深孔分层抽水自动监测仪器的设计与应用

张建伟, 杨卓静, 冯建华, 张 磊, 袁爱军

(1.国土资源部地质环境监测技术重点实验室，河北 保定 071051；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

深孔分层抽水自动监测仪器的设计与应用

张建伟1,2, 杨卓静1,2, 冯建华1,2, 张 磊1,2, 袁爱军1,2

(1.国土资源部地质环境监测技术重点实验室，河北 保定 071051；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

针对深进尺钻孔各个含水层水文地质参数难以独立获取、试验环境恶劣等问题，提出深孔分层抽水试验的新方法。设计了基于压阻硅芯体的温度、压力传感器并配置自动控制单元，与含水层封隔器配套使用，解决了深孔含水层独立研究的难题。考虑到自动监测仪器高精度指标、高频采样能力及高效数据处理的需求，开发了智能补偿算法，设计了高速采样电路及上位机数据处理界面,完善了仪器的整体性能。同时，设计了基于LCD1602显示屏的数据实时显示模块及基于SD卡的数据储存模块，使得监测设备能够实时掌握试验动态，并且实现了试验数据的实时存储。分层抽水自动监测仪器成功运用于黑河流域水文地质调查工作中，获取了黑河中下游地区多个含水层的抽水试验数据。应用结果表明了仪器的高效性和可靠性。此类仪器及方法有助于提高我国水文地质调查质量，以及水文地质领域的理论创新。

水文地质； 智能； 环境； 自动化； 传感器； 监测； 滤波； 补偿

0 引言

近年来，国土资源部重点部署了我国典型地区1∶5万水文地质调查工作，以满足新时代的经济建设及民生需求。但可查阅的历史水文资料受当时调查条件及技术方法的限制，往往笼统片面，已经不能满足国民生产的要求。例如，以往对河西走廊所处的黑河流域的调查方法以人工统测为主，监测点布设稀少、无规律，获取数据量不足且精度不够；含水层研究基本以浅层为主，抽水试验数据片面，利用价值不高，导致目前该区域基础水文地质资料匮乏。因此，本文提出一种能够用于多含水层深孔封隔洗井、抽水的新方法，研制了一种能够与封隔器配套使用的水位、水温自动监测仪器。该设备具有高精度、宽量程、结构简单、方便使用以及自动化数据采集存储的特点，提高了野外调查的精度和效率。同时，该设备能够有效提高洗井效果、获取独立含水层的参数，使调查工作质量明显提高，创新性显著[1-2]。

1 工作原理

1.1 含水层封隔器

研究含有多个含水层深孔中的某一含水层时，需要将该含水层与其他含水层分离。本文设计了含水层封隔器，结构如图1所示。

图1 封隔器结构图

该封隔器由高压氮气瓶、导气管、胶桶和水管组成。在使用过程中，将高压氮气瓶放置于井口，封隔装置放置于两含水层止水实管处，两者通过导气管相连。高压氮气瓶上装配有压力表，用于监控胶桶的充装压力，防止胶桶涨破或者难以达到封隔含水层的效果。胶桶采用含氟橡胶材料制成，其膨胀系数高，能够有效贴合井壁，达到密封效果；胶桶的材料也可以根据含水层及抽水试验环境的变化而改变。胶桶通过网撑、滑轴、O型圈等配件与水管相连，试验过程中通过桶内压力压缩O型圈保证胶桶的密封性。导水管两端是标准外螺纹，可以和潜水泵、泵管、死堵连接。

1.2 压阻硅传感技术

分层抽水试验主要监测水位、水温、流量的实时变化。本文采用晶体硅为基础材料，利用硅材料的压阻效应制成应力敏感器件。利用激光镌刻技术，在硅膜片上绘制等臂电桥电路。硅膜等臂电桥电路如图2所示。

图2 硅膜等臂电桥电路图

应力与阻值的映射关系是信号传感的基础，当硅膜片受到应力作用时，其外形和电阻率的改变会导致电桥电路失衡。根据材料力学经验公式，电阻变化与应力的关系为：

(1)

式中:R为阻值；v为材料的泊松比；π为材料的压阻系数；E为材料的杨氏模量。

根据等臂电桥电路特点，设计传感信号测量电路如图3所示。

图3 传感信号测量电路图

图3中,电路响应和激励的关系为：

Uout=UR-UD

(2)

(3)

(4)

(5)

由式(5)可以看出，在单位压力作用下，压力传感器的输出变化是由电桥中桥臂的电阻值变化所决定的。

在传感器制作过程中，电桥电路中的电阻应该完全一致，即在无外力施加情况下，测量电路应该输出为零。但是在实际激光镌刻过程中会产生误差。对此，采用补偿电阻对传感信号测量电路进行修正。

2 硬件电路设计

2.1 系统构成

该设备硬件部分主要由两部分构成：放置于水下的传感芯体及适配电路和放置于井口的逻辑控制、电源、时钟、信号处理等单元。系统构成如图4所示。

（3）A高漏电流混酸化成箔：皮膜抗水合性一般、漏电流大，高压水煮后皮膜耐压下降幅度大，化成箔容量转化率高、强度好，适用缩体引线式铝电解（表4、5是生产的大型铝电解，寿命短不适用），配合的电解液必须形成效率高、含漏电抑制剂。此类化成箔如果高压水煮出现无耐压，在实际使用中产品早期失效是大概率事件，因此，此类化成箔皮膜抗水合指标是首要指标。

图4 系统构成框图

系统采用5～12 V直流供电，常通和可断电源设计思想能够有效降低系统功耗，实时时钟采用3 V纽扣电池供电[3]；传感器信号接口电路遵循RS-485通信协议，设备与上位机接口电路遵循RS-232通信协议；系统选用TI公司生产的MSP430F5438A作为逻辑控制芯片，其功耗低、主频高、外设丰富的特点能够保证设备性能；系统具备数据实时采集和高效处理的能力，每次获取的监测结果在气压补偿后通过液晶屏显示给试验人员，同时存储在Flash存储器中，存储芯片选用M25P80；上位机可以通过串口对设备进行参数设置和历史数据读取。

2.2 滤波放大电路

压力芯体受力后输出小电压信号，对该模拟信号进行滤波、放大处理后进行A/D信号转换，进而通过计算获取直观测量结果。模拟信号调制电路中的滤波电路采用MAX267构成带通滤波器，滤除信号中的直流成分和电源带来的高频噪声干扰；然后经过MAX4471进一步放大，得到与单片机相匹配的电压信号。同时，该信号通过低功耗比较器MAX9028转换成脉冲信号，触发A/D转换器工作。

2.3 气压补偿电路

水中传感器测量结果是水压和大气压力的叠加，系统在壳体2中配置了基于MS5540C的气压补偿电路，以提高测量精度。

基于MS5540C的气压补偿电路配置了标准的SPI接口，以便与主控制芯片通信；气压传感器电源端通过磁珠消除高频噪声；使用32 768 Hz外部有源晶振作为时钟源，能够提高传感器精度；SPI接口时钟端接入15 pF电容，对消除野外干扰非常有效[4]。

3 系统软件设计

系统内部配置实时时钟和逻辑控制单元，控制程序采用中断唤醒的方式实现系统的自动化实时监测。

系统能够响应外部时钟中断和串口中断，外部时钟中断对应于数据采集任务，即当设定的闹钟和时钟匹配时，系统被唤醒，执行数据采集、处理、存储、显示等任务；串口中断对应设置设备参数、读取历史数据等任务。系统通过判断状态字、延时、中断嵌套等方法避免事件冲突，以保证设备在无人值守的情况下自动完成监测任务。

3.2 温度补偿算法

由于硅压阻的传感特性受温度影响较大，因此对传感器进行温度补偿的意义重大。本文结合传统多项式拟合法和遗传算法模型，建立遗传回归模型；采用改进的遗传算法；利用其自适应全局优化概率搜索功能，对回归系数进行优化处理，提高了模型的拟合准确度[5]。温度补偿算法软件实现步骤如下。

①建立传统回归模型。

P=b0+b1t+b2t2+b3v+b4v2+b5tv+b6t2v+b7tv2

②利用数据进行多项式回归，得到回归系数bi。

③取各回归系数bi附近数组，作为遗传算法的定义域B。

⑤以bi为决策变量，依据改进的遗传算法，按适应函数fmax进行优化计算。

⑥求得新的回归系数，并代入混合模型。

选取两套同一量程的监测设备，为其中一套植入温度补偿算法，依托标准压力源及高低温试验箱，开展室内标定试验[6]。试验所得传感器温度补偿结果比较如表1所示。

表1 传感器温度补偿结果比较

试验结果表明，植入温度补偿算法的设备精度明显提高，而且残差值有正有负，显示了随机变化的动态特性，算法效果良好。未进行温度补偿的监测值误差较大，而且残差漂移方向趋于一致，说明设备受温度影响较大，监测结果价值不高。 本文提出的温度补偿模型实质是一个二维曲面的非线性校正，该算法适用于受多种因素影响的传感器标定及误差补偿研究[7]。

4 野外应用

该设备应用于黑河流域水文地质调查中，完成了多个钻孔的分层洗井和分层抽水监测工作，获取了大量数据。本文以3#钻孔为例，展示设备应用效果。3#钻孔井深为120 m，静水位为2.35 m，含有两个含水层，井中34.3～57.8 m和69.5～88.8 m两段为含水层，其他位置为非含水层。封隔器放置于钻孔60 m左右的实管位置，通过调整潜水泵和封隔器的上下位置，开展对两个含水层的独立和混合抽水试验。封隔两个含水层抽上层水的监测数据曲线如图5所示。

图5 孔HQ3抽上层水监测数据曲线图

两套100 m量程的监测设备分别放置于静水位下43.65 m和79.75 m处，采样频率设置为每分钟一次，试验过程中抽取两个降深，试验时间持续17 h。

由图5可见，封隔器分离两个含水层的抽水过程中，上层水位最大降深为5.65 m，下层水位保持不变；

依据试验数据，可获取上部含水层水资源参数。同理，更换封隔器和潜水泵的位置，可获取下部含水层数据。如果钻孔中有多个含水层，可以使用多个封隔器和多套监测设备达到试验目的。

通过分析获取的大量监测数据，表明100 m量程的监测设备测量误差不超过±2 cm，设备性能稳定，能够实时处理数据，有效提高了抽水试验质量和效率。

5 结束语

本文设计的深孔分层抽水自动监测仪器结构简单、资源要求低、抗干扰能力强，现已成功应用于野外试验，并获取了大量试验数据。野外监测结果表明，此设计性能稳定、可靠，精度、分辨率等指标均能够满足野外需求。本设计可以成为未来解决野外地下水监测的有效工具。

此外，所设计的仪器采用模块化的设计思想，其功能模块移植性强，逻辑控制思路通用，有一定的借鉴性；传感器温度补偿算法通用性强，适用于多种传感器的误差补偿研究[8]。

[1] 张光辉,刘少玉,张翠云,等.黑河流域地下水循环演化规律研究[J].中国地质,2004,31 (3):289-293.

[2] 李文鹏,郝爱兵.中国西北内陆干旱盆地地下水形成演化模式及其意义[J].水文地质工程地质,1999,26(4):28-32.

[3] 史云,钱东平,吕长飞,等.基于智能网络传感技术的地下水动态监测系统[J].农业工程学报,2008,24(1):68-71.

[4] 陈晓颖,宋爱国，李建清，等.遗传算法在硅压阻气压传感器温度补偿中的应用[C]//航空试验测试技术学术交流会，2010.

[5] 王志刚,唐飞，王晓浩，等.基于MS5534B的气压高度计系统的设计[J].微纳电子技术,2008,45(6):351-354.

[6] 赵学亮，史云，冯苍旭.双极性电压脉冲激励的智能电导率测量仪[J].自动化仪表,2011,32(1):76-79.

[7] 张磊，史云，赵学亮.基于单片机的温度监测系统的设计[J].煤炭技术,2011,30(6):39-41.

[8] 史云，张建伟，杨卓静，等.多含水层深孔分层抽水试验自动测量系统：ZL201520614475[P].2016-02-03.

Design and Application of Automatic Monitoring Instrument for Deep Hole Stratified Pumping

ZHANG Jianwei1,2, YANG Zhuojing1,2, FENG Jianhua1,2, ZHANG Lei1,2, YUAN Aijun1,2

(1. Key Laboratory of Monitoring Technology of Geological Environment, Baoding 071051，China;2. Centre for Hydrogeology and Environmental Geology Survey of China Geological Survey，Baoding 071051，China)

Aiming at the difficulties in independently obtaining hydrogeological parameters?that belongs to each aquifer of a deep drilling footage and the poor experimental environment, a new method of deep hole stratified pumping test is presented. The temperature and pressure sensors based on piezoresistive silicon core are designed, and the automatic control unit is configured; these are complementary used with aquifer packer, to solve the problem of independent study of the aquifer in deep hole. Considering the demands for high accuracy, high frequency sampling capability, and high efficient data processing, the intelligent compensation algorithm is developed; and the high speed sampling circuit and host computer data processing interface are designed to improve the overall performance of the instrument. In addition, in order to grasp the test status in real time and realize real time storage of the test data, the data display module based on LCD1602 and the data storage module based on SD card are designed. The automatic monitoring instrument is successfully applied in the investigation of Heihe basin; the test data of multiple aquifers in middle and lower region of Heihe are acquired. The test results prove the necessity, high efficiency, and reliability of the instrument. Such kind of instrument and method are helpful to improve the quality of hydrogeological survey in China, and theoretical innovation in hydrogeological field.

Hydrogeololgy； Intelligence; Environment; Automation； Sensor; Monitoring; Filtering; Compensating

国土资源部公益性行业基金项目(201411083-1)、中国地质调查局基金项目(12120114018401)

张建伟(1983—)，男,硕士，工程师，主要从事地质仪器的研究与应用。E-mail:chegs_zjw@sina.com。

TH81;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702018

修改稿收到日期：2016-07-21