水文行业智能仪器设计及应用

□张新书

水文行业是一种特殊的行业，其工作环境大都在野外完成，条件艰苦环境恶劣，使用的主要测量仪器是流速仪，而该仪器的传感器部分有国家标准限制，所以后期的数据采集和处理的研究对减轻工作压力，改善工作条件以及提高数据采集质量具有非常重要的意义；因此各地水文机构都在研究智能化的流速记录仪器。以下以我省研制的流量测算仪为例介绍智能流量测量仪器的设计思路及应用。

1．设计思路

流量测量仪器由于其环境的特殊性和人员结构，决定了其仪器虽说速度不用太快，但却对可靠性有比较高的要求，并尽可能的兼容多种情况。因此用流速仪进行流量巡测对流量测算仪提出了新的要求。

1.1 能适应各种数据采集手段

现有水文站测量断面流量时虽然流速测量统一采用流速仪作为传感器，但流速仪也分旋浆、旋杯等各种类型，且其信号接口各有不同，而且除它外，其它像测量水位、起点距、水深等测量流量的必要数据的采集方法因受多种因素的制约，已形成“百花争鸣”的局面，改变这种状况不仅是脱离实际的，也是目前规范所不允许的。这就要求流量测量仪器必须适应多样化的数据采集手段，也就是说要适应各种数据接口，以便能和多种传感器连接。

1.2 能适应各种巡测环境

各地水文部门的测验方式逐步由驻测转向驻测与巡测相结合的方式。与驻测相比，巡测的工作环境更复杂，对仪器的环境适应能力要求更高，对仪器的功能要求更全面，对测验效率要求更高。这就要求智能流量测算仪具备防震、防雨性能，由于要人工使用，所以必须是小型手持式仪器，并具有自动计算、显示、存储、打印及建立数据库等各种功能，以便为以后的工作提供方便。

1.3 测算精度符合规范要求

水文行业的巡测，虽不同于传统的驻测，但仍属流速仪法测流，因此其使用的仪器其测算精度必须达到规范要求，以确保水文资料的一致性。

1.4 我省智能流量测算仪总体设计方案

根据上述要求，我们制定的总体设计方案是：以单片机为核心，组成一个微功耗的，并由两节普通干电池供电的手持式智能流量测量的仪器，可以记录并完成各巡测站点的流速、距离、显示、存储等项前期任务；其中除流速测量统一采用流速仪做传感器自动记录以外，其余各项原始数据均采用现行的各种方法采集后，用键入法输给该仪器。另外仪器具有与计算机通讯的功能；流量计算表的打印、建数据库等后处理任务由配套的计算机完成。这一方案不仅大大简化了单片机前向通讯配置，而且也给后续处理工作创造了良好的外部条件。

2.主要结构和工作原理

智能流量测算仪智能部件包括80C31单片机、128KB掉电保护数据存储器、128KB程序存储器、缆道测量接口电路、16×2字符式液晶显示屏、通信接口电路、4×6阵列薄膜按键开关、输入接口电路、电源变换电路及音响报警电路等（见附图）。

流量测算仪硬件采用了节能、便携的设计。使用微功耗芯片，简化了不必要的程序，只设置了“工作”与“闲置”两种运行模式；智能部件集成于一个万用表大小的盒子中；由两节普通1.5V5号电池供电即可保证仪器的正常运行，尤其适用野外巡测方便携带及低功耗的要求。

智能流量测算仪结构示意框图

完整的测量数据采集、计算程序已预先固化在程序存储器芯片中。当电源启动后，仪器首先要对仪器性能进行自检；自检通过后进入闲置工作方式，等待命令；输入测量断面的相关参数数据：如断面号、流速仪系数、施测时间、天气、平均流速系数、边孔流速系数和流量改正系数；然后按提示的顺序通过数字键盘输入测速延时、起点距、测时水位、水深等数据，并储存于仪器中。每次按键相当于提出一次中断申请，随后该仪器便自动进入工作模式，按键结束后会自行退出工作模式重新进入闲置模式，等待新的申请。流速仪传感器发出的测速信号由输入电路进入智能部件，经过处理后的流速信号送入单片机，然后由程序自动计算测点流速值，即时显示在液晶屏幕上，并将结果存入存储器中。整个测流过程完成后，可以瞬时准确计算出断面流速，显示出测流结果并可输出，满足现场分析及拍报需求。

3．试用情况与鉴定评价

智能流量测算仪研制完成后，经我省10个直属水文局及海委漳卫南运河管理局引黄穿卫枢纽管理所；山东省聊城水文水资源勘测局等单位的实际使用和对比，证明本智能测算仪其各项性能均满足了设计方案所设计的要求；其测算结果与常规法测流时用人工计算结果完全一致。

与此同时在该智能仪器研制完成后，经河北省水利厅邀请的国内水文部门的权威专家教授，对该仪器进行了鉴定；认为“该仪器能适应野外巡测环境，能现场一次完成流速测量、流量计算、数据存储等工作，后续处理工作较完善，操作简单、稳定可靠，性能价格比较好，测算结果符合水文测验规范要求。可以减轻测验人员的工作强度，提高工作效率，为开展巡测仪器配套工作创造了有利的条件”，并认定“该仪器具有实用、新颖的特点，在多断面巡测中一次完成流量测算方面，能够达到国内先进水平”。□