混合式水位测量方法的探究.pdf

第 1期 2 0 1 2 年2 月 水利 信 息 化 铒 臼f e r Re s o u r c e s I n f o r ma t i z a t i o n N0 1 F e b 2 01 2 混合式水位测量方法的探究 陈立辉，许伟强2 何青(1 _ 浙江工业大学，浙江杭州3 1 0 0 3 2；2 浙江省水文局，浙江杭州3 1 0 0 0 9)摘要：针对测站特殊环境条件下，大变幅水位测量难度较大的问题，提出一种综合采用机械格雷码水位传感 器和电子水尺传感器的测量方法，利用 2种水位传感器的测量优势及特点，分别解决高低水位的测量难题，再 通过新型水文遥测数据终端整合衔接得到水位值。该方案应用于浙江省兰溪市洋港水文站并得到验证，较好地 实现了单一类型水位传感器难以达到的效果。关键词：水位；遥测终端；电子水尺；传感器；混合式 中图分类号：P 3 3 2 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 4-9 4 0 5(2 0 1 2)0 1 0 0 5 5-0 4 0 引言 洋港水文站位于浙江省兰溪市游埠镇洋港村，主要 承担施 测钱 塘江 上游衢 江控制 水位 的任 务，是 衢江 沿岸重 要 的水位监 测枢 纽。洋 港水 文站 的水位 观测设施主要由水位测井和水位台组成，即通常所 说的直井水位观测，利用浮子与重锤在垂直测井中 升降，进 行水位 测量，技术成 熟可靠。近 年来，随着社 会经 济 的高速发 展，衢江 上游 新建水 电站 截流发 电和 城市景 观需 要而 兴建 的橡皮 坝的拦截，使得上游来水减少，又 由于河道中的非 法采砂情况 日益猖獗使得洋港断面被人为挖深，造 成洋港断面最低水位大幅度下降；另外由于水位 台 附近双 马道防洪堤坝的特 殊性，致使 以前使用较 多、技术相对成熟的多种水位测量方式无法直接应 用 到该水 位站 上，出现原 先建 设好 的洋港水 文站 水 位 测井 不能 有效测 量低水 位 的 问题，需要探 索适 于 测量该站水位 的方案。1 测量方案设计 为保证基础水文资料的完整性，能有效地测量 洋港断面的低水位，按照现有技术主要有 2种方案 可 以解决。1 1 双管浮子式水位测量法 双管 浮子式 水位 平衡装 置将 直井 观测 中浮 子与 平衡锤 的垂 向运 行 改在 2根斜 管 中进 行。当浮 子随 水面 升降 时，通过 钢索 与导 向轮使球 型平衡 锤作 上 下滚动，并带动水位传感器联动，根据水位斜井的 倾 角 调整水 位计 的轮盘 直径 就可 以使 水位传 感器 准 确反映水位变化的量值。水位计 的轮盘直径计算公式为 D斜=D直 s i n 口。式 中：D斜为斜井观 测水位 计 的轮盘 直径；D盲为直 井 观测 水位 计 的轮 盘直 径；为斜 井 与水平 面 的倾 角。双斜 管浮 子式水位 平衡装 置结构 如 图 l所示，由 2根并列的斜管(直径2 5 0 mm，P VC管)、滚 动式球型浮子(直径为 2 1 0 mm)和平衡锤(直径 1 0 0 mm 的铁球，不锈钢镀锌)组成，要求浮子重量 大 于平衡 球 重量，一改 以往 平衡 锤垂 直升 降的传统 模 式，解 决 了斜 井水 位观测 中平 衡锤 的升 降问题。其 中滚动 式球 型浮子 和平衡 锤结 构基 本相 同，结构 如 图 2所示。双管浮子式水位观测方法主要技术指标如下：迟滞误差：2 c m；测量范围：O 4 0 m。双管浮子式水位测量法具有结构简单，可靠性 收稿 B期：2 0 1 1-1 0 0 8 作者简介：陈立辉(1 9 7 9 一)，男，浙江台州人，工程师，主要从事水文遥测通信研究工作。5 6 水 利 信 息化 水位轮 图 1 双斜管浮子式水位平衡装置结构示意图 球 型浮子 平衡铁球 滚动式球型浮子 滚动式球型平衡锤 图 2 球型浮子及平衡锤结构示意图 高，安装、调试、维护简单方便等优点，解决了各 类水库及特殊河道水位观测的难题。双斜管浮子式 水 位平 衡装 置 已在 浙江省 小型水 库、河 流水 位 自动 采集系统中得到应用，效果比较理想。对于新建的水位站，该方案对可以有效地解决主 测井不能测最低水位的 问题。但 由于洋港是双马道水 位站，另 该河道洪水冲击时有发生，同时原来的主井 将要废弃，所以该方案不是最佳的测量方案。1 2 混合式水位测量法 混合式水位测量法，是在原有主测井中机械式 格雷码水位传感器的基础上，在马道外的 2个低水 位测井中使用电子水尺传感器，单独测量断面的低 水位，同时配以新型水文遥测数据终端实时处理计 算 2种传感器 的信息，得到当前断面水位数据，从 而解决高低水位测量难以一体化的难题。该水位遥 测方 案可 以克服众 多环 境 因素进行水 位遥测。具 体 设置如图 3 所示。该方案 中的 电子水尺传感器具有以下几个特点：1)误差取决于电极 间距或分辨率，可以精确控 主测井 图 3 传感器安装示意图 尺 制在 2 tur n或 1 c m；2)无 零点和温度漂移；3)不受水质、波浪、杂草等影响；4)无机械运动 部件，无锈蚀卡死现象；5)不需建测井，系统投资小；6)可 以倾斜安装，适合 各种环境 安装，安装方 便；7)水尺表面有刻度，可随时进行人工标定或校 准；8)功耗低，稳定性好。该方案的优势在于在低水位处安装 1种可以长 期浸泡 分段 安装 的传感器，同时也利用 了原 有 的主 测井的水位传感器，这种混合式水位测量方法可以 使投 资的成本 降 到最低，同时也不破 坏原 有 的建筑 结构。2 自动遥测系统组成及功能设计 利用混合式水位测量法，通 过遥测数据终端机对 前端采集的数据，进行分析、处理、显示、发送、传 输，从而构成 自动遥测系统(以下简称系统)。2 1 系统组成 系统主要 由遥测数据终端 机 】，YR AD A 数据 和格雷码 2适配器，机械格雷码水位传感器，电子 水尺传感器 口 等组成，系统组成如图4所示。2 2 电子水尺的性能指标 系统 中使用 的电子水尺的性 能指标如表 l 所示。2 3 数据的采集及传输 电子水尺采用 R S-4 8 5通信方式和 Mo d b u s-R T U 通讯协议。YR-T S适配器与电子水尺之间的通讯协 议如下：通讯协议采用波特率为 9 6 0 0 b p s，1个起 始位，8个数据位，1个停止位，低位先发送，无 校验。在 R T U模式中，新的信息总是从至少 3 5个 字符的静默时间开始，紧接着传送第 1个域地 第 1 期 陈立辉等：混合式水位测量方法的探究 5 7 遥测数据终端机 RS-2 3 2 Y R-AD A数据适配器 RS-2 3 2 I l RS-4 8 5 YR-AD A格雷码适配器 机械格雷码 水位传感器 电子 水尺 传感器(1)电子水 尺 传感器(2)图 4 系统组成图 表 1 电子水尺性能指标 参数名称 具体参数 单元规格 c m 变幅范围 精 度 c m 供电电压 输出信号 静态电流 mA 功 耗 mW 工作温 度*C 级联方式 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 可由以上不同单元规格 自由组合 1 数字变送头 D C 1 2 V1 5 RS-4 8 5(Mo d Bu s R TU)1 5 1 8 0 2 0 6 0 U形连接件 址域。整帧的信息必须以 1个连续的数据流进行传 输，如果信 息结束前存在超过 1 5个字符 以上的间隔 时间，则 出错。1 帧信 息的标准 结构 如表 2 所示。表 2 1 帧信 息的标准结构 Mo d b u s R T U通讯协议命令功能如表 3 所示。表 3 M o d b u s-R T U通讯协议命令功能一览表 开始 地址码 功能码 数据域C校R验C 结束 T1-T 2 一 T 3-T 4 8 位8 位n 8位 1 6位 T 1-T 2 一 T 3-T 4 标准结构具体分析如下：1)地址域。从机(目标地址)的有效地址 范围 为 0 2 4 7，0为广播地址，使用广播地址时应保证只 接有 1 支传感器，否则会导致数据出错或硬件损坏。2)功能域。有效编码为 1-2 5 5。3)数据域。数据域由多组这样的数据构成 2个十六进制数为 1 组，范围在 O 0 F F之间。4)C R C校验。C R C生成后，低字节在前，高 字节在后。5)T 1，T 2，T 3，T 4代表每个字节的传输时间 长度，共为 4 个字节传输延迟时间 口 。2 4 数据处理 Y R-T S适 配器通 过 R S-4 8 5接 口采用 Mo d b u s-R T U 通 讯协议，接 收到 电子 水尺传送 过来 的数据，对 数据进 行检 码、解码还 原，得到测 量数据 后再根 据实际衔接值整合成有效的水位数据。单片机对数 据处理的关键代码如下：I l I I l I I I l I I l I I l I I l I 水位数据采集及整合程序 I l I l l l I I l l I I l I I I I l I l l I l l I I 1|BYTE TL401_De t e c t(v o i d)TL4 01_fir s t_D e t e c t 0；读取 l 号 电子水尺数据 TL4 0 1一s ecD e t e c t 0；读取 2号电子水尺数据 Le v e l_D e t e c t 0；读取雷码水位计数据 i f(u L e v e l l!=O x f f f 0 i f(u L e v e l 2 1=0 x ff f 0 i f(u L e v e l 3 1：O x ff f 0 i f(u L e v e 1 2 =2 0 0)u L e v e l=u L e v e l 3；但水位 达到 2 m 时，启动主测井的数据 r e t u r n OK：e l s e g o t o D E T E C T _ F A I L E D；e l s e 5 8 水 利 信 息化 2 0 1 2(1)g o t o D E T E C T _ F A I L E D；e l s e g o t o D E T E C T jA I L E D；D E T E C，_ I L E D：u L e v e l=0 x f f ff；错误标示 r e R u T l F AI LED；在上述数据采集中，由于电子水尺采用 R S 一 4 8 5 通信，2支电子水尺接在同一个 4 8 5信道，所以根据 上述的 Mo d b u s-R T U通讯协议，需要对 l和 2号电 子水尺通过地址来区别，指令 如下：1号电子水 尺指 令 0 1 0 3 O 0 o 0 o 0 0 l 8 4 O a；2号电子水 尺指令 0 2 0 3 0 O 0 0 O O 0】8 4 3 9。3 实际应用 在浙江省兰溪市水情 自动测报系统项 目建设 中，混合式水位测量系统于 2 0 1 0年 2月建成，3月 调试完毕。经过 1年多的实践，该系统运行正常。尤其，在 2 0 1 1 年 6月 1 6 2 O日，钱塘江干流连续发 生了 2次流域性大洪水，及时准确的测量，为各级 防汛指挥决策提供 了依据。根据 浙江省水文固态存储仪运行使用管理规 定(浙水 文 2 O l O I第 5 9号)的要求，“各月平 均水(潮)位误差不超过 2 c m”。对遥测站 1 年 多的人工观测和实时遥测水位数据进行逐日、逐月平 均水位比对，月平均最大误差 1 c m，月最高、最低 水位最大误差 1 c m，符合水文资料整编精度要求，满足水位资料整编的要求。对 测站 2 0 1 1年 6月 l 0 2 5日人工水位观测 与 本系统采集的数据进行逐 日水位对比，结果如表 4 所示。4 结语 混合式水位测量方案，采用在低水位处安装电 子水尺来测量因河床断面变化，原有主测井的机械 式格雷码水位传感器无法测量的低水位数据，通过 遥测数据终端机 自动智能耦合多个水位传感器采集 的数据，并进行分析处理，有效应对 由于河道水位 下降、堤坝加固加宽，以及河床断面改变带来的现 有水位台无法有效测量低水位的问题。这种测量方 表 4 测 站 2 0 1 1 年 6月 1 0 2 5 E t 人工、遥测逐 日水位对 比表 m 法丰富了低水位测量方法，为测量复杂断面的水位 提供了更多有效途径。电子 水尺传感器利 用水体 的导电性，间隔 1 c m 放 置 I对 感应 点，通过感应 点 的导通 与否来 表示水 位高低，一旦某个感应点故障将导致整个传感器失 效。因此在实际使用中，电子水尺传感器量程越短 越有利于系统稳定。利用该方案来测量水位时，应 尽量避免大尺度使用电子水尺传感器。参考文献：1 1浙江省水文局 浙江省水情信息采集系统研究与应用 R 杭 州：浙江省水文局，2 0 1 0：1 2 8-1 3 2 2 浙江 省水 文局 双斜 管 浮子 式水 位平 衡装 置：中国，C N2 7 7 9 3 5 8 P 国家知识产权局：2 0 0 6-0 5 1 0 3】太原理工天成科技股份有限公司 T C 4 0 1 感应式数字水 位传感器用户手册 R 太原：太原理工天成科技股份有 限公司太原，2 0 0 9：6-8 4】浙江省水文局 浙江省水文固态存储仪运行使用管理规 定(浙水文 2 0 1 0 1第 5 9号)S】杭州：浙江省水文局，2 0 1 0：2-5 (下转第 7 2页)7 2 水利 信 息 化 2 0 1 2(1)Ap p l i c a ti o n o f OT A T e c h n o l o g y i n P r o mo t i o n o f F l o o d Co n t r o l XU Ha i b i n g，LI U Ha n g a o (B u r e a u o f Wa t e r R e s o u r c e s o f J i a n h u C o u n t y,J i a n h u 2 2 4 7 0 0，C h i n a)A b 8 I ：F o o d c o n t r o l i n f o r ma t i o n e x p l o s i o n p r o c e s s i s a v i t a l c o mp o s i t i o n o f i n f o r ma t i o n e x p l o s i o n p r o c e s s f o r wa t e r OT A t e c h no l o g y h a s a l r e a d y r e a c he d a ma t u r e s t a g e，S O i t c a n b e e mpl o ye d f o r t he pr o mo t i o n o f flo od c o n t r o l i n f o r ma t i o n e x p l o s i o n p r o c e s s Th e t h e s i s ma k e s a d e s c r i p tio n a b o u t c o n c e p t i o n，n e t wo r k i n g s t r u c t u r e o f OT A，e l a b o r a t e s t o p o l o g y s t r u c t u r e a n d f un c t i o n f r a me wo r k fo r t h e i n f o rm a t i o n s ys t e m OT A t e c h n ol o g y c a n b e u s e d wi t h t e c h n o l o g i e s o f GPRS t r a n s mi s s i o n，mi d d l e wa r e，mu l t i l a y e r s t r u c t u r e a nd W e b-s e r v i c e f o r c o n s t r u c t i o n o f flo o d c o n t r o l i n f o rm a t i o n s y s t e m Fr a me wo r k o f a p p l i c a t i o n s y s t e m a n d f u nc t i o n s o f mo bi l e i n f o rm a t i o n s y s t e m for flo o d c o n tro l c o mma n d a nd r e g ul ati o n e s t a b l i s he d b y a d o p t i n g t e c h no l o gi e s o f P DA，OT A a nd WAP a r e a l s o i n t r o d u c e d Km wo r ：OT A；fl o o d c o n t r o l i n f o rm a t i o n e x p l o s i o n p r o c e s s；a p p l i c a t i o n (上接第 5 8页)CHEN Li h u i ，XU W e i q i a n g 2，HE Qi n g (1 Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,Ha n g z h o u 3 1 0 0 3 2，C h i n a；2 Z h e j i a n g P r o v i n c i a l B ure a u o f H y d r o l o g y,H a n g z h o u 3 1 0 0 0 9，C h i n a)Ab s I I a c t：Un d e r e n v i r o n me n t o f fi e l d s t a t i o n 1 a r g e s t a g e fl u c t u ati o n r a n g e wi l l i n c r e a s e d i ffic u l t i e s i n wa t e r l e v e l me a s u r e me n t Th e p a pe r p r o v i d e s a me a s u r e me n t b y me c h a n i c a l Gr a y e nc o d i n g wa t e r l e ve l s e ns o r a n d e l e c t r o n i c g a u g e Ap p l i c a t i o n o f tw o wa t e r l e v e l s e ns o r s c a n r e s pe c t i v e l y s o l v e p r o b l e ms o f h i g h a n d l o w wa t e r l e v e l，t h e n wa t e r l e v e l v a l u e c a n b e g i v e n t h r o u g h i n t e g r a t i o n o f a ne w t y p e r e mo t e t e rm i na l u n i t Th e me a s ure me n t h a s a l r e a d y be e n u s e d f o r Y a n g g a n g w a t e r-l e v e l g a u g i n g s t at i o n i n Z h e j i a n g p r o v i n c e I t s a p p l i c ati o n v e r i fi e s th at the me a s u r e me n t c a n a c h i e v e b e e r r e s ul t s t h a n that o f s i n g l e wa t e r l e v e l s e n s o E K we n d s：wa t e r l e v e l；r e mo t e t e rm i n a l；e l e c t r o n i c g a u g e；s e n s o r；i n t e g r a t e d 简讯 国务院发布实行最严格水资源管理制度意见 2 0 1 2年 1月 1 2日，国务院以国发(2 0 1 2)3号文件发布了 国务院关于实行最严格水资源管理制度的意 见，这是继 2 0 1 1 年中央一号文件和中央水利工作会议明确要求实行最严格水资源管理制度以来，对实行该 制度做 出的全面部署和具体安排。针对当前我国水资源面临的严峻形势，意见明确提出了实行最严格水资源管理制度的指导思想、基本 原则、主要目标、管理措施和保障措施。本刊编辑部