磁致伸缩一体化水位计的研制

李学胜，罗孝兵，王启飞

(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，南京 210003)

0 引 言

水资源是人类社会生存和发展不可缺少的自然资源，我国是一个水资源缺乏的国家，其中农业灌溉用水又占据相当大一部分，目前我国灌区水资源利用效率整体较低，为了实现高效节约用水及合理分配用水，对水位的测量就显得尤为重要[1]。目前常用的水位测量主要包括人工检尺、浮子式、压力式、超声波、雷达式和激光式等水位计。人工检尺的测量精度低，每次测量时间长，且只能离线测量，不适用于在线实时测量；浮子式水位计[2]结构简单、成本低、功耗小，缺点是测量精度低，容易受泥巴、水藻等影响需要水位井测量，受浮子尺寸影响不能测低水位；压力式水位计[3]易于安装，量程大，可用于零下温度测量，但绝对误差大，有温漂，维护工作量大；超声波式水位计[4]易安装，设备价格低，维护方便，但易受气温、水面漂浮物等的影响，测量精度和可靠性较差；雷达式水位计[5]精度高、量程大、抗干扰能力强、可靠性好、易安装，但该价格较高、设备较复杂，维护成本高，易受水面漂浮物影响；激光式水位计量程大、精度高，体积小，但结构复杂，维护成本高，另外，需要与反射板配合使用，增加了安装难度[6-8]。

综上所述，很少能提供一种测量精度高，测值稳定，结构简单，经济实用，方便现场安装的集多种功能于一体的水位测量装置。

本文设计的一体化水位计是基于磁致伸缩效应的一种浮子式水位监测装置。虽然，本装置使用了浮球作为水位升降的标识物，也会具有一些浮子式水位计的一些特点，比如受水草、泥巴的影响，有的地方还需要修建水位测量井等缺点。但该装置采用磁致伸缩原理具有测量精度高、测值稳定可靠，结构简单、成本低廉等特点，同时，该仪器是集水位测量、流量换算、数据显示和全网通通讯等为一体的一种多功能监测设备,且该产品还具有外部接口简单，现场调试及运行、维护工作量小等特点。可以为量水、取水及水资源的合理分配与利用提供科学的、现代化的手段；同时也可应用于数量大、站点分散的城市防洪排涝工程。

1 仪器工作原理

一体化水位计是基于磁致伸缩效应、浮力原理、电子技术、无线通信技术等研制而成的水位测量仪器,它的工作原理[9,10]如图1所示。

图1 工作原理图Fig.1 Working principle diagram

当传感器工作时，将问询脉冲加载到波导丝上,该脉冲沿波导丝向前传播,由电磁场理论可得,问询脉冲在波导丝周围会产生一个垂直于波导丝的环向磁场。当环向磁场与浮球----位置磁铁(浮球里设置有永久性磁铁)产生的轴向磁场相遇时,就会互相叠加产生螺旋形磁场,由磁致伸缩效应可得,该螺旋形磁场使波导丝在浮球当前位置处产生瞬时扭转形变,形成扭转应变脉冲，应变脉冲是一种机械波，沿着波导丝向两端传播,当扭转波传播到波导丝末端时,被阻尼器吸收,防止波的反射干扰信号检测。当扭转波传播到波导丝顶端时，被检测线圈拾取，在线圈两端就有感应电压输出。根据脉冲发射与电压信号输出的时间差计算浮球的位置，从而得到水位信息。一体化水位计的主控存储模块，通过采集水位采集模块中的水位数据，并根据录入存储模块的水位流量关系曲线换算出当前流量，然后通过全网通通信终端，将水位、流量数据发送至中心站及分中心。

2 传感器结构设计

仪器结构如图2所示：主要包括：密封堵头、挡圈、浮球、测杆、连接件、防水航空插头、变送器壳体、液晶显示屏、红外感应开关等，仪器内部设有：波导丝、波导丝屏蔽层、消回波装置、波导丝直线度调节装置、测量线圈、CPU电路板、电源板、信号板、锂电池等。

变送器壳体分为下壳体、支撑板及上盖。为方便更换锂电池，将下壳体分为电子仓和电池仓两部分，二者互不影响。电子仓里设置有竖直方向的电路板卡槽，可直接将电路板插入卡槽内，方便电路板安装。液晶显示屏、红外开关电路板安装在支撑板上，支撑板固定到电子仓上。上盖板与下壳体采用卡槽式连接，更换锂电池时，只需将上盖板拧下即可，方便电池更换。上盖板和下壳体之间有密封设备。另外变送器壳体上还设置有防水航空插头孔、天线孔，防水航空插头可连接太阳能充电装置和RS485通讯接口。天线孔方便天线外接，可为全网通通讯提供较强信号。

图2 仪器结构图Fig.2 Structure chart of instrument

变送器壳体和测杆通过螺纹连接，测杆里包括波导丝、波导丝屏蔽层、消回波装置、波导丝直线度调节装置、测量线圈等， 为了保证波导丝在其保护管中的直线度，提高传感器的测量精度，该传感器设置有波导丝拉紧装置，安装时通过调节该装置，可以保证波导丝的直线度，提高仪器的测量精度。另外，为了减少回波对测量的影响，在波导丝两端均设置有消回波的材料。

3 电路设计

一体化磁致伸缩水位计集供电、采集、显示、通信功能于一体，水位计的电路部分整体分为4个电路板进行设计，包括主控电路板、电源板、电池充电控制电路板、红外开关电路板，电路板之间通过插针或排线进行连接。电路板上主要由电源管理、充电控制、MCU、RS485通讯单元、全网通无线通讯、ZIGBEE通讯、液晶显控、存储单元、传感器测量单元、LCD显示单元及红外感应开关等单元组成。其中， MCU、RS485通讯单元、全网通无线通讯、ZIGBEE通讯、液晶显控、存储单元、传感器测量等单元设计在主控电路板上，充电控制、红外开关、电源分别单独设计一块电路板，具体如图3所示。

图3 电路总体框图Fig.3 Block diagram of the circuit

电源管理单元主要将锂电池的12 VDC电源或外部6～28 VDC电源转换为4.1 VDC和3.3 VDC电源，给本模块电路及主控电路、红外开关、液晶显示等供电。同时根据各功能模块的定义，采用独立电源供电，通过MCU控制，在需要工作时供电，其余时间关闭，以实现低功耗，具体如图4所示。

图4 电源管理单元电路框图Fig.4 Block diagram of power management circuit

其中锂电池的12 VDC电源或外部6～28 VDC电源转换为4.1 VDC采用了超低功耗、高转换效率的LT3481芯片，其电源转换效率能到达90%以上，静态工作电流仅50 μA，是本水位计实现低功耗的重要一环节，其电路原理图见图5所示。

图5 12 V电源转换为4.1 V原理图Fig.5 Schematic diagram of 12 V power conversion to 4.1 V

MCU单元采用STM32F103ZG核心处理器，该芯片性能强大，功耗低，成本低，能够满足一体化水位计对于MCU的性能要求。微控制器负责与各个功能模块接口，采用IO口、UASRT串口、I2C总线与各个功能模块连接实现监控模块应用功能，满足采集、通信需求，具体如图6所示。

图6 MCU芯片与其他功能模块接口图Fig.6 Interface diagram between MCU chip and other functional modules

全网通无线通讯单元与MCU通讯，将MCU计算出的液位等信息通过全网通天线传输至远程中心站。同时，本模块在开机时给出GSM通信时间窗口，进行重要或调试参数设置。为满足远程控制要求，设置遥控通信时间窗口，通过短信进行参数设置，可设置参数包括：目的地址IP、端口、工作模式、手机号、站号、水位基准值。为实现本一体化水位计低功耗目标，设计电源控制电路，由MCU定时开启和关闭全网通通信模块电源开关。考虑到供电可靠性，留有外部电源接入接口。充电控制单元主要实现太阳能电源或外部直流电源输入对锂电池的充电控制。

LCD显示单元采用背光型汉字液晶显示器，主要实现水位、液位、运行参数(系统时间、系统站号)、电池电压等参数的实时显示，同时通过受控电源供电，达到低功耗目的。

红外感应开关采用Si1141集成芯片，其集成度高，外围器件少(如图7所示)，仅需要对电源进行适当保护电阻和电源去耦电容即可。其环境光传感器能够感应高达128 kilolux的光照度。此外，Si1141的先进架构能够在25 μs内完成接近感应测量，减少了极其耗电的红外二极管的开启时间，实现业界最低的系统功耗(9 μA平均电流，0.5 μA待机电流)。

图7 红外感应开关原理图Fig.7 Schematic diagram of infrared induction switch

另外，仪器预留流量换算公式设置窗口。根据不同标准渠道(如：巴歇尔槽、梯形等)的经验公式，或是通过现场率定得到率定公式，通过预留流量换算公式设置窗口将公式导入，因这些公式都是 液位高度的函数，只要测得液位高度，仪器就可根据公式换算出当时渠道的流量，最终直接输出流量值。

4 技术指标

①测量范围：0～1 000、1 500、2 000 mm；②基本误差：≤±0.1%FS；③不重复度：≤±0.05%FS；④迟滞性：≤ 0.1%FS；⑤环境温度：-20～+60 ℃。

注：FS为仪器的测量范围，单位为mm。

5 试 验

5.1 性能试验

性能测试平台如图8所示，该平台是自主研发的标定装置，并得到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认可，平台采用溢流方式，具有调平装置，首先通过调节底座，将标定管调整到竖直方向，再将校准后的一体化水位计放置于标定管内，通过调节螺杆将一体化水位计同样调整到竖直方向，同时保证一体化水位计的浮球能自由移动。

图8 性能测试平台Fig.8 Performance test platform

首先找仪器零点：先将溢流桶降低到约与水位计测杆底端在同一水平面位置处，然后缓慢往溢流桶内加水，水通过连通管进入到标定管中，同时浮球随水面升高，当有水从溢流管流出时，快速往溢流桶内加水(由于重力及惯性作用，水继续往标定管里流)，为保证加水过程中标定管里的水面高于溢流管位置，溢流管要选择稍细的水管，并且溢流管安装位置要低于溢流桶上边缘，当水开始从溢流桶上边缘流出时，停止加水，待水面稳定后，记录一体化水位计测值，同时将千分尺显示屏清零，然后缓慢移动溢流桶，移动量为记录的一体化水位计测值，最后再将千分尺显示屏清零，待水面稳定后，此处设为仪器零点。

性能测试：以100 mm为一个档位，仪器共进行3个正返程测试。

正程：首先将溢流桶升高100 mm，缓慢往里注水，注水方法与找零点时一致，待水稳定后，记录为第一档时一体化水位计测值，然后再将溢流桶升高100 mm，再往溢流桶里注水，注水方法与第一档时一致，待水稳定后，记录为第二档一体化水位计测值，继续此步骤，直到溢流桶升高1 500 mm(仪器满量程)。

返程：缓慢向下移动溢流桶100 mm，待水面稳定后记录返程第一档仪器测值，继续向下缓慢移动溢流桶100 mm，待水面稳定后记录返程第二档仪器测值，如此反复，直到千分尺回到零点。

第一个正返程测试结束。按此方法对仪器进行3个正返程测试，测试数据及数据分析如表1所示。

由表1试验数据可知，在测量范围内，仪器的基本误差、不重复度、迟滞性均在仪器设计要求范围之内。

5.2 稳定性试验

在室温下，将一体化水位计与浮球同时固定在一试验平台上，保证两者之间不出现相对移动，通过RS485通讯线与电脑连接，接通电源，仪器拷机时间为2017/11/10-2017/11/14，历时4 d共计约96 h，测量频率均为1 min/次，试验数据如图9所示。

图9 稳定性试验数据曲线图Fig.9 Chart of stability test data

从图9的试验数据可知，仪器经过近4 d的拷机试验，测值变化不超过0.1 mm，虽然开始有上升的趋势，但随着时间的推移逐渐趋于稳定，且测值在759.65 mm上下周期性变化，由此可知仪器稳定性良好。

5.3 环境适应性试验

将仪器放入高低温试验箱，同时将仪器和浮球均固定在试验箱体内，测量在仪器设计温度下能否正常工作，测量数据如表2。

表2 高低温试验数据表Tab.2 high and low temperature test data sheet

从表2数据可以得到，仪器在-20 ℃和60 ℃下均能正常工作，满足仪器设计要求。

6 结 语

本文介绍了一款基于磁致伸缩原理研发的一体化水位计，该仪器集水位测量、流量换算、数据显示和全网通通讯等功能为一体的多功能监测设备。本文从测量原理，结构设计及电路设计出发，详细介绍了磁致伸缩一体化水位计的设计研发过程，设计了标定平台，该平台得到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认可，并在该平台上进行了仪器性能试验，通过试验验证了仪器的性能指标均能达到设计要求，为仪器市场推广应用提供了理论基础及试验依据。而且，该仪器还通过了水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心进行的委托检验，各项指标均符合国标《GB/T11828.5-2011水位测量仪器第5部分：电子水尺》1级精度的要求。目前，已有40台仪器安装在大安灌区综合自动化及调度运行管理系统中，已运行一个灌季，状态良好，得到了客户的肯定。