智能浮子式水位计在引黄灌渠中的应用

智能浮子式水位计在引黄灌渠中的应用

0智能浮子式水位计根据黄灌区现行水资源管理办法，水处理厂将根据管道连接到支道的流量和单位结算自己的流量。受人为因素影响和量水技术水平所限,用水量往往不能准确计量。目前,引黄灌区采用的灌渠量水方法共有4种:(1)构筑标准过水断面,通过测量标准断面处的流速和水位计算水流量;(2)采用预先测绘的水位流量(H-Q)关系曲线量水;(3)利用闸口水工建筑物量水;(4)采用特设量水设备量水。无论采用何种方法,水位都是必不可少的直接测量变量。引黄灌渠泥砂含量大、漂浮物多、水流形态复杂、沿渠大部分地区缺少电网供电条件,在引黄灌渠条件下,使用的水位计应具有与水流量自动测量相适应的量程和精度,耗电小、制造成本低、可靠性高、便于安装和维修。本文介绍的智能浮子式水位计,采用观测井与水位计一体化的结构,可直接安装在任何灌渠水位观测点位置。采用类似游标尺的测量原理,将粗测和精测相结合,有效地解决了浮子式水位计普遍存在的量程与分辨力之间的矛盾。1智能浮子式水位计常用于水位自动监测的主要有浮子式水位计、压力式水位计、电子水尺和超声波水位计等,经过对各种类型的水位计的特点及使用条件的分析,确定选用浮子式水位计。但传统的浮子式水位计需建造水位井,不能适用于低成本安装,因此,设计了观测井与水位计一体化的结构,可直接安装在任何灌渠水位观测点位置的智能浮子式水位计。本文介绍的智能浮子式水位计由量水筒、浮子传感器、安装支座、保护外罩、微处理机和检测与控制电路等构成,如图1。其中,量水筒的外形尺寸为10cm×10cm×160cm,由不锈钢制成;浮子传感器的外形尺寸为9cm×9cm×12cm也由不锈钢制成,其内部安装有浮子微机系统电路板;安装支座由铸铁制成,水由安装支座底部进入量水筒内部,将浮子传感器浮起;量水筒上部安装有一防水的盒子,盒子上带有显示窗及防水按键,其内部安装有量水筒微机系统电路板,浮子微机系统电路板与量水筒微机系统电路板通过导线在电气上连通。在量水筒的一侧沿轴向装有密封的方形不锈钢管(1cm×1cm),其内插入均布(间隔10cm)磁敏开关元件的条形电路板,另一侧同样高度处均布磁性体(Φ6mm×5mm);浮子传感器的一侧安装着与量水筒磁敏开关元件位置对应的条状磁性体(12cm×1cm的磁性面),另一侧均布着(间隔3mm)与量水筒磁性体相匹配的磁敏开关元件(安装在浮子微机系统电路板上);量水筒上的磁敏开关元件阵列与浮子上的磁敏开关元件阵列分别与量水筒和浮子传感器上的检测控制电路连通,在相关软件模块的支持下实现水位测量等功能。智能浮子式水位计采用了与游标卡尺类似的测量原理,将粗测和精测相结合。浮子传感器相当于游标,量水筒则相当于尺身,当浮子到达某一高度时,实际水位S=H-h。根据测量对象要求,智能浮子式水位计可以设计成不同的量程和分辨力。其量程大小主要取决于量水筒的长度,测量分辨力则取决于浮子传感器上磁敏开关元件排列密度,实验样机量程为1.5m,测量分辩力为3mm。2智能浮子式水位计检测识别模块该智能浮子水位计中双微机协同工作,配有操作键盘、液晶显示器、标准IC卡接口、大容量FLASH数据存储模块和标准RS485串行总线接口等,可作为自记式或远传式水位监测仪器单独使用,也可以联入智能测量网络,作为智能水位传感器使用。智能浮子式水位计测量控制电路由量水筒水位H测量电路、浮子水位h测量电路、浮子微机系统和量水筒微机系统等部分构成,如图2。浮子微机系统和量水筒微机系统分别选用PHILIPS公司的51LPC系列单片机P87LPC764和TI公司新推出的M430F系列单片机MSP430F1232,这2种单片机均有丰富的片内资源,灵活的端口设置,可满足超低功耗要求。2.1浮子传感器h性质量水筒水位H测量电路包括A/D转换器(MSP430F1232单片机内含)、在电源Vcc与地之间串联的若干等值电阻和位置相对应的磁敏开关元件阵列。当水位处于一定高度时,浮子传感器上的磁性面将使量水筒上对应高度H的磁敏开关元件导通,在A/D转换器输入端产生相应的电压信号。此电压信号将作为H信号通过A/D转换器送入量水筒微机系统处理。浮子传感器处于量水筒上2个磁敏开关元件中间位置时,将使这2个磁敏开关元件同时导通,A/D转换器应能够对此进行分辨,由相关测量数据处理软件对此情况进行判断和处理。2.2浮子传感器的磁敏元件安装浮子水位h测量电路的特征是浮子传感器上的磁敏开关元件以矩阵方式排列构成的非编码键盘电路,通过相应的接口与浮子微机系统相联,浮子微机系统扫描该键盘电路,检测处于导通状态的磁敏开关元件,并进行相应的处理,从而得到浮子水位h值。为保证该水位计有足够的分辨力,浮子传感器上的磁敏开关元件必须紧密排布。安装在浮子传感器内的浮子微机系统电路板长108mm,上面间隔平行安装有35个磁敏元件,磁敏元件1代表h为3mm,磁敏元件2代表h为6mm,磁敏元件3代表h为9mm。但在磁性体磁力作用范围内将会有连续若干个磁敏开关元件处于导通状态。浮子上下移动时,量水筒上磁性体的作用范围也将相对移动,由于磁力作用区域具有对称性,将以中心位置磁敏元件作为精测水位值h。当磁力作用范围内某个磁敏元件发生故障时,也可据此判断并报警。如图3所示,浮子传感器处于某一位置时(图3a),量水筒上的磁性体使浮子传感器上磁敏开关元件8～12导通,磁敏开关元件10的位置作为精测水位值h(即为30mm);当水位下降时,浮子传感器向下移动(图3b),量水筒上的磁性体使浮子传感器上磁敏开关元件12～16导通,磁敏开关元件14的位置作为精测水位值h(即为42mm);表示水位实际下降4个浮子传感器上磁敏开关元件位置(即为12mm)。2.3量水筒证明设计智能浮子式水位计采用主从式双微机系统结构,量水筒微机系统(MSP430F1232单片机)作为主机、浮子微机(P87LPC764单片机)为从机,由量水筒微机系统和浮子微机协同实现水位测量。浮子微机由主机唤醒工作,对浮子水位h进行测量,并通过SPI端口将测量结果传送给主机。量水筒微机系统完成对量水筒水位H检测,并结合浮子水位h测量值,调用相应的测量数据处理软件计算得到实际水位值S。量水筒微机系统配有4位液晶显示器、操作键盘、标准IC卡接口、大容量(128kB)FLASH数据存储模块和标准RS-485串行总线接口等。可以现场显示水位等信息,输入测量参数及控制指令,自动记录水位测量数据并支持向数据采集IC卡转移测量数据。按照每10min测量一次(间隔时间可任意设定),每条水位记录2字节计算,用作自记式水位计时,智能浮子式水位可记录1年以上的水位测量数据;通过标准RS-485串行总线联入智能测量网络,智能浮子式水位可以作为测量网络中的智能水位传感器,根据网络测量任务的需要进行测量并传送测量结果。智能浮子式水位计整机实现了低功耗,可以在电池供电环境下长期工作。智能浮子式水位计组网能力强,可以很方便地与其他智能装置组成分布式控制系统;智能化程度高,可实现上电自检、故障自诊断、数值处理、通信等功能;实时性好,具有故障实时报警功能。智能浮子式水位计具有故障实时诊断能力,不仅能在某个磁敏元件发生故障时或浮子微机系统发生故障时发出报警,而且,可以设定安全水位范围,当水位超过范围时,也发会出报警信号,报警信号在液晶显示上闪烁报警,如联入网络则通过RS-485串行总线向上级处理中心报警,产生中断。3浮子式水位计标准参照国家水文观测仪器相关标准,所使用的水位计传感器应符合下列要求:(1)测量分辨力:1.0,0.1cm;(2)测量范围:一般为10m;(3)测量误差(准确度):当分辨力为lcm时,10m变幅内95%测点的允许误差为土2cm,99%测点的允许误差为土3cm。分辨力为0.1cm时,室内测试的最大允许误差应为土3mm。本规范推荐使用分辨力为1cm的浮子式水位传感器,当无条件建自计井时,可采用经过鉴定合格的压力式水位计或超声波水位计。智能浮子式水位计标准设计量程为0～2m(最大可扩展到10m),标准分辨力为3mm(最小分辨力可达到1mm)。将智能浮子式水位计实验样机在静止的水中进行检测,检测结果如表1所示,符合国家水文观测仪器的相关标准。