磁滯伸縮式一體化電子水尺在袁惠渠灌區(qū)的推廣應(yīng)用研究

楊 楠

（江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029）

0 引言

灌區(qū)量水需要對(duì)灌溉渠道進(jìn)行水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，目前，應(yīng)用到灌區(qū)渠道水位測(cè)量的設(shè)備很多，但多數(shù)水位監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中存在施工效率低、成本高、穩(wěn)定性差等問(wèn)題[1-3]。因此，結(jié)合灌區(qū)的現(xiàn)狀，急需推廣應(yīng)用施工安裝簡(jiǎn)便、量測(cè)精準(zhǔn)、適應(yīng)度高、經(jīng)濟(jì)的渠道水位自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備。

基于磁滯伸縮效應(yīng)的一體化簡(jiǎn)易電子水尺采用磁滯伸縮原理，具有測(cè)量精度高、測(cè)值穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，便于施工安裝等特點(diǎn)。2020年3月，在袁惠渠灌區(qū)袁惠渠總干渠洋津泄洪閘渠段安裝一套磁滯伸縮式一體化簡(jiǎn)易電子水尺，4月正式開(kāi)始對(duì)渠道斷面水位進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，驗(yàn)證一體化電子水尺水位自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性、數(shù)據(jù)精度是否達(dá)到水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以及在江西灌區(qū)渠道水位觀測(cè)應(yīng)用的適用性。

1 磁滯伸縮式一體化電子水尺測(cè)量原理

磁滯伸縮式一體化簡(jiǎn)易電子水尺采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路主要由先進(jìn)的微控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、大容量存儲(chǔ)器、遠(yuǎn)距離通訊（GPRS/GSM）和太陽(yáng)能充電控制電路、藍(lán)牙通信模塊組成。根據(jù)用戶的水位采集頻次要求，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路按照設(shè)定的時(shí)間間隔，啟動(dòng)微控制器工作、進(jìn)行實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)采集、計(jì)算處理，并將測(cè)量結(jié)果和采集時(shí)間保存記錄、按照水位數(shù)據(jù)測(cè)報(bào)要求規(guī)則編碼，通過(guò)遠(yuǎn)距離通訊模塊上傳至監(jiān)測(cè)接收中心。同時(shí)還可遠(yuǎn)傳上報(bào)水位超限報(bào)警信息，水位、流量、設(shè)備電壓及設(shè)備工作參數(shù)等數(shù)據(jù)信息到指定的IP地址上。上述電路工作都處于超低功耗狀態(tài)，采樣及傳輸工作時(shí)間短，非采樣時(shí)間進(jìn)入整機(jī)休眠模式、功耗極微，供電方式采用鋰電池供電、能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

其核心測(cè)量工作原理：鐵磁體在外磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，其長(zhǎng)度和體積均發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為磁滯伸縮或者磁滯伸縮效應(yīng)[4]，細(xì)長(zhǎng)鐵磁桿處于縱向的外部磁場(chǎng)中時(shí)發(fā)生機(jī)械變形，當(dāng)有電流通過(guò)這個(gè)桿，便產(chǎn)生了一個(gè)同軸磁場(chǎng)，稱為磁滯伸縮效應(yīng)中維德曼效應(yīng)[5]。磁滯伸縮式一體化簡(jiǎn)易電子水尺的基本工作原理是采用磁滯伸縮效應(yīng)中的維德曼效應(yīng)，兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變脈沖信號(hào)，檢測(cè)到該信號(hào)與激勵(lì)脈沖的時(shí)間來(lái)計(jì)算確定磁場(chǎng)相交位置，從而確定水位值。

磁滯伸縮式一體化電子水尺工作時(shí)，頭部脈沖發(fā)生器產(chǎn)生低壓電流脈沖激勵(lì)磁場(chǎng)，沿波導(dǎo)絲向尾端傳播，在波導(dǎo)絲周圍產(chǎn)生一個(gè)環(huán)向磁場(chǎng)，活動(dòng)浮子隨著水位變化沿測(cè)量桿上下移動(dòng)，浮子內(nèi)部有磁鐵產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)，當(dāng)兩磁場(chǎng)相交時(shí)，基于磁滯伸縮現(xiàn)象，在相交點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)波（機(jī)械應(yīng)變脈沖），扭轉(zhuǎn)波沿著波導(dǎo)絲以聲速回傳到頭部電子倉(cāng)端，檢測(cè)電路探測(cè)到該激勵(lì)脈沖信號(hào)發(fā)出到探測(cè)應(yīng)變扭轉(zhuǎn)波有時(shí)間差，最終計(jì)算出水位值，即對(duì)應(yīng)液位精確變化。測(cè)量精度最高能夠達(dá)到1mm。其主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。計(jì)算[6，7]見(jiàn)公式（1）與（2）。

圖1 磁滯伸縮式電子水尺測(cè)量主體結(jié)構(gòu)示意圖

扭轉(zhuǎn)波傳播速度的計(jì)算公式：

式中：ν為扭轉(zhuǎn)波傳播速度；G為波導(dǎo)絲剪切模量；P為波導(dǎo)絲質(zhì)量密度。

浮子與扭轉(zhuǎn)波信號(hào)檢測(cè)裝置之間的距離公式：

式中：l為浮子位置到扭轉(zhuǎn)波信號(hào)檢測(cè)裝置的距離；t為激勵(lì)脈沖信號(hào)與接收到扭轉(zhuǎn)波信號(hào)的時(shí)間差；其余符號(hào)意義同前，由公式（2）即可算出被測(cè)水面的水位值。

2 推廣應(yīng)用示范灌區(qū)概況

袁惠渠灌區(qū)位于袁河流域，是江西省大型引水灌溉工程之一，灌區(qū)內(nèi)以種植水稻為主，是我省重要商品糧基地之一。工程進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水量40m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積2.47萬(wàn)hm2（37.1萬(wàn)畝），實(shí)際灌溉面積2.25萬(wàn)hm2（33.7萬(wàn)畝），為灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)供水、人畜飲用給水提供水源[8，9]。

袁惠渠灌區(qū)應(yīng)用試驗(yàn)示范點(diǎn)選擇袁惠渠總干渠洋津泄洪閘渠段，位于江西省新余市渝水區(qū)珠珊鎮(zhèn)洋津村洋津自然村，距離渝水區(qū)4.6km，距312國(guó)道0.5km。示范段渠道斷面形式為規(guī)則梯形斷面，上頂寬24.8m，下底寬16.5m，渠深4.6m。在渠道左邊建有洋津泄洪閘管理站房，位于袁惠渠總干渠12+481樁號(hào)，坐標(biāo)位置東經(jīng) 114°92′，北緯 27°76′。利用現(xiàn)有管理站房外墻安裝電子水尺開(kāi)展渠道水位觀測(cè)。

3 比測(cè)試驗(yàn)方法

袁惠渠灌區(qū)應(yīng)用試驗(yàn)示范點(diǎn)長(zhǎng)期開(kāi)展了水位觀測(cè)項(xiàng)目，渠道水位觀測(cè)斷面設(shè)有直立式水尺、單根水尺長(zhǎng)度1m，刻度面寬6cm，尺度最小刻度劃至1cm，誤差不大于0.5mm，水尺數(shù)字與刻度清晰?？潭?、數(shù)字、底板色彩對(duì)比鮮明。累積誤差未超過(guò)該段長(zhǎng)度的1‰。

根據(jù)灌區(qū)應(yīng)用站點(diǎn)歷年水位觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用點(diǎn)渠道水位變化幅度不大，基本水尺水位采用2段制觀測(cè)，水位采用直立式水尺及一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)，每日8時(shí)、20時(shí)各觀測(cè)一次，觀測(cè)精度為1cm。

4 觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為驗(yàn)證一體化簡(jiǎn)易電子水尺的自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)是否滿足水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及觀測(cè)精度是否符合觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)袁惠渠灌區(qū)應(yīng)用試驗(yàn)示范點(diǎn)渠道人工與自動(dòng)觀測(cè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析[10，11]，評(píng)定一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)水位數(shù)據(jù)是否符合水位觀測(cè)規(guī)范要求和數(shù)據(jù)可靠性要求。

（1）相對(duì)誤差計(jì)算方法。將人工觀測(cè)和一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算，計(jì)算公式：

式中：E為兩種觀測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差，以人工觀測(cè)數(shù)據(jù)值為基值；L為水位人工觀測(cè)值；為水位一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)值。

（2）數(shù)據(jù)分析評(píng)定。按現(xiàn)行的《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）中的相關(guān)規(guī)定，水位自動(dòng)記錄儀器設(shè)備的比測(cè)結(jié)果應(yīng)符合置信水平95%的綜合不確定度應(yīng)為3cm，系統(tǒng)誤差應(yīng)為±1cm；波浪問(wèn)題突出的近海地區(qū)水位站，綜合不確定度可放寬至5cm。

1）系統(tǒng)誤差定度：

式中：Xy′為系統(tǒng)誤差定度；P為人工觀測(cè)水位值數(shù)據(jù)；Py為自動(dòng)觀測(cè)水位值數(shù)據(jù)；N為觀測(cè)對(duì)比次數(shù)。

2）隨機(jī)不確定度：

式中：Xy″為隨機(jī)不確定度；其余符號(hào)意義同前。

3）綜合不確定度：

式中：X為綜合不確定度；其余符號(hào)意義同前。

4.1 袁惠渠灌區(qū)應(yīng)用比測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1.1 對(duì)比誤差計(jì)算

袁惠渠總干渠洋津泄洪閘渠段2020年3月14日～10月29日人工觀測(cè)及一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)共取得水位數(shù)據(jù)460組，相對(duì)誤差數(shù)據(jù)超過(guò)0.03的有15組，占比3.3%，小于等于0.03的有445組，占比96.7%。

2021年3月21日～7月31日人工觀測(cè)及一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)共取得水位數(shù)據(jù)266組，相對(duì)誤差數(shù)據(jù)超過(guò)0.03的有7組，占比2.6%，小于等于0.03的有259組，占比97.4%。

4.1.2 自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

袁惠渠總干渠洋津泄洪閘渠段斷面一體化簡(jiǎn)易電子水尺2020年2月安裝調(diào)試完畢，3月投入使用，因?yàn)楣鄥^(qū)渠道按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉需要，供水時(shí)段為每年的3月至10月，其余時(shí)段渠道為無(wú)水狀態(tài)，所以人工與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析采用2020年3月14日～10月29日與2021年3月21日～7月31日早晨8：00和晚上20：00的數(shù)據(jù)，共363日、726組水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。鑒于篇幅限制，選取分析結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行敘述。

袁惠渠總干渠洋津泄洪閘渠段斷面水位人工觀測(cè)數(shù)據(jù)3月份最高水位為3.50m，最低水位為2.70m，水位變幅為0.80m。一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)最高水位為3.50m，最低水位為2.70m，水位變幅為0.80m。4月份最高水位為3.60m，最低水位為1.30m，水位變幅為2.30m。一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)最高水位為3.59m，最低水位為1.29m，水位變幅為2.30m。5月份最高水位為3.55m，最低水位為1.85m，水位變幅為1.70m。一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)最高水位為3.55m，最低水位為1.86m，水位變幅為1.69m。

4.1.3 自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析及評(píng)定

對(duì)比測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)誤差和綜合不確定度計(jì)算，袁惠渠總干渠洋津泄洪閘渠段斷面水位比測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 袁惠渠總干渠洋津泄洪閘渠段比測(cè)結(jié)果誤差計(jì)算表

從人工與電子水尺自記比測(cè)結(jié)果可以看出，一體化簡(jiǎn)易電子水尺的觀測(cè)數(shù)值和人工觀測(cè)數(shù)值均符合水位觀測(cè)規(guī)范要求，比測(cè)系統(tǒng)誤差最大值0.0015在±1cm范圍內(nèi)，綜合不確定度最大值0.0198小于3cm。

4.1.4 自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)逐時(shí)過(guò)程線對(duì)比分析

《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）對(duì)自計(jì)水位計(jì)的比測(cè)中第6.2.1條規(guī)定：比測(cè)可按水位分幅、分階段分別進(jìn)行，每階段比測(cè)次數(shù)應(yīng)在30次以上。本次比測(cè)分析選用2020年3月14日～10月29日、2021年3月21日～7月31日，早晨8點(diǎn)和晚上20點(diǎn)一體化簡(jiǎn)易電子水尺自動(dòng)觀測(cè)水位數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。水位逐時(shí)過(guò)程線對(duì)比圖見(jiàn)圖2～圖7，線性相關(guān)關(guān)系對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖2 2020年3月份8時(shí)水位過(guò)程線對(duì)比圖

圖3 2020年3月份20時(shí)水位過(guò)程線對(duì)比圖

圖4 2020年4月份8時(shí)水位過(guò)程線對(duì)比圖

圖5 2020年4月份20時(shí)水位過(guò)程線對(duì)比圖

圖6 2021年7月份8時(shí)水位過(guò)程線對(duì)比圖

圖7 2021年7月份20時(shí)水位過(guò)程線對(duì)比圖

從圖8分析，自動(dòng)觀測(cè)與人工測(cè)定的水位相關(guān)關(guān)系為：Y人工=0.9953X自記，相關(guān)系數(shù)為0.9953，其相關(guān)線基本呈45°直線，表明一體化簡(jiǎn)易電子水尺自記測(cè)定的水位數(shù)值與人工測(cè)定的水位數(shù)值線性關(guān)系良好。

圖8 自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)水位線性相關(guān)系圖

袁惠渠總干渠洋津泄洪閘渠段測(cè)驗(yàn)斷面水位觀測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，一體化簡(jiǎn)易電子水尺的觀測(cè)數(shù)值和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)逐時(shí)過(guò)程線趨勢(shì)基本一致。觀測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差符合在規(guī)范認(rèn)可的誤差范圍。觀測(cè)數(shù)值均符合《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）自計(jì)水位計(jì)的比測(cè)中第6.2.1條規(guī)定。相對(duì)誤差、準(zhǔn)確度符合置信水平95%的誤差要求[12]。

5 結(jié)論

基于磁滯伸縮式的簡(jiǎn)易電子水尺經(jīng)過(guò)灌區(qū)推廣應(yīng)用實(shí)踐表明，該設(shè)備采用一體化緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝方便、性能穩(wěn)定、功耗較低，南方灌區(qū)陰雨天氣多的情況下，能正常工作，無(wú)缺電現(xiàn)象發(fā)生。運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)丟失，運(yùn)行維護(hù)量少。經(jīng)過(guò)一年的比測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比表明：該儀器設(shè)備在性能和精度上滿足灌區(qū)明渠水位測(cè)量的要求，觀測(cè)精度按現(xiàn)有規(guī)范完全滿足精度要求，可代替人工觀測(cè)水位數(shù)據(jù)，適宜在南方灌區(qū)推廣使用。