低成本磁感應(yīng)浮子水位計(jì)研發(fā)

謝崇寶，高 虹，白 靜，黃 斌，湯 博

(1.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

0 前 言

根據(jù)水位計(jì)工作原理的不同，可以將水位計(jì)分為：壓力式水位計(jì)、浮子式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)和激光水位計(jì)。壓力式水位計(jì)根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，運(yùn)用壓敏組件作傳感器來(lái)測(cè)量水位。超聲波式水位計(jì)利用超聲波反射的原理來(lái)測(cè)量水位，傳感器向水面發(fā)射超聲波，超聲波遇到水面立即發(fā)生反射，采用傳播的時(shí)間、安裝高度間接計(jì)算水位。浮子式水位計(jì)利用浮子跟蹤水位升降，以機(jī)械方式直接傳動(dòng)記錄水位，浮子式水位計(jì)需有測(cè)井設(shè)施。激光水位計(jì)與超聲波水位測(cè)量水位的原理相似，采用激光反射的原理來(lái)測(cè)量水位。由于在農(nóng)田水位的灌溉渠道一般為規(guī)則斷面，在恒定均勻流動(dòng)假設(shè)的前提下，在水位-流量關(guān)系曲線上，水位與流量存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)水位可以推求出斷面的過(guò)水流量，因此在利用儀器測(cè)量灌區(qū)渠道的流量方面，采用水位計(jì)比較簡(jiǎn)單實(shí)用。

在我國(guó)，浮子水位計(jì)的研發(fā)和使用可以追溯到20世紀(jì)70年代[1]。2006年，祝玲等人研制了適用于自動(dòng)測(cè)量引黃灌區(qū)斗口流量的智能浮子式水位計(jì)[2]，其利用倒置的量筒中浮子傳感器移動(dòng)測(cè)量水位的變化情況，不需要安裝在專(zhuān)門(mén)的測(cè)井內(nèi)，但在渠道水流中泥沙含量過(guò)大的情況下，容易在量筒中淤積，從而水位計(jì)無(wú)法正常工作。謝崇寶和黃斌改進(jìn)了機(jī)械式浮子水位計(jì)，引入了電子存儲(chǔ)設(shè)備，可以實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)水位的變化過(guò)程[3]。2012年，侯煜等人對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式浮子水位計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，研制了新型浮子水位計(jì)，采用上下輪的封閉式結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了浮筒與重錘，減少了測(cè)繩與轉(zhuǎn)輪打滑的可能性[4]。

1 工作原理

機(jī)械式浮子水位計(jì)工作原理如圖1所示，根據(jù)浮筒和重錘的受力有：

Gft-Fft=Gzc-Fzc

(1)

式中：Gft為浮筒受到的重力；Fft為浮筒受到的浮力；Gzc為重錘受到的重力；Fzc為重錘受到的浮力。

圖1 機(jī)械式浮子水位計(jì)工作原理示意圖

重錘受到的浮力為：

Fft=Gft-Gzc+Fzc

(2)

對(duì)于確定的機(jī)械浮子水位計(jì)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)ft為一固定值，由于浮筒受到的浮力一定，也就是說(shuō)浮筒總是保持同樣的浸沒(méi)深度。水位上升Δ時(shí)，浮筒跟蹤水面變化，浮筒也上浮Δ的距離，重錘會(huì)牽引懸索下降同樣的距離。當(dāng)水位下降時(shí)，原理類(lèi)似。懸索移動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，與轉(zhuǎn)輪同軸的編碼器也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并輸出編碼值到數(shù)據(jù)采集裝置，采集裝置根據(jù)編碼值計(jì)算得到實(shí)際水位值。傳統(tǒng)的浮子水位計(jì)的缺點(diǎn)有：①當(dāng)重錘露出水面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；②當(dāng)水位變化劇烈時(shí)，可能造成懸索打滑；③需要安裝在測(cè)井中。

在本文中研發(fā)了一種新型磁感應(yīng)浮子水位計(jì)(圖2)。磁感應(yīng)浮子水位計(jì)測(cè)桿內(nèi)等距布設(shè)磁敏開(kāi)關(guān)，磁浮球懸浮在水面上，在水位變化時(shí)，磁浮球跟隨水面沿著測(cè)桿上下移動(dòng)。

圖2 磁感應(yīng)浮子水位計(jì)示意圖

磁浮球受到的浮力為：

Ffq=Gfq

(3)

式中：Gfq為磁浮球受到的重力；Ffq為磁浮球受到的浮力。

對(duì)于確定的磁感應(yīng)浮子水位計(jì)來(lái)說(shuō)，由于磁浮球受到的浮力一定，磁浮球總是保持同樣的浸沒(méi)深度。如圖3所示，磁浮球內(nèi)部的磁敏開(kāi)關(guān)6會(huì)閉合，數(shù)據(jù)采集裝置根據(jù)電流信號(hào)，判斷磁敏開(kāi)關(guān)6的位置計(jì)算得到水位。為了防止水位短時(shí)間內(nèi)的劇烈波動(dòng)帶來(lái)的誤差，數(shù)據(jù)采集裝置在短時(shí)間內(nèi)采集30次數(shù)據(jù)，只存儲(chǔ)其平均值作為本次的觀測(cè)值。磁感應(yīng)浮子水位計(jì)的量程取決于測(cè)桿的長(zhǎng)度，其精度取決于磁敏開(kāi)關(guān)的間距。

圖3 局部放大圖

2 關(guān)鍵構(gòu)件及特點(diǎn)

磁感應(yīng)浮子水位計(jì)如圖4所示，組成部分有：

圖4 磁感應(yīng)浮子水位計(jì)的整體效果

(1)磁浮球：磁浮球懸浮在水面上，當(dāng)水位變化時(shí)，磁浮球沿著測(cè)桿上下移動(dòng)，追蹤水面的變化。

(2)測(cè)桿：內(nèi)置磁敏開(kāi)關(guān)，磁敏開(kāi)關(guān)在磁浮球磁場(chǎng)的作用下，會(huì)由斷開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)，接通電路，產(chǎn)生電流信號(hào)。

(3)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)模塊：位于磁感應(yīng)水位計(jì)頂部的密封盒中，其功能為按照設(shè)定的時(shí)間間隔，采集電流信號(hào)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)，并存儲(chǔ)起來(lái)。

(4)通信模塊：位于獨(dú)立的密封盒中，支持GPRS/CDMA通訊方式，由外部供電，在實(shí)時(shí)通訊狀態(tài)下，通過(guò)GPRS/CDMA模塊將水位測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上。

磁感應(yīng)浮子水位計(jì)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)為一體，可以提高效率，降低功耗。在非實(shí)時(shí)通訊的狀態(tài)下，2節(jié)5號(hào)電池可工作一年。電路板、磁敏開(kāi)關(guān)、采集存儲(chǔ)模塊、電池都密封在水位計(jì)的測(cè)桿或頂部密封盒內(nèi)，不接觸水體。可以在采用手持?jǐn)?shù)據(jù)通訊終端，對(duì)磁浮子水位計(jì)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，讀取水位資料。磁感應(yīng)浮子水位計(jì)采用電磁感應(yīng)的方式獲取水位信息，不再采用機(jī)械傳動(dòng)的方式，解決了懸索可能變形及打滑脫落問(wèn)題。整個(gè)水位計(jì)的密封性較好，僅在更換電池時(shí)需打開(kāi)密封蓋，因此不受其可以克服壓力式水位計(jì)的缺點(diǎn)，不受水體中的泥沙影響。同時(shí)磁感應(yīng)浮子水位計(jì)受溫度等環(huán)境因素影響不大，不需要進(jìn)行溫度修正。

3 使用效果及評(píng)價(jià)

在我國(guó)的大部分灌區(qū)水位計(jì)的量程較小，主要集中在0.5和1 m，采用磁敏開(kāi)關(guān)作為水位感應(yīng)器件的優(yōu)點(diǎn)為在水位計(jì)量程較小時(shí)成本低廉，有利于在灌區(qū)管道中大量推廣。磁感應(yīng)浮子水位計(jì)的精度取決于磁敏開(kāi)關(guān)的密度，試制了精度1和0.5 cm，量程為0.5和1 m的磁感應(yīng)浮子水位計(jì)。將試制的水位計(jì)安裝在山東省濱州市簸箕李灌區(qū)的渠道上，使用情況良好。

[1] 姚永熙. 浮子式水位計(jì)綜述[J]. 水利水文自動(dòng)化，1992,(2):23-26.

[2] 祝 玲，盧勝利，馬國(guó)華，等. 智能浮子式水位計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2006,(6):52-54.

[3] 謝崇寶，黃 斌. 低功耗自記式浮子水位計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006,(1):113-114.

[4] 侯 煜，于興晗，張 軍，等. 新型浮子式水位計(jì)的研制與應(yīng)用[J]. 水利信息化，2012,(5):36-39.