自动计时、计数测流信号接收器的研制

金舒宜 林晓明 林海鑫

（邵阳水文水资源勘测局 邵阳市 422000）

1 项目原由

流量测验是水文测站最主要的测验项目，湖南省除少部分大河站用ADCP 测流外，大部分测站采用缆道测流、测船测流，用的都是转子式流速仪，测流离不开信号接收器。要计算出流速，一要有测流历时，二要有信号个数，一般用马表计时，人工计数，精度不高且很麻烦。为此，我们从测站工作需要的实际出发研制自动计时、计数测流信号接收器，以满足测站需求。

2 研制开发

2.1 研制目标

本信号接收器的命题为自动计时、计数测流信号接收器，那么既要将来自转子式流速仪发出来的流速信号准确无误地接收到接收器中，以声、光报警的方式告知操作人员，同时要具有测流历时自动计数、流速信号个数自动计数的功能。既由流速信号驱动计时、计数器开始计数，又由流速信号驱动结束计数。还要有个标准时钟脉冲信号供计时用。

接收信号灵敏度要高，抗干扰能力要强，适应环境要广。该信号接收器以适用于缆道（包括绝缘和不绝缘缆道）测流为主要目标，也要适用于测船测流和涉水测流。不但要适用于旋浆式（20 转一响）的流速仪，也要适用于旋杯式（一转一响）的流速仪。不但要适用于缆道测流时，采用“无线”测流法测流，也要适用于测船测流时采用的有线和“无线”测流法测流。当用“无线”测流时，对信号源不能有特别要求，既要能接收直流脉冲信号，又要能接收交流脉冲信号，即不管用何种信号源，采用何种方式传输，采用何种测验设备测流，均能准确无误地将信号收到室内接收仪器中，并准确显示测点测流历时和流速信号个数。

2.2 设计方案的选取

（1）信号源类型的选取。测流信号接收器的研制，首先要考虑选用什么信号源。缆道测流信号的产生方式，一般有直流脉冲信号、交流音频脉冲信号和数据编码调制信号等。从湖南省缆道测流中信号源的使用情况来看，多数站使用直流脉冲信号，少部分站使用交流音频脉冲信号。数据编码调制信号，因其信号源、信号接收器电路复杂，特别是信号源还受到体积的限制，湖南省基本不用。所以，本次研制的测流信号接收器，只要能接收到直流脉冲信号和交流音频脉冲信号，就基本上适用于湖南省的缆道测流要求。不需要再去研制信号源。

（2）信号传输形式的选取。信号的传输形式，有有线传输、无线电波传输和“无线”传输三种。“无线”传输，并非真正意义上的无线，而是利用缆道循环索和水体构成回路，由于水体不是线，所以习惯上称“无线”传输。

从信号的三种传输形式中可以看出，有线传输，其信号输出要通过铠装电缆或贯芯钢丝绳，或在带拉偏索缆道上，用循环索和拉偏索将信号传回室内，对缆道要求较高，使用可靠性也难以保证；无线电波传输，技术要求高，电路复杂，业余条件下不易实现；利用缆道循环索和水体构成回路的“无线”传输，对缆道也无特别要求，是目前水文缆道中使用最多的一种传输方式。因此，本测流信号接收器信号传输方案采用“无线”传输。

（3）信号接收方案确定。以直流脉冲信号源为例，信号的接收原理见图1。

图1 “无线测流”原理示意图

钢丝绳与铅鱼体是绝缘的，水下电池筒电池负极接钢丝绳到绞车，钢丝绳同时又通过主索锚碇接入大地，电池正极通过流速仪接触丝、铅鱼、水体、水下极板接至缆道房。在绞车与水下极板之间存在一个电阻，称为入地电阻，见图1 中Rd。当流速仪接触丝接通时，流速信号一部分通过铅鱼、R3 从正极直接流向负极，另一部分通过铅鱼、R4、水下极板、Rd从正极流到负极。在信号接收器中，将Rd 串入输入电路中，当有流速信号时，信号接收器输入端由高电平变为低电平，以驱动后续电路工作，即完成了流速信号的接收。由于各站使用环境不同，上游来水不同以及土壤含水量不同等，各种影响因素的不同，Rd值也不尽相同，Rd 在信号回路的分压也不相同。为了各测站在不同影响因素情况下测流信号接收器均能顺利接收流速信号，在电压比较电路中采用了基准电压可调的办法，以消除各种影响因素，扩大适用范围。

（4）测流信号、测流历时计数方案的确定。根据测流计时、计数的操作方法和规程以及测站测流方案，设置测流最短历时100 s、60 s、30 s 三档。通过微电脑自动统计时间脉冲个数，当达到最短测流历时后，自动发出指令控制计时、计数。当操作人员认为流速信号稳定后，按一下开始按钮，待第一个流速信号到来时即自动开始计时，此时不计流速信号个数。只有第二个流速信号到来时才自动开始计流速信号个数。此后两组计数器同时工作，当达到设置的测流最短历时后，再来一个流速信号时，计入该信号后两组计数器同时自动停止工作。

综上所述，设计方案为：信号源，采用直流脉冲信号和交流音频脉冲信号；信号传输，采用缆道循环索和水体构成回路的“无线”传输方式；信号接收，用电压比较电路，将信号回路的入地电阻串入信号接收器的输入电路，采用了基准电压可调的办法，以消除影响因素，扩大适用范围。设置测流最短历时100 s、60 s、30 s 三档，通过微电脑自动统计测流历时和流速信号个数。

2.3 信号接收器的组成

信号接收器由信号输入电路、抗干扰电路、电压比较电路、声光报警电路、计数信号输出电路、时钟脉冲发生电路、最短历时设置电路、计时计数控制电路、供电稳压电路、两个LED 数码管计数模块等组成。方框图见图2。

2.4 信号接收器的特点

（1）入地电阻串入输入电路，大大提高了流速信号的利用率，从而提高了灵敏度。

（2）采用负脉冲有效的方式，当有流速信号时，输出端也由高电平变为低电平，这种方式不但适用于“无线”测流也适用于有线测流。

图2 信号接收器方框图

（3）用电容充电时间决定输出信号长度，以控制继电器动作，继电器有两组常开触点，一组接通蜂鸣器发声，一组给单片机提供输入信号，互不干扰。蜂鸣器发声时间约0.5 s，解决了“嘟”声噪人问题。用LED 显示流速仪接触丝的接通状态。即同时具有声、光报警和计数脉冲输出功能。

（4）将比较器基准电压设为可调，消除了各种综合因素的影响，大大增强了适用范围。

（5）采用微电脑作10 Hz 标准时钟脉冲发生器，精度优于0.1%，一致性好，适合批量生产。

（6）采用计时、计数控制器，可任意切换测流最短历时100 s、60 s 或30 s。

（7）可将其嵌入缆道控制柜内使用。也可盒装移动，用两节锂电池供电，循环充电，电池经久耐用。

2.5 安装与调试

自动计时、计数测流信号接收器已陆续安装了10 台，3 台嵌入式，7 台移动式。邵阳站用于船上测流，其它站用于缆道测流。该信号接收器在安装过程中没有调试元件，只要元件良好，焊接无误，一装即成。第一次测流时要调节基准电压，以适应测站环境，以后也不需要经常调节。

3 应用实例

该套自动计时、计数测流信号接收器已在邵阳水文局邵阳、茅坪、红岩、洞口、隆回5 个站使用1年有余，普遍反映使用简单，操作方便，稳定可靠。

[1] 长江流域规划办公室.水文缆道（第一版）[M].北京：水利电力出版社，1978.

[2] 王喜斌，孙东辉，李叶紫，等.MCS-51 单片机应用教程[M].北京：清华大学出版社，2004.