一体化地下水水位计的设计与实现

任庆海，高 军，王 瑞

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3.宿迁市宿城区水利局，江苏 宿迁 223800）

0 引言

水是生命之源、生产之要、生态之基。地下水是我国水资源的重要组成部分，是我国城乡生活和工农业用水的重要供水水源。为了科学、合理地开发利用和保护地下水资源，需要加强地下水的动态监测和分析预测。

地下水水位是最重要、应用最广泛的监测要素，通过监测水位变化过程可以了解地下水的大多数动态和影响。加强地下水水位自动监测是贯彻落实党和国家重要治水思路，保障国家水安全的战略性、基础性、长期性工作。

1 总体设计

用于地下水水位自动监测的水位计按照工作原理不同，主要有压力式、浮子式、气泡式等类型[1]。水位计按照仪器组件集成形式的不同，大致可分为一体式水位计和分体式水位计。目前，在国家地下水监测工程项目实施中，常用的自动监测地下水水位计主要有压力式地下水位计和浮子式地下水位计[2]。

根据国家地下水监测工程项目实施的相关要求，本文设计了一种一体化地下水位自动监测仪器，采用压力式水位计测量水位。该款自动监测仪器是集压力传感器、数据采集、遥测、存储、通信传输、供电为一整体的智能地下水监测传输设备。

该款一体化遥测水位计是以高精度、高稳定性的压力传感器作为压力感知元件。根据测量水位值（H）等同于大气压的流体静压（K）而建立起来关系：H=K/g（g为重力加速度）。

输出数据值经过内部智能线性修正和温度补偿，进而得到水位的准确测量值。

2 分项设计

2.1 压力式传感器设计

压力式传感器采用一体式设计结构，各部件间接头连接方便可靠、易于拆装，便于设备安装调试和使用维修。压力式传感器体积小巧、功能强大，外形尺寸仅为φ22 mm×134 mm。传感器筒体采用316 L不锈钢材质，底端探头防护罩为高强度尼龙，顶部采用高强度尼龙对通气电缆进行保护。电缆采用Φ6.8 mm双钢丝防水屏蔽通气电缆，在对气压补偿的同时保证了产品的稳定可靠[3]。

压力传感器基于陶瓷电容和铂电阻的水位、水温传感器研制，重点解决温度补偿和时间漂移问题。压力传感器采用静压测量原理，CPU可设置为定时或实时采集压力和温度传感器，并运用嵌入式微控制器预置的特定算法对采集的压力数据进行线性修正和温度补偿，从根本上保证了产品的稳定性和精度。

2.2 遥测终端机（RTU）设计

本系统采用嵌入式微控制器MSP430F5xx系列芯片作为微控制器，所有功能都通过主程序和中断来实现，数据通过内嵌2G（或4G）通讯模块传输至中心站，实现了地下水水位和温度数据的自动监测。系统原理及结构如图1所示。

图1 系统原理及结构

2.3 系统工作流程设计

RTU上电启动后，进入系统初始化阶段，将对各个模块初始化，主要包括设置系统时钟、I/O端口、内部集成电路、串口参数等，并配置读取单元、打开中断等，随后进入系统主程序循环阶段。在主程序循环阶段，主要进行二次判断：一是数据采集的时间点判断，“是”则做相应的处理，“否”则数据采集结束。二是数据发送判断，“是”则进行发送数据的相关处理，“否”则关闭通讯模块和数据采集模块电源，微控制器进入休眠状态。微控制器休眠以后，等待外部中断再次唤醒[4]，系统主程序流程如图2所示。

图2 系统主程序流程

3 仪器性能指标和特点

3.1 仪器主要性能指标

（1）测量参数：水位和水温。

（2）水位量程：0～10 m，0～20 m，0～30 m可选。

（3）水位测量精度：≤0.1%/FS；分辨率：1 cm。

（4）埋深：0～1200m。

（5）水温计分辨力：0.1 ℃；水温测量误差：≤±0.1 ℃。

（6）工作电压：5～15VDC。

（7）静态工作电流：≤10 μA。

（8）数据固态存储：5年以上存储数据，不丢失。

（9）温补范围：0～50 ℃。

（10）工作温度：-20～70 ℃。

（11）防护等级：IP68。

3.2 仪器特点

（1）仪器结构精简、密封性好，具有防潮、防腐、防锈的特点。可在高湿度环境下长期工作。

（2）具有自报式和召测试工作模式，支持中心站远程召测及本地、远程参数设置和数据下载，并具有数据补发功能。

（3）仪器内部集成了防反接、防过载及抗干扰处理电路，保证仪器在恶劣环境下可靠工作。

（4）选用陶瓷电容式压力传感器，并采用温度补偿修正功能，使压力传感元件更加稳定，水位测量准确性更高。

（5）具有高集成度和低功耗的特点，能确保仪器在不更换电池的情况下正常运行3年以上。

4 结语

本文主要对一种一体化地下水位监测仪器做了总体和分项设计的描述，最后进行了仪器主要性能指标和特点的介绍。本文设计的一体化地下水位计已经通过水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心的各项检测检验，具有功耗低、运行稳定可靠的优点。本设计中的产品目前在国家地下水监测项目中得到了广泛的应用，为加强地下水的动态监测和分析预测，以及水资源统一调度、合理配置、监督与考核等提供决策依据。