带有姿态传感器的数字水位水温监测仪研发

李建平 张曦明 张景

(河南水文水资源局 河南郑州 450004)

1 背景

目前普遍采用的水位监测设备有浮子式、压力式等方式水位计，单排电极触点式等设备，因受到泥沙淤积、含沙量高、天气、温度、漂浮物、结冰、(水)介质、泡沫等因素的不同程度的影响，并且还存在不能有效的区分有水和无水的问题。并因其功耗大、没有供电电源的因素实现不了水位、水温实时监测数据的传输。随着国家近年来对水文、水资源、防洪等系统和其它涉及水位、水温测验行业的实时监测数据需求量的增大，精度要求的提高，传统的水位、水温测量精度、性能要求、可靠程度均有可改进的空间。存在的的技术问题是：因水文（位）站设备安装地理环境所限，导致有的地方设备不能够垂直安装，只能倾斜安装，有的安装位置、地质条件较复杂，常变动，倾斜角度也随之改变，水位值要求是垂直90°计算，所以每次现场的安装，倾斜角度的测量数据换算较烦琐，出现误差，需要较正，给基层工作人员增加了较大工作量，也影响资料的精度。

2 技术原理

带有姿态传感器的数字远传水位水温监测仪，含有数字处理遥测终端机和自动监测数据转换器，自动监测数据转换器上设置有水位探测感应器和水温探测感应器，水位探测感应器采用双排间隔设置，并且，上下相邻的所述水位探测感应器交叉排列，增大相邻所述水位探测感应器之间的间距。数字处理遥测终端机通过无线或有线传输到水文监测站，并通过RTU设备实现多形式的数据远传和接收。数字处理遥测终端机设置有内置太阳能充电板以及外置防水电源接头和外置防水天线接头，外置防水天线接头与天线连接；数字处理遥测终端机还设置有姿态调整器，所述姿态调整器包括姿态传感器芯板、自动测算芯板和外围电路，自动监测姿态数值，并对设备安装垂直度数值上传实时进行修正。内置太阳能充电板通过整流器与内置可充电电池连接，所述内置可充电电池采用锂电池，所述外置防水电源接头连接所述内置可充电电池和外部电源。自动监测数据转换器的下端设置有密封电路对接器，延伸所述自动监测数据转换器的测量深度。数字处理遥测终端机和自动监测数据转换器选用耗电量低的CMOS译码及编码电路，一次性集成在电路里，并且封装于高级盒式绝缘专用配线密封盒里，进行加压灌胶密封。自动监测数据转换器采用不锈钢双排列电极触点和电子芯板组成，所述双排列电极触点交叉排列，作为所述水位探测感应器。

3 产品设计

本设计产品依靠水自身的导电性能，参照人工观测水尺监测水位和水温的方式，结合先进的电子技术、通信技术、计算机技术研制开发而成，采用双排电极触点式水位、水温测量方式，解决了单排电极触点式水位计存在的难以克服的缺点，测量误差小于1cm，具有脱水标志，投资小不需要建测井，不受泥沙淤积、天气、温度、波浪、飘浮物、结冰、流冰、水质、泡沫等因素的影响。带有姿态传感器的数字水位水温监测仪结构外观剖面见图。

图1和图2中1-外置防水电源接头，2-外置防水天线接头，3-数字处理遥测终端机，4-水位探测感应器，5-自动监测数据转换器，6-密封电路对接器，7-内置太阳能充电板，8-姿态调整器。

带有姿态传感器的数字远传水位水温监测仪含有数字处理遥测终端机3和自动监测数据转换器5，自动监测数据转换器5上设置有水位探测感应器4和水温探测感应器，其中：水位探测感应器4采用双排间隔设置，并且，上下相邻的水位探测感应器4交叉排列，增大相邻水位探测感应器4之间的间距，数字处理遥测终端机3通过无线或有线传输到水文监测站，并通过RTU设备实现多形式的数据远传和接收，数字处理遥测终端机3设置有内置太阳能充电板7以及外置防水电源接头1和外置防水天线接头2，外置防水天线接头2与天线连接；数字处理遥测终端机3还设置有姿态调整器8，姿态调整器8包括姿态传感器芯板、自动测算芯板和外围电路，能够自动监测姿态数值，并对设备安装垂直度数值上传实时进行修正。

使用时，自动监测数据转换器放置在水中，水位探测感应器和水温探测感应器监测信号转换为数字信号，实时上传给数字处理遥测终端机，进行数字整合处理后实时上传给水文监测站。

图1 数字水位水温监测仪结构外观剖面图

图2 7-内置太阳能充电板

4 应用成效

监测仪器将电极触点作成了双排电极触点电路，电极触点交叉排列，电极触点间距增大一倍，使雨水、水流、含泥沙量大、水质体差水体不能附着在电极触点之间，且不能停留，形成不了电极触点短接，也就解决了因此造成水位监测数据误差数值大的问题，从而提高了测量的精度。设计制作了专用独立高性能外置锂电池，太阳能电源充电的不间断电源供电系统，作为备用电源，平时存储电量，待内置缺电时进行自动补充，保证设备正常运行，也可以用作便携式电源直接用于设备供电，定时充电交替更换使用，十分方便。从电路设计、芯片和原件都进行优选，选用耗电量低的CMOS译码及编码电路，一次性集成在电路里，解决了集成低、功耗高这两个技术问题，通过一次性集成和封装，不但改善了设备的一致性，而且还提高了设备的使用可靠性。一次集成封装的电路芯板是采用专业制造的电路板，其强度好耐腐蚀，将完整电路芯板封装于绝缘专用配线密封盒里，进行加压灌胶密封，既改善了电路板强度、韧性，同时也提高了产品的防水性能、防腐蚀和抗老化性能。在设计集成电路里增加了独立高科技姿态传感器，由姿态传感器芯板、自动测算芯板和电路组成，通过姿态自动监测数据调整转换器，自动进行监测、计算水位监测仪安装姿态产生的数值，实现对设备安装垂直度数值上传实时进行修正。从而减轻了工作人员劳动强度，提高了工作效率，减少了资料误差，提高了资料的精度。

测验人员通过使用本次开发的水位监测仪能随时、随地通过计算机和手机获取实时水位、水温数据，为水情自动测报系统和水量调度系统中的水位数据收集和水温数据收集提供了新的可靠手段。

本产品已应用于水库、河流、湖泊、渠道、水井、涵闸等处的水位、水温自动监测，也应用于海洋波浪爬坡、河流、渠道的水位、水温自动监测。由于设计了便携式密封电路对接器，使设备便于携带、安装，特别适用于水文、水资源保护巡测、河流洪水抢测。由于具有脱水标志，可以用于漫滩、水文测船的水位、水温的监测。