一體化地下水水位計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任慶海，高 軍，王 瑞

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3.宿遷市宿城區(qū)水利局，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。地下水是我國水資源的重要組成部分，是我國城鄉(xiāng)生活和工農(nóng)業(yè)用水的重要供水水源。為了科學(xué)、合理地開發(fā)利用和保護(hù)地下水資源，需要加強(qiáng)地下水的動態(tài)監(jiān)測和分析預(yù)測。

地下水水位是最重要、應(yīng)用最廣泛的監(jiān)測要素，通過監(jiān)測水位變化過程可以了解地下水的大多數(shù)動態(tài)和影響。加強(qiáng)地下水水位自動監(jiān)測是貫徹落實(shí)黨和國家重要治水思路，保障國家水安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、長期性工作。

1 總體設(shè)計(jì)

用于地下水水位自動監(jiān)測的水位計(jì)按照工作原理不同，主要有壓力式、浮子式、氣泡式等類型[1]。水位計(jì)按照儀器組件集成形式的不同，大致可分為一體式水位計(jì)和分體式水位計(jì)。目前，在國家地下水監(jiān)測工程項(xiàng)目實(shí)施中，常用的自動監(jiān)測地下水水位計(jì)主要有壓力式地下水位計(jì)和浮子式地下水位計(jì)[2]。

根據(jù)國家地下水監(jiān)測工程項(xiàng)目實(shí)施的相關(guān)要求，本文設(shè)計(jì)了一種一體化地下水位自動監(jiān)測儀器，采用壓力式水位計(jì)測量水位。該款自動監(jiān)測儀器是集壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集、遙測、存儲、通信傳輸、供電為一整體的智能地下水監(jiān)測傳輸設(shè)備。

該款一體化遙測水位計(jì)是以高精度、高穩(wěn)定性的壓力傳感器作為壓力感知元件。根據(jù)測量水位值（H）等同于大氣壓的流體靜壓（K）而建立起來關(guān)系：H=K/g（g為重力加速度）。

輸出數(shù)據(jù)值經(jīng)過內(nèi)部智能線性修正和溫度補(bǔ)償，進(jìn)而得到水位的準(zhǔn)確測量值。

2 分項(xiàng)設(shè)計(jì)

2.1 壓力式傳感器設(shè)計(jì)

壓力式傳感器采用一體式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，各部件間接頭連接方便可靠、易于拆裝，便于設(shè)備安裝調(diào)試和使用維修。壓力式傳感器體積小巧、功能強(qiáng)大，外形尺寸僅為φ22 mm×134 mm。傳感器筒體采用316 L不銹鋼材質(zhì)，底端探頭防護(hù)罩為高強(qiáng)度尼龍，頂部采用高強(qiáng)度尼龍對通氣電纜進(jìn)行保護(hù)。電纜采用Φ6.8 mm雙鋼絲防水屏蔽通氣電纜，在對氣壓補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠[3]。

壓力傳感器基于陶瓷電容和鉑電阻的水位、水溫傳感器研制，重點(diǎn)解決溫度補(bǔ)償和時(shí)間漂移問題。壓力傳感器采用靜壓測量原理，CPU可設(shè)置為定時(shí)或?qū)崟r(shí)采集壓力和溫度傳感器，并運(yùn)用嵌入式微控制器預(yù)置的特定算法對采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行線性修正和溫度補(bǔ)償，從根本上保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和精度。

2.2 遙測終端機(jī)（RTU）設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用嵌入式微控制器MSP430F5xx系列芯片作為微控制器，所有功能都通過主程序和中斷來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)通過內(nèi)嵌2G（或4G）通訊模塊傳輸至中心站，實(shí)現(xiàn)了地下水水位和溫度數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測。系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

RTU上電啟動后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化階段，將對各個模塊初始化，主要包括設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O端口、內(nèi)部集成電路、串口參數(shù)等，并配置讀取單元、打開中斷等，隨后進(jìn)入系統(tǒng)主程序循環(huán)階段。在主程序循環(huán)階段，主要進(jìn)行二次判斷：一是數(shù)據(jù)采集的時(shí)間點(diǎn)判斷，“是”則做相應(yīng)的處理，“否”則數(shù)據(jù)采集結(jié)束。二是數(shù)據(jù)發(fā)送判斷，“是”則進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，“否”則關(guān)閉通訊模塊和數(shù)據(jù)采集模塊電源，微控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)。微控制器休眠以后，等待外部中斷再次喚醒[4]，系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程

3 儀器性能指標(biāo)和特點(diǎn)

3.1 儀器主要性能指標(biāo)

（1）測量參數(shù)：水位和水溫。

（2）水位量程：0～10 m，0～20 m，0～30 m可選。

（3）水位測量精度：≤0.1%/FS；分辨率：1 cm。

（4）埋深：0～1200m。

（5）水溫計(jì)分辨力：0.1 ℃；水溫測量誤差：≤±0.1 ℃。

（6）工作電壓：5～15VDC。

（7）靜態(tài)工作電流：≤10 μA。

（8）數(shù)據(jù)固態(tài)存儲：5年以上存儲數(shù)據(jù)，不丟失。

（9）溫補(bǔ)范圍：0～50 ℃。

（10）工作溫度：-20～70 ℃。

（11）防護(hù)等級：IP68。

3.2 儀器特點(diǎn)

（1）儀器結(jié)構(gòu)精簡、密封性好，具有防潮、防腐、防銹的特點(diǎn)?？稍诟邼穸拳h(huán)境下長期工作。

（2）具有自報(bào)式和召測試工作模式，支持中心站遠(yuǎn)程召測及本地、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)下載，并具有數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)功能。

（3）儀器內(nèi)部集成了防反接、防過載及抗干擾處理電路，保證儀器在惡劣環(huán)境下可靠工作。

（4）選用陶瓷電容式壓力傳感器，并采用溫度補(bǔ)償修正功能，使壓力傳感元件更加穩(wěn)定，水位測量準(zhǔn)確性更高。

（5）具有高集成度和低功耗的特點(diǎn)，能確保儀器在不更換電池的情況下正常運(yùn)行3年以上。

4 結(jié)語

本文主要對一種一體化地下水位監(jiān)測儀器做了總體和分項(xiàng)設(shè)計(jì)的描述，最后進(jìn)行了儀器主要性能指標(biāo)和特點(diǎn)的介紹。本文設(shè)計(jì)的一體化地下水位計(jì)已經(jīng)通過水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心的各項(xiàng)檢測檢驗(yàn)，具有功耗低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品目前在國家地下水監(jiān)測項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用，為加強(qiáng)地下水的動態(tài)監(jiān)測和分析預(yù)測，以及水資源統(tǒng)一調(diào)度、合理配置、監(jiān)督與考核等提供決策依據(jù)。