監(jiān)測中心可能長達500 多 m。這樣易產(chǎn)生長電纜芯線電阻值，尤其對電壓信號監(jiān)測會產(chǎn)生分壓值，使得儀器存在較大測量誤差。本電路改進設計中采用RS-485 通訊進行數(shù)據(jù)傳輸，從根本上解決工程現(xiàn)場長電纜或者電壓拉偏帶來的誤差問題，實驗記錄數(shù)據(jù)如表 4 所示。

從表 4 可以看出，400 和 800 m 長距離測量，測量值基本不變，非線性誤差低到0.03%。根據(jù)穩(wěn)定性誤差計算公式可得，長期穩(wěn)定性誤差 ≤ 0.02%。

3.3 TS_485 變送器環(huán)境適應性實驗

水工建筑物工程現(xiàn)場溫差大，濕氣重，為驗證 TS_485 變送器能夠在（-20～60 ℃）及 95%RH 環(huán)境中正常運行，分別進行高溫高濕（40℃，95%RH）和高低溫（-20～60 ℃）實驗，模擬現(xiàn)場工作環(huán)境，監(jiān)測TS_485 變送器的穩(wěn)定性能。2 個實驗都在恒溫、恒濕實驗箱中進行，實驗數(shù)據(jù)如表 5 和 6 所示。

表 2 TS_485 變送器精度實驗

從表 5 中可以看出，TS_485 變送器在恒溫、恒濕（40℃，95%RH）條件下，能夠正常運行，固定測點測值基本不變。經(jīng)計算可以得到常溫與高溫高濕狀態(tài)下最大誤差為 0.24%。

同理可得，高溫與常溫下最大誤差為 0.23%，低溫與常溫下最大誤差為 0.25%。

各實驗結果表明，滿量程 TS_485 變送器相對誤差，及長期穩(wěn)定性、重復性、遲滯性誤差，均滿足SL 268—2001《大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)設備基本技術條件》要求（不大于 0.25%F.S）。

表 3 重復性、遲滯性實驗

表 4 長電纜長期穩(wěn)定性實驗

表 5 高溫高濕實驗

表 6 高低溫實驗

4 工程應用效果

亭下水庫位于奉化江支流剡江上，大壩在溪口鎮(zhèn)上游 7 km 處，壩址以上集水面積為 176 km2，壩頂長 317 m，最大壩高為 76.5 m，壩頂高程為93.05 m，總庫容為 1.50 億 m3，是一座以防洪、灌溉為主，結合發(fā)電、供水等綜合利用的工程。亭下水庫采用智能一體化浮子式量水堰儀進行流量測量，經(jīng)過 1 a 的使用，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測量精度高，基本無維護，流量曲線如圖 5 所示。

圖 5 亭下水庫智能一體化浮子式量水堰儀 1 a 流量

5 結語

本設計通過 TS_485 變送器的研制對 SFL 系列浮子式量水堰儀進行了電路改進，通過實驗室實驗和工程現(xiàn)場使用，可以看出，經(jīng)過電路改進的 SFL系列浮子式量水堰儀穩(wěn)定性更高，精度更高，性能優(yōu)越。這使得該智能傳感器還可以推廣應用于水資源管理、地下水監(jiān)測、中小河流、滲流監(jiān)測等工程項目的流量和水位測量。而 TS_485 變送器小型化、嵌入式、低功耗等設計理念緊隨現(xiàn)在智能傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展趨勢，對現(xiàn)在工程監(jiān)測儀器的改革方向起到一定的借鑒作用。