水文流量测验设备转子式流速仪数字信号通讯研究

彭 丽，刘鹏翼

（娄底水文水资源勘测中心,湖南 娄底 417000）

引 言

转子式流速仪是我国水文测验不可或缺的重要设备之一。转子式流速仪信号的采集和通讯传输一直是水文部门长期研究的课题。转子式流速仪内部安装有接触丝或干簧管，通过水体推动旋浆(或旋杯)旋转，从而产生通断信号。如果在流速变化不剧烈的情况下，转子式流速仪产生的流速信号为周期性的标准方波信号，但是由于接触丝的机械抖动、干簧管的磁抖动干扰、天然河道水体不同水阻的变化、感应雷击等影响，使得转子式流速信号的采集相当复杂。在采集转子式流速仪内部接触丝或干簧管触点的通断信号时，很多情况下没有充分考虑流经触点的电流要小，最好不大于2 mA的电流。只有尽量降低流过触点电流，才能提高转子式流速仪的使用寿命。有些厂家的转子式流速仪信号采集，为了消除水阻的影响，对转子式流速仪信号输入端往往采用“小电压大电流”的设计方案，以降低流速仪使用寿命的方式确保信号采集的可靠性。

目前水文流速测验采集的转子式流速仪的流速信号，往往是通过水文缆道循环索钢丝绳和水体构成的回路传输，这是目前流速信号利用水文缆道最常用的一种信号传输方式。为了解决利用缆道传输流速信号受干扰问题，信号传输时多采用交流调频信号传输方式。但实际上水文站的缆道横跨从几十米到几百米不等，架设高度从几米到几十米，偌大的跨河钢丝绳在空间变成一个巨大的天线，这根天线不停地接收空间的各种电磁干扰信号，使得正常流速信号和干扰信号夹杂在一起，有时干扰信号的强度比流速仪的频率信号要强，频谱也比流速信号要宽，所以多年来流速信号的通讯传输一直困扰着水文测验人员，实际测流时，往往是水文测验人员根据经验判断有效的流速信号，人为剔除干扰信号，才能基本完成测流任务。

随着水文测验科技的进步，利用转子式流速仪实现自动测流是当下的迫切需求，对此怎样确保流速信号采集和传输的准确性、可靠性及稳定性是我们水文工作者需要重点研究的课题。笔者根据多年在水文一线测验的实践探索和经验总结，提出了一套全新的转子式流速仪采集和传输方案，对解决困扰水文流量测验工作的流速仪信号问题具有一定的现实意义。

1 转子式流速仪信号的采集

1.1 流速信号的采集电路

转子式流速仪是在河道的水体中工作的，天然河道的水体含有不同的杂质，水体的导电性能也是复杂多样。转子式流速仪的信号线接线柱淹没在水中，水体不同的导电率会使转子式流速仪通断信号产生误导通，影响流速信号的采集。为了避免该种现象的发生，笔者设计了流速信号的采集电路。根据转子式流速仪信号避免受水阻变化影响，达到触点过流电流值小的要求，按“小电压小电流”的方案设计转子式流速仪信号的采集。转子式流速仪信号采集电路如图1所示。

图1 转子式流速信号的采集

根据图1所示电路可见，R1表示水阻，和流速仪触点开关及R3并联。流速仪触点开关串联R3接入3.3 V电源。当流速仪触点开关导通，电流经过R2电阻和流速仪触点开关，为了使经过流速仪触点开关的电流小于2 mA，R2的电阻必须大于1.65 kΩ。流速仪触点开关导通后，三极管Q1的基极为低电平，三极管Q1断开，集电极电压提高，流速信号采集端为高电平。

当流速仪触点开关断开后，水阻R1和R3电阻并联构成电阻R13，R13电阻和R2电阻串联，则二极管D1的负极电压提高，二极管D1截止，三极管Q1的基极为高电平，三极管Q1导通，三极管Q1的集电极电压降低，流速信号采集端为低电平。流速信号采集口再接入触发器，以输出标准的方波信号，供后续单片机采集。

1.2 流速信号的数字化处理

传统的转子式流速仪信号采集处理，是通过水下综合信号源设备，采集到流速信号后，根据电路调制成设定频率的交流调频模拟信号再传输。岸上接收设备将接收到的模拟信号经过放大、整理，然后通过音频译码锁相环集成电路将流速信号分离并处理，由此可见影响流速信号采集传输的主体是水文缆道钢丝绳、河道水体、水下综合信号源设备及传输回路上的其他环节。

由于传输回路长且中间环节较多，往往影响流速信号采集的准确性。水文测验人员对传统流速采集设备总结出“低枯水信号一切正常，洪水时信号异常是常态”的突出现象。为解决传统信号传输回路对信号采集的影响，笔者认为将流速信号处理部分从岸上接收设备集成到水下综合信号源设备中，用高性能单片机根据编制好的智能处理软件直接处理流速信号，然后将处理的流速信号编码成数字信号再传输。

将流速信号编制成可传输的数字信号优势如下：

1）数字信号可编码，通过设计的编码通讯协议，可智能完善漏传丢失流速信号，传输差错可控。

2）数字信号抗干扰能力强，基本可排除外部干扰，且噪音不累计。

3）经过编码的数字信号包含的信息量较大，除可传输水面、流速和河底信号外，还可包含信号源内置电池电压，甚至可包含水温、水压、采集时间等数据。

4）经过编码的数字信号传输可靠性高，通过握手通讯机制大大提高数据传输的稳定性。

5）数字信号可现地存储。即使信号通讯受干扰中断，但仍可通过信道恢复补发或固态存储下载获取数据。

6）数字信号配置灵活，根据不同的要求可扩展功能，只需要更改软件，不需要对电路重新设计。

7）数字信号便于单片机识别处理。根据流速测验的人为经验，可编制成单片机软件，以代替人工判别转子式流速仪的抖动信号，确保流速信号采集的准确性。

2 流速信号的数字通讯传输

转子式流速仪的流速信号利用水文缆道钢丝绳传输的传统方式构成的传输回路比较复杂，回路涉及的中间环节较多，故障现象千奇百怪，一旦出现问题也难以排查，往往即使更换水下综合信号源等设备，也无法解决问题，这是广大水文工作者遇到的普遍问题，也是多年未攻克的一个技术难题。笔者认为要彻底解决此问题，需要完全抛开利用水文缆道钢丝绳作为流速信号传输的回路组成部分，采用无线数传回路建立相对独立的传输通道。

2.1 流速信号数字通讯系统的组成

流速信号数字通讯系统由水下综合信号源和岸上接收设备组成。水下综合信号源根据流速采集电路采集到流速信号后传输给单片机，单片机软件经过智能识别、判断、处理、编码成可传输的数字信号，发送给数字电台模块发送。岸上接收设备可以是计算机、缆道控制台、手持机等形式，岸上设备通过数字电台接收到信号后，根据编码协议对数据进行解析处理，再以各种方式体现出流速信号。

2.2 数字通讯频率的选择

进入20世纪90年代后，数字通讯开始进入快速发展阶段，尤其是超高速大容量、日益成熟的高效编码等技术的进步，标志着新的数字化智能通讯将进一步发展。

数字通讯的频率非常多，从GPRS、CDMA这样的公网数字通讯，到对讲机点对点的数字通讯都采用不同的频率。433 MHz频率是我国免申请段发射接收频率，可直接使用，433 MHz频率抗干扰强，支持各种点对点、一点对多点的通讯需要，具有收发一体、安全隔离、使用简单、性价比高、稳定可靠等特点。故选择433MHz频率作为流速信号数字通讯系统的数传频率。

3 关键问题的解决

流速信号数字通讯系统所采用的433 MHz无线电波，在水体中传输时的衰减非常严重，导致无法通讯。所以如果流速测点较深导致水下综合信号源天线完全入水不能实时传输流速信号，有些厂家提出采用浮标天线或伸缩天线的方式解决天线入水不能发射信号的问题，笔者认为不管是浮标天线或伸缩天线，在低枯水时可确保正常使用，但是一旦发洪水，水面上将产生巨量的各类漂浮物，会对天线产生破坏，从而影响系统使用稳定性。

根据本文阐述的设计方案，流速信号数字通讯系统充分利用智能特点，提出如下全新的解决方案：

1）系统根据天线长度和流速测点入水深度，预判电台天线完全入水。

2）系统根据根据转子式流速仪从水面下降到流速测点的距离，计算下降时间。

3）当流速仪在水面时，系统给水下综合信号源发送“流速延时自动采集出水补发”指令，该指令包含到达设定的延时时间后，单片机自动开始采集流速信号并存储。

4）系统判断水下综合信号源已经完成流速信号的自动采集后，将转子式流速仪提出水面，此时天线已经露出水面。水下综合信号源采集到出水信号后，将固态存储的流速数据发送给岸上接收设备，数据包含测速时间、历时、信号数等信息。

4 结 语

转子式流速仪数字信号通讯是通过无线数字传输回路进行流速信号的采集和传输，使流速信号的采集、处理、传输具有智能化和维护简便的特点，且使用不受环境的影响。系统在湖南省娄底市冷水江、双峰水文站进行实际测试反应良好，解决了水文站多年来流速信号受干扰严重的问题，可预见转子式流速仪数字信号通讯系统将是极具发展前景的流速信号采集传输方法。