磁滞伸缩式一体化电子水尺在袁惠渠灌区的推广应用研究

杨 楠

（江西省水利科学院，江西 南昌，330029）

0 引言

灌区量水需要对灌溉渠道进行水位实时监测，目前，应用到灌区渠道水位测量的设备很多，但多数水位监测设施建设过程中存在施工效率低、成本高、稳定性差等问题[1-3]。因此，结合灌区的现状，急需推广应用施工安装简便、量测精准、适应度高、经济的渠道水位自动观测设备。

基于磁滞伸缩效应的一体化简易电子水尺采用磁滞伸缩原理，具有测量精度高、测值稳定可靠，结构简单、成本低廉，便于施工安装等特点。2020年3月，在袁惠渠灌区袁惠渠总干渠洋津泄洪闸渠段安装一套磁滞伸缩式一体化简易电子水尺，4月正式开始对渠道断面水位进行自动观测，验证一体化电子水尺水位自动观测数据的可靠性、数据精度是否达到水位观测标准，以及在江西灌区渠道水位观测应用的适用性。

1 磁滞伸缩式一体化电子水尺测量原理

磁滞伸缩式一体化简易电子水尺采用一体化结构设计，硬件电路主要由先进的微控制器、实时时钟电路、大容量存储器、远距离通讯（GPRS/GSM）和太阳能充电控制电路、蓝牙通信模块组成。根据用户的水位采集频次要求，实时时钟电路按照设定的时间间隔，启动微控制器工作、进行实时水位数据采集、计算处理，并将测量结果和采集时间保存记录、按照水位数据测报要求规则编码，通过远距离通讯模块上传至监测接收中心。同时还可远传上报水位超限报警信息，水位、流量、设备电压及设备工作参数等数据信息到指定的IP地址上。上述电路工作都处于超低功耗状态，采样及传输工作时间短，非采样时间进入整机休眠模式、功耗极微，供电方式采用锂电池供电、能连续长时间稳定工作。

其核心测量工作原理：铁磁体在外磁场中被磁化时，其长度和体积均发生变化的现象，称为磁滞伸缩或者磁滞伸缩效应[4]，细长铁磁杆处于纵向的外部磁场中时发生机械变形，当有电流通过这个杆，便产生了一个同轴磁场，称为磁滞伸缩效应中维德曼效应[5]。磁滞伸缩式一体化简易电子水尺的基本工作原理是采用磁滞伸缩效应中的维德曼效应，两个不同磁场相交时产生应变脉冲信号，检测到该信号与激励脉冲的时间来计算确定磁场相交位置，从而确定水位值。

磁滞伸缩式一体化电子水尺工作时，头部脉冲发生器产生低压电流脉冲激励磁场，沿波导丝向尾端传播，在波导丝周围产生一个环向磁场，活动浮子随着水位变化沿测量杆上下移动，浮子内部有磁铁产生纵向磁场，当两磁场相交时，基于磁滞伸缩现象，在相交点产生一个扭转波（机械应变脉冲），扭转波沿着波导丝以声速回传到头部电子仓端，检测电路探测到该激励脉冲信号发出到探测应变扭转波有时间差，最终计算出水位值，即对应液位精确变化。测量精度最高能够达到1mm。其主体结构示意图如图1所示。计算[6，7]见公式（1）与（2）。

图1 磁滞伸缩式电子水尺测量主体结构示意图

扭转波传播速度的计算公式：

式中：ν为扭转波传播速度；G为波导丝剪切模量；P为波导丝质量密度。

浮子与扭转波信号检测装置之间的距离公式：

式中：l为浮子位置到扭转波信号检测装置的距离；t为激励脉冲信号与接收到扭转波信号的时间差；其余符号意义同前，由公式（2）即可算出被测水面的水位值。

2 推广应用示范灌区概况

袁惠渠灌区位于袁河流域，是江西省大型引水灌溉工程之一，灌区内以种植水稻为主，是我省重要商品粮基地之一。工程进水闸设计引水量40m3/s，设计灌溉面积2.47万hm2（37.1万亩），实际灌溉面积2.25万hm2（33.7万亩），为灌区农业灌溉、生态供水、人畜饮用给水提供水源[8，9]。

袁惠渠灌区应用试验示范点选择袁惠渠总干渠洋津泄洪闸渠段，位于江西省新余市渝水区珠珊镇洋津村洋津自然村，距离渝水区4.6km，距312国道0.5km。示范段渠道断面形式为规则梯形断面，上顶宽24.8m，下底宽16.5m，渠深4.6m。在渠道左边建有洋津泄洪闸管理站房，位于袁惠渠总干渠12+481桩号，坐标位置东经 114°92′，北纬 27°76′。利用现有管理站房外墙安装电子水尺开展渠道水位观测。

3 比测试验方法

袁惠渠灌区应用试验示范点长期开展了水位观测项目，渠道水位观测断面设有直立式水尺、单根水尺长度1m，刻度面宽6cm，尺度最小刻度划至1cm，误差不大于0.5mm，水尺数字与刻度清晰。刻度、数字、底板色彩对比鲜明。累积误差未超过该段长度的1‰。

根据灌区应用站点历年水位观测资料发现，应用点渠道水位变化幅度不大，基本水尺水位采用2段制观测，水位采用直立式水尺及一体化简易电子水尺自动观测，每日8时、20时各观测一次，观测精度为1cm。

4 观测数据对比分析

为验证一体化简易电子水尺的自动观测数据是否满足水位观测标准规定及观测精度是否符合观测标准，对袁惠渠灌区应用试验示范点渠道人工与自动观测水位数据进行对比分析[10，11]，评定一体化简易电子水尺自动观测水位数据是否符合水位观测规范要求和数据可靠性要求。

（1）相对误差计算方法。将人工观测和一体化简易电子水尺自动观测数据进行误差计算，计算公式：

式中：E为两种观测数据的相对误差，以人工观测数据值为基值；L为水位人工观测值；为水位一体化简易电子水尺自动观测值。

（2）数据分析评定。按现行的《水位观测标准》（GB/T50138-2010）中的相关规定，水位自动记录仪器设备的比测结果应符合置信水平95%的综合不确定度应为3cm，系统误差应为±1cm；波浪问题突出的近海地区水位站，综合不确定度可放宽至5cm。

1）系统误差定度：

式中：Xy′为系统误差定度；P为人工观测水位值数据；Py为自动观测水位值数据；N为观测对比次数。

2）随机不确定度：

式中：Xy″为随机不确定度；其余符号意义同前。

3）综合不确定度：

式中：X为综合不确定度；其余符号意义同前。

4.1 袁惠渠灌区应用比测试验数据分析

4.1.1 对比误差计算

袁惠渠总干渠洋津泄洪闸渠段2020年3月14日～10月29日人工观测及一体化简易电子水尺自动观测共取得水位数据460组，相对误差数据超过0.03的有15组，占比3.3%，小于等于0.03的有445组，占比96.7%。

2021年3月21日～7月31日人工观测及一体化简易电子水尺自动观测共取得水位数据266组，相对误差数据超过0.03的有7组，占比2.6%，小于等于0.03的有259组，占比97.4%。

4.1.2 自动观测和人工观测数据对比分析

袁惠渠总干渠洋津泄洪闸渠段断面一体化简易电子水尺2020年2月安装调试完毕，3月投入使用，因为灌区渠道按照农业生产灌溉需要，供水时段为每年的3月至10月，其余时段渠道为无水状态，所以人工与自动观测数据对比分析采用2020年3月14日～10月29日与2021年3月21日～7月31日早晨8：00和晚上20：00的数据，共363日、726组水位观测数据进行对比分析。鉴于篇幅限制，选取分析结果部分数据进行叙述。

袁惠渠总干渠洋津泄洪闸渠段断面水位人工观测数据3月份最高水位为3.50m，最低水位为2.70m，水位变幅为0.80m。一体化简易电子水尺自动观测数据最高水位为3.50m，最低水位为2.70m，水位变幅为0.80m。4月份最高水位为3.60m，最低水位为1.30m，水位变幅为2.30m。一体化简易电子水尺自动观测数据最高水位为3.59m，最低水位为1.29m，水位变幅为2.30m。5月份最高水位为3.55m，最低水位为1.85m，水位变幅为1.70m。一体化简易电子水尺自动观测数据最高水位为3.55m，最低水位为1.86m，水位变幅为1.69m。

4.1.3 自动观测和人工观测数据计算分析及评定

对比测数据进行系统误差和综合不确定度计算，袁惠渠总干渠洋津泄洪闸渠段断面水位比测结果见表1。

表1 袁惠渠总干渠洋津泄洪闸渠段比测结果误差计算表

从人工与电子水尺自记比测结果可以看出，一体化简易电子水尺的观测数值和人工观测数值均符合水位观测规范要求，比测系统误差最大值0.0015在±1cm范围内，综合不确定度最大值0.0198小于3cm。

4.1.4 自动观测和人工观测数据逐时过程线对比分析

《水位观测标准》（GB/T50138-2010）对自计水位计的比测中第6.2.1条规定：比测可按水位分幅、分阶段分别进行，每阶段比测次数应在30次以上。本次比测分析选用2020年3月14日～10月29日、2021年3月21日～7月31日，早晨8点和晚上20点一体化简易电子水尺自动观测水位数据和人工观测水位数据进行对比。水位逐时过程线对比图见图2～图7，线性相关关系对比见图8。

图2 2020年3月份8时水位过程线对比图

图3 2020年3月份20时水位过程线对比图

图4 2020年4月份8时水位过程线对比图

图5 2020年4月份20时水位过程线对比图

图6 2021年7月份8时水位过程线对比图

图7 2021年7月份20时水位过程线对比图

从图8分析，自动观测与人工测定的水位相关关系为：Y人工=0.9953X自记，相关系数为0.9953，其相关线基本呈45°直线，表明一体化简易电子水尺自记测定的水位数值与人工测定的水位数值线性关系良好。

图8 自动观测和人工观测水位线性相关系图

袁惠渠总干渠洋津泄洪闸渠段测验断面水位观测数据分析结果表明，一体化简易电子水尺的观测数值和人工观测数据逐时过程线趋势基本一致。观测过程中产生的数据误差符合在规范认可的误差范围。观测数值均符合《水位观测标准》（GB/T50138-2010）自计水位计的比测中第6.2.1条规定。相对误差、准确度符合置信水平95%的误差要求[12]。

5 结论

基于磁滞伸缩式的简易电子水尺经过灌区推广应用实践表明，该设备采用一体化紧结构设计，安装方便、性能稳定、功耗较低，南方灌区阴雨天气多的情况下，能正常工作，无缺电现象发生。运行数据无丢失，运行维护量少。经过一年的比测运行数据对比表明：该仪器设备在性能和精度上满足灌区明渠水位测量的要求，观测精度按现有规范完全满足精度要求，可代替人工观测水位数据，适宜在南方灌区推广使用。