基于無線模塊的地下流體井水位校測(cè)裝置

張 敏 戴 波 張 揚(yáng) 宮 杰 王 佳

（中國南京 210014 江蘇省地震局）

0 引言

數(shù)字式水位儀具有測(cè)量分辨率較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性良好等特點(diǎn)，在地震地下井水位觀測(cè)中廣泛應(yīng)用（石巖等，2014；居海華等，2017）。壓力式水位傳感器具有較高的測(cè)量精度，是數(shù)字式水位儀的重要組成部分，主要用于檢測(cè)井孔中水柱的壓力變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成探頭到水面的高度變化，井水位觀測(cè)的測(cè)量對(duì)象是水位埋深，即地下水面相對(duì)于基準(zhǔn)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(cè)量值進(jìn)行換算得到（中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2007）。然而，儀器在長(zhǎng)期觀測(cè)中存在零漂等問題，影響觀測(cè)資料質(zhì)量（劉春國等，2018）。為了保證井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)有效，根據(jù)地震行業(yè)規(guī)范的相關(guān)要求，需要定期現(xiàn)場(chǎng)校測(cè)水位，校正儀器相關(guān)參數(shù)。因此，水位校測(cè)對(duì)提高流體觀測(cè)網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量與監(jiān)測(cè)效能具有重要意義，是規(guī)范井水位觀測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

水位校測(cè)可分為靜水位和動(dòng)水位校測(cè)，當(dāng)前國內(nèi)流體臺(tái)站的井水位觀測(cè)中，靜水位觀測(cè)明顯多于動(dòng)水位觀測(cè)（馮恩國等，2012）。靜水位校測(cè)的需求更加廣泛，常用校測(cè)方法有測(cè)鐘法和電極法。地震流體臺(tái)站水位埋深從幾米到幾十米不等，且校測(cè)精度要達(dá)到1 mm，因此實(shí)現(xiàn)大量程、高精度的水位校測(cè)，存在較大難度。水位校測(cè)本質(zhì)上是水位測(cè)量，測(cè)量技術(shù)發(fā)展成熟，測(cè)量裝置類型多樣（劉彧等，2019）。相比測(cè)鐘法，電極法在測(cè)量精度上有了較大提高，且簡(jiǎn)單便攜、易于操作。電極法的工作原理為，校測(cè)探頭端部一般有2 個(gè)探針，當(dāng)探針電極接觸水面時(shí)，水作為導(dǎo)電介質(zhì)使電極之間形成閉合回路，測(cè)量?jī)x的蜂鳴器報(bào)警、指示燈閃光。此外，其他類型的校測(cè)裝置也逐步得到應(yīng)用。例如，采用浮子式的測(cè)量探頭，即探頭內(nèi)部設(shè)置磁簧開關(guān)（干簧管），并在探頭前端設(shè)有一個(gè)環(huán)形磁鐵浮子，浮子在一定范圍內(nèi)可動(dòng)，接觸到水面時(shí)，浮子中的磁鐵吸合磁簧開關(guān)，導(dǎo)致測(cè)量?jī)x報(bào)警。

使用測(cè)鐘法和電極法進(jìn)行靜水位現(xiàn)場(chǎng)校測(cè)過程中，需要緩慢尋找測(cè)鐘或探頭電極觸點(diǎn)接觸水面的確切位置，人工讀取刻度尺示數(shù)，對(duì)使用者的熟練程度有較高要求。鋼尺水位計(jì)是一種典型的電極式水位測(cè)量裝置，多應(yīng)用于地下流體井、鉆孔等水位測(cè)量。然而，傳統(tǒng)的鋼尺水位計(jì)通過塑膠工藝將刻度尺和導(dǎo)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(cè)為透明塑膠覆膜加工而成，若鋼尺電纜發(fā)生彎折、老化等變形，會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響，不便于維護(hù)。

文中介紹了一種基于無線模塊的水位校測(cè)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(hào)傳輸?shù)降孛?，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警和指示燈顯示，并設(shè)計(jì)了讀數(shù)模塊，研制了水位校測(cè)裝置樣機(jī)來開展實(shí)驗(yàn)研究和臺(tái)站測(cè)試。

1 工作原理

地震流體井下水位校測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)主要包括探頭、鋼卷尺和讀數(shù)模塊、接收?qǐng)?bào)警模塊（圖1），其中探頭包括探頭殼體、多電極探針、無線發(fā)射模塊和供電電池。

圖1 流體井下水位校測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the designed water level calibration device

流體井下水位校測(cè)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(cè)量時(shí)探頭接觸流體井中的水面。由于探針長(zhǎng)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(hào)通過探頭中的無線發(fā)射模塊，先進(jìn)行編碼，再發(fā)射至接收模塊。接收模塊通過解碼，對(duì)探頭與水面的接觸情況進(jìn)行指示和報(bào)警，然后從讀數(shù)模塊的鋼卷尺刻度上讀數(shù)，記錄測(cè)量值，再轉(zhuǎn)換成水位埋深值，即完成水位校測(cè)工作。

多電極探針裝配后長(zhǎng)度差不大于1 mm，探頭的測(cè)量精度優(yōu)于1 mm。以探頭采用4個(gè)電極探針（其中1 個(gè)公共電極）為例，即探針P1—P4，探針P1比探針P2長(zhǎng)，探針P2比探針P3長(zhǎng)，探針P4為公共電極，與探針P1長(zhǎng)度相等。相應(yīng)地，在接收?qǐng)?bào)警模塊上設(shè)置3 個(gè)指示燈L1—L3和1 個(gè)蜂鳴器F1。將探頭各個(gè)探針與井下水面接觸的通斷信號(hào)通過無線發(fā)射，接收?qǐng)?bào)警模塊會(huì)發(fā)出報(bào)警并顯示，其中探針接觸水面時(shí)接收?qǐng)?bào)警模塊的報(bào)警提示見表1。校測(cè)裝置的鋼卷尺零點(diǎn)從探針P1頂端計(jì)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(shí)接收?qǐng)?bào)警模塊的報(bào)警提示Table 1 Receiver warning when the probe touches the water

無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用于車輛監(jiān)控、遙控遙測(cè)、門禁系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、機(jī)器人控制等領(lǐng)域，技術(shù)成熟，傳輸穩(wěn)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(fā)射模塊和無線接收模塊，其中無線發(fā)射模塊設(shè)置在探頭內(nèi)部，無線接收模塊則為接收?qǐng)?bào)警模塊的組成部分。

在一般水位校測(cè)過程中，由于井口高度較低，超出地面較少，讀數(shù)時(shí)難以保證視線與刻度尺平齊，不可避免地造成讀數(shù)誤差?；阱e(cuò)位放大原理設(shè)計(jì)的讀數(shù)模塊，可以減小讀數(shù)誤差。游標(biāo)卡尺是一種典型的基于錯(cuò)位放大原理的量具，測(cè)量精度高，使用廣泛。基于該原理設(shè)計(jì)的校測(cè)裝置配有固定支座，在支座上安裝讀數(shù)模塊。讀數(shù)模塊包含一個(gè)固定的游標(biāo)尺，校測(cè)工具選用的鋼卷尺可作為主尺，并在讀數(shù)模塊上確定讀數(shù)基準(zhǔn)點(diǎn)。測(cè)量過程中，連接探頭的鋼卷尺可動(dòng)，游標(biāo)尺相對(duì)固定，讀取并記錄井口到基準(zhǔn)點(diǎn)的刻度值H1和探針P1接觸水面的刻度值H2，則水位校測(cè)的埋深值為H=H2－H1。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 探頭和探針

探頭是校測(cè)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(jié)構(gòu)見圖2所示，探頭上端連接鋼卷尺，下端探測(cè)井下水面，中間部分用于安裝電池，為無線發(fā)射模塊供電。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the probe

多電極探針設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可提高探針接觸井下水面探測(cè)的準(zhǔn)確度。為保證校測(cè)裝置的測(cè)量精度不低于1 mm，各電極探針裝配后的長(zhǎng)度差不高于1 mm。此外，探頭上的多電極結(jié)構(gòu)，需要盡可能增大電極探針的布設(shè)間距，避免電極上有水粘滯或混入鐵銹等雜質(zhì)，造成誤導(dǎo)通。

2.2 無線模塊

設(shè)計(jì)選用315 MHz 無線模塊，其無線發(fā)射模塊采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度高。采用PT2262/PT2272編碼、譯碼芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

無線發(fā)射模塊結(jié)合編碼芯片PT2262 進(jìn)行編碼電路設(shè)計(jì)，見圖3(a)。經(jīng)過芯片17 腳串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)，被調(diào)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(hào)，經(jīng)解調(diào)，通過譯碼芯片PT2272，電路設(shè)計(jì)見圖3(b)。數(shù)據(jù)信號(hào)從芯片14 腳輸入，解碼后導(dǎo)致蜂鳴器報(bào)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(shù)模塊

為了減小人為讀數(shù)誤差，基于錯(cuò)位放大原理設(shè)計(jì)讀數(shù)模塊。該模塊以鋼卷尺為主尺，設(shè)有一個(gè)固定游標(biāo)尺（圖4）。游標(biāo)尺可選擇為10、20 或50 個(gè)分格，鋼卷尺精度為1 mm。測(cè)量過程中主尺（鋼卷尺）可動(dòng)，游標(biāo)尺固定，讀數(shù)的基準(zhǔn)點(diǎn)為游標(biāo)尺的零刻度線。理論上，利用該讀數(shù)模塊可提高測(cè)量過程中的讀數(shù)精度。例如，當(dāng)游標(biāo)分格取為20 時(shí)，讀數(shù)可精確到0.05 mm。

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

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 誤差分析

由于鋼卷尺選用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，刻線精度已通過出廠檢定，因此影響測(cè)量精度的因素主要包括系統(tǒng)誤差（例如機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配誤差、探針電極的安裝誤差）和隨機(jī)誤差（例如人為操作誤差）。

系統(tǒng)誤差可通過實(shí)驗(yàn)分析消除，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正；隨機(jī)誤差需要增加測(cè)量次數(shù)，計(jì)算多次校測(cè)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(biāo)定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。具體實(shí)驗(yàn)方法為，將探頭懸掛固定，取一個(gè)量杯，加入適量的水，將量杯固定在高精度升降臺(tái)上，調(diào)整升降臺(tái)的升降位移，例如每次上升或下降一定位移，根據(jù)表1 數(shù)據(jù)所示，觀察各個(gè)探針接觸水面以及接收?qǐng)?bào)警模塊的工作情況。

3.2 臺(tái)站實(shí)驗(yàn)

基于無線數(shù)據(jù)傳輸原理，試制地下流體井水位校測(cè)裝置樣機(jī)1 套，多電極探針裝配后的長(zhǎng)度差設(shè)置為1 mm，校測(cè)裝置的測(cè)量精度為1 mm，開展臺(tái)站測(cè)試和實(shí)驗(yàn)研究。按照地下流體井水位現(xiàn)場(chǎng)校測(cè)規(guī)范的要求，校測(cè)連續(xù)重復(fù)測(cè)量5 次，計(jì)算平均值和平均誤差，并填寫水位校測(cè)記錄表，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。在臺(tái)站實(shí)驗(yàn)中，與市場(chǎng)上商業(yè)化的水位校測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行比測(cè)，結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的水位校測(cè)裝置可用于地震流體臺(tái)站的靜水位校測(cè)，驗(yàn)證了基于無線模塊設(shè)計(jì)地下流體井水位校測(cè)裝置的可行性。

表2 流體臺(tái)站水位校測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Comparison experiments of water level calibration in underground fluids stations

4 結(jié)束語

基于無線模塊的地下流體井水位校測(cè)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(hào)被傳輸?shù)綀?bào)警模塊，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警和指示燈顯示，讀數(shù)模塊記錄刻度值。按照水位校測(cè)規(guī)范要求，計(jì)算獲得水位校測(cè)值。通過設(shè)計(jì)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路等，研制水位校測(cè)裝置樣機(jī)開展實(shí)驗(yàn)和臺(tái)站測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方案的可行性。

本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了水位校測(cè)功能，滿足使用需求和相關(guān)規(guī)范要求，可應(yīng)用于地震流體井下靜水位校測(cè)。研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用在固定底座上安裝讀數(shù)模塊的設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的水位校測(cè)裝置，增加了裝置的復(fù)雜程度，需要進(jìn)一步優(yōu)化裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)，以使校測(cè)裝置簡(jiǎn)單便攜。另外，在探頭中的多電極探針結(jié)構(gòu)布局和材質(zhì)選型等方面需要開展更深入的研究，以進(jìn)一步提高水位校測(cè)裝置的測(cè)量精度。