CN102889914B - 采用基准水位的浮子式水位计及提高精度和可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用基准水位的浮子式水位计及提高精度和可靠性的方法。水位计包括浮子感测传感器、轴角编码器和数据处理通信系统；测井壁按需增设基准水位电导池，借助基准水位校正浮子水位测量值、提高水位计的测量精度和可靠性；水文站范围内构建低功耗ZigBee局域网、组网方便，水文站与上级水文中心的信息交换采用电信运营商TD-SCDMA公网和防汛超短波专网组成的主副双网，保护已有投资的同时确保可靠性；电导池为基于电磁感应原理的电导率传感器、交流供电、结合捡测电导池基准水位的充要条件，减小极化引起的测量误差、延长电导池的使用寿命。

Description

采用基准水位的浮子式水位计及提高精度和可靠性的方法

技术领域 

本发明属浮子式水位计的技术范畴，特别涉及一种采用基准水位的浮子式水位计及提高精度和可靠性的方法。

背景技术

水利是农业的命脉、工业和生活的基础设施，水利设施的安全高效运行有赖于水文部门的支持；水文数据的实时精确采集与报送是防汛抗旱科学指挥、水资源优化配置的重要依据，其中水位数据是掌握水情的最基本要素之一。传统的水位测报工具是人工水位尺，现代化的水位测量则借助水位自动采集报送系统。水位采集报送系统大多位于偏远的河川、水库，无人值守長年运行，因此系统的可靠性是必要的；鉴于水位采集报送系统的江河警戒水位（水库相应的是防洪高水位）拥有特殊的重要意义，此时系统的可靠性应具备更高的级别、即使这种高级别可靠性是在水位测量精度有所下降时实现的；另一方面，随着《水文自动测报规范》(SL61-2003)的实施，提高水位的测量精度、以及水位计自身的准确度（0.3级）也是必需的。

我国水情自动测报技术的研发始于20世纪70年代，水位计按传感器分类有：浮子式水位计、压力式水位计、电容式水位计、气泡式水位计、超声波水位计、激光测距水位计等，其中气泡式水位计、超声波水位计和激光测距水位计为非接触式水位计。浮子式水位计历史悠久，具有结构简单、运维简便、性能稳定、质量可靠、经济耐用等一系列优点，在水文站、水库、水电厂获得广泛应用；浮子式水位计诞生至今始终占据着水位计的主导地位。尽管不乏挑战者，即采用新原理的水位传感器：如基于压力、电容、超声波、激光等感知水位的传感器；皆因挑战者的综合技术经济指标（对环境的要求、易用性、测量精度、量程范围、总体拥有成本(TCO)等）较浮子式逊色，尚无法撼动浮子式水位计的主导地位。

浮子式水位计包括浮子感测传感器系统，轴角编码器系统和数据处理通信系统。目前，光电轴角编码器已全面取代早期的电位器，浮子（水位）位移通过轴角编码器以数字编码的方式输出至数据处理通信系统；现有技术条件下，光电轴角编码器的精度、可靠性完全能满足《水文自动测报规范》的要求。浮子式水位计的数据处理通信系统由数据处理单元和通信单元组成；微电子学的进步和巨磁效应的发现使数据处理单元的处理能力、存储容量有了质的飞跃，应对变化相对缓慢、数量相对有限的水文数据绰绰有余；通信单元可借鉴局（广）域无线通信的科研成果，例如水文站范围内构建ZigBee局域无线网络、水文站与上级水文中心采用电信运营商无线公网和防汛超短波专网组成的主副双网（通信信道）交换信息，达到《水文自动测报规范》“通信信道应遵循优先采用电信公网和已建防汛专网”的要求；鉴于水文站通过internet、防汛超短波专网与上级水文中心交换信息的技术属公知知识，本发明仅围绕电信运营商TD-SCDMA公网展开讨论。浮子式水位计的软肋是浮子感测传感器系统，浮子式传感器精度较低、误差偏大且呈累计特征，水位测量精度达标《水文自动测报规范》缺乏有效的误差校正技术；此外，确保特别重要的警戒水位（防洪高水位）等数据不缺失，亦缺少有针对性的高可靠性保障技术。浮子式传感器安装在测井平台上；感应水位变化的浮子通过钢丝绳连接配重，钢丝绳缠绕在计程轮上，而计程轮通过齿轮组与轴角编码器连接作圆周运动；浮子随水位变化呈现涨落的直线运动，经钢丝绳带动计程轮和编码器转动，水位涨落的直线运动映射为轴角编码器的转角编码，转角编码输出至数据处理通信系统；数据处理通信系统根据输入的转角编码，或直接将轴角编码器的编码、或换算得到水位值，上传至水文中心。

浮子式水位计在水文站、水库、水电厂的長期使用过程中，由于测量原理和仪表结构方面的固有局限性，不可避免的瑕疵充分暴露。首先，钢丝绳与计程轮之间的滑动会产生误差，当钢丝绳的升降运动方向变化时、因齿轮组的传动副存在间隙，则会产生更大的回位误差；钢丝绳与计程轮生锈也会导致误差，甚至使传感器失效。其次，钢丝绳存在跳槽与卡绳现象，轻者水位值失真、重者水位计失效，洪水期间警戒水位等关键数据的缺失是无法容忍的、后果是灾难性的。第三，浮子随水位变化作涨落的直线运动时，钢丝绳自重造成浮子吃水深度的微变亦引入误差。必须指出，上述误差呈累计特征：误差一旦产生将持续迭加；水位计无法自校，捡修保养时才可重新标定。浮子式水位计的瑕疵直接影响了测量数据的质量，给水位测报工作埋下了隐患。

针对浮子式水位计测量误差和可靠性方面的缺陷，相关的研究工作沿两个方向展开：或基于新原理开发新型水位传感器；或立足现有浮子式水位计架构，进行改进设计，“9669-LG-OA型浮子式水位传感器”【刘瑜（国网南京自动化研究院/南京南瑞集团公司）高精度浮子式水位传感器设计[J].水电厂自动化,2007.1】就是改进设计中的杰出代表。“9669-LG-OA”为实现浮子式水位传感器的高精度测量，采用常规技术解决：水位计程轮、变比齿轮加工精度问题；高分辨力编码器选择，合理的计程轮、配重与计程轮、齿轮、编码器的力矩匹配；钢丝绳传动的防滑设计；钢丝绳热胀冷缩引起的测量误差。“9669-LG-OA”的创新点是南瑞集团公司独特的“偏差消除”技术--传感器装配完成后，实测计程轮的实际周长、根据测量结果得出每个计程轮与编码器的变比系数，并保存在单片机的EEPROM中，单片机根据此系数修正水位值。“9669-LG-OA”投运初期的测量精度达到相当高的水准，但假以时日测量精度递次下降，因为静态的“偏差消除”技术本质上无法解决呈累计特征的动态误差；同时，“偏差消除”的思路类似机械行业零件精密配合中的“单配”技术，这类技术有一个通病--维修难度增大。

立足浮子式水位计架构进行的改进设计取得了一定的成效。遗撼的是研究工作仅围绕测量精度、而未涉及警戒水位等重要敏感数据不缺失的高可靠性保障技术；浮子式传感器精度较低的缺点源于测量原理和仪表结构方面的诸多固有局限性，迄今针对浮子式传感器单一固有局限性的改进设计有效果、但效果有限，因此不足以从根本上减少浮子式水位计的误差，本发明旨在补上这一课。目前，较有代表性的知识产权成果综述如下：

·发明专利“浮子式水位计”（专利号ZL86107944），提出一种浮子式传动系统的水位传感器，浮子随水位升降时驱动转盘上同轴连接的电位器，水位变化转换成电压信号输出。

·发明专利“水位传感器”（申请号201210081563.9），提出一种浮子式水位传感器，通过螺母与限位凸块相配合实现水位传感器的安装固定。

·发明专利“电容式水位传感器”（专利号ZL201010594556.X），提出一种电容式水位传感器，具有无级连续显示水位的功能。

·发明专利“磁光编码器”（专利号ZL201010594556.X），提出舍弃机械齿轮减速装置产生进位和退位的办法来形成编码、由单片机组成的控制电路取代，提高液位计的精度。

·发明专利“数字检索式水位传感器”（专利号ZL200310109631.9），提出

一种数字检索式水位传感器，由若干个传感元对水位点实现检索式数字信号取样，由微处理器进行数据统计。

上述有益探索，提出了基于新原理的水位计或立足现有浮子式水位计架构的改进设计，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限：新原理水位计传感器的技术成熟度、仪器可靠性、大量程范围、对使用环境的要求和成本方面存在不足；改进型浮子式水位计拘泥于浮子式传感器精度较低的单一因素，提高测量精度的效果有限；因此，有必要立足现有浮子式水位计架构、借鉴现有研究成果的基础上作深入的研究与创新，改进浮子式水位计的测量精度和可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种采用基准水位的浮子式水位计及提高精度和可靠性的方法。

采用基准水位的浮子式水位计由浮子感测传感器系统，轴角编码器系统和数据处理通信系统组成；浮子感测传感器系统包括浮子、钢丝绳、配重、计程轮、水、测井连通管、基准水位电导池、静水井、平衡螺栓；轴角编码器系统包括轴角编码器和齿轮组；数据处理通信系统由数据处理单元和数据通信单元组成，包括主控模块S3C2440数据处理器、ZigBee协调器通信模块CC2430、无线USB模块CYWUUSB6935、USB接口模块、USB接口TD-SCDMA无线模块TDM330，主控模块S3C2440数据处理器分别与ZigBee协调器通信模块CC2430、无线USB模块CYWUUSB6935、USB接口模块相连，USB接口模块与USB接口TD-SCDMA无线模块TDM330相连；静水井下部侧壁设有测井连通管，静水井内壁设有8个基准水位电导池，静水井内设有浮子、钢丝绳、配重、水，静水井顶部设有平衡螺栓，平衡螺栓上设有计程轮；浮子通过钢丝绳连接配重、钢丝绳缠绕在计程轮上，计程轮通过齿轮组与轴角编码器相连；浮子随水位变化的直线运动经钢丝绳驱动计程轮、齿轮组与轴角编码器，浮子的直线运动映射为轴角编码器的转角编码；轴角编码器输出至数据处理通信系统、基准水位电导池提供的基准水位亦输出至数据处理通信系统，数据处理单元借助基准水位电导池的基准水位值、校正轴角编码器的水位数据；数据处理单元根据轴角编码器的水位数字编码、结合捡测基准水位电导池基准水位的充要条件，启动/关闭基准水位电导池基准水位的捡测；一旦浮子式传感器失效，凭借基准水位电导池提供的测量值、维系对重要水位的基本测量功能；数据通信单元在水文站范围内构建ZigBee局域无线网络、水文站与上级水文中心采用电信运营商TD-SCDMA公网和防汛超短波专网组成的主副双网交换信息。

所述的基准水位电导池沿测井壁垂直的直线方向设置：在水位漲落区间内设有防洪高水位、正常蓄水位、台汛期限制水位、死水位以及防洪高水位向上按10cm的间距、再依次设置4个基准水位作为附加标志水位点，并一一对应设置基准水位电导池；电导池基准水位捡测的启动判据1是标志水位点上下5cm、即轴角编码器±400线的范围，当水位测量值落在这一值域时，启动电导池基准水位捡测的必要条件成立；启动电导池基准水位捡测的充分条件是启动电导池基准水位捡测的判据2同时成立；电导池基准水位捡测的判据2的“是/否”状态取决于标志水位变量VMark_wl、水位涨落方向；VMark_wl、水位涨落方向与基准水位电导池基准水位捡测的判据1的协同配合使基准水位电导池必要的基准水位捡测次数最小化。

所述电导池是基于电磁感应采用交流电源测量电导率，电导池包括基于电磁感应的电导率传感器及其外围电路；基于电磁感应的电导率传感器由平行叠放的第一变压器T1，第二变压器T2构成，变压器磁芯采用软磁铁氧高导磁材料，变压器外部喷涂20微米特氟龙分散体涂层封装，电导池外罩保护过滤网、防止大尺寸杂物随水进入电导池；变压器主线圈L1通入250HZ交流电，则在第一变压器T1中产生相应的交变磁通，基准水位电导池内的介质在交变磁通作用下产生感应电流i，形成一个交叉于第一变压器T1，第二变压器T2的电流环；电流环在第二变压器T2中生成交变磁通，并在变压器副线圈L2两端生成感应电势e；由于水的电导率与空气的电导率存在巨大差异、感应电流值又与基准水位电导池内介质的电导率成比例，导致两者的感应电流i截然不同，所以根据电导池内介质即水和空气电导率的不同，通过测量变压器副线圈L2两端的感应电势e加以区分；所述外围电路涉及LM555芯片连接成间接反馈式多谐振荡器，充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经电阻R1、放电电流只流经电阻R2，因此电容C的充放电时间分别为T1=0.69R1C、T2=0.69R2C，C振荡周期T= T1+T2=0.69(R1+R2)C，振荡频率f=l/T，若取R1=R2、占空比为50%，多谐振荡器输出频率f＝250Hz、电压=50mV的交流方波；多谐振荡器的输出经电压跟随器LM258接入基准水位电导池Ga；电压跟随器输入端与二极管D1、二极管D2是两个反向并联，使电压信号值限定在＋0.7V～－0.7V之间；基准水位电导池Ga采用电磁感应的电导率传感器，主线圈通入交变电流，根据电磁感应原理，在副线圈中得到与电导池内介质电导率成正比的感应电动势；随电导率变化的电压信号进入集成运算放大器A2中，放大倍数由反馈电阻Rf决定，满足算式：

式中：Ra为Ga的等效电阻值；

Vi为输入电压；

Vo为输出电压。

所述的数据处理单元的信号采样调理以主控模块S3C2440数据处理器为核心；方波发生器依次与电压跟随器、电导池、运算放大器、主控模块S3C2440数据处理器相连，主控模块S3C2440数据处理器进行基准水位电导池的数据处理；8个电导池分别与主控模块S3C2440数据处理器的8个10位A/D模数转换控制器通道端口即AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、AIN4、AIN5、AIN6、AIN7相连，方波发生器的周期T_S=5s。

所述的轴角编码器的型号为ROQ425，光电轴角编码器分辨率K=8192线/圈、齿轮组的传动变比r=3.2、计程轮工作周长L=319.99mm，L×r=320(mm)×3.2=1024(mm)对应光电轴角编码器的8192线、即轴角编码器每变化8线对应1mm的水位变化；轴角编码器的输出采用12位格雷码，水位量程0～40.95 m。

所述的数据处理通信系统包括主控模块S3C2440数据处理器、TD-SCDMA无线模块TDM330、ZigBee协调器通信模块CC2430和无线USB模块CYWUSB6935；TD-SCDMA无线模块TDM330通过USB接口与主控模块S3C2440数据处理器的USB接口模块相连，USB接口模块的引脚1接+5V电压，引脚1依次与电容C1、地相连，引脚4、5、6接地，引脚2依次与电阻R1、电阻R3、地相连，引脚3依次与电阻R2、电阻R4、地相连，主控模块S3C2440数据处理器的第P12、N11引脚分别与电阻R1和R3的中间点、电阻R2和R4的中间点相连；主控模块S3C2440数据处理器的第K9、P9、U13、L9引脚分别与ZigBee协调器通信模块CC2430的第13、14、15、16引脚相连；主控模块S3C2440数据处理器的第H16、N9、E3、R11、K10、L11、T9引脚分别与无线USB模块CYWUSB6935的第14、21、22、23、24、25、33引脚相接；主控模块S3C2440数据处理器的第AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、AIN4、AIN5、AIN6、AIN7引脚，分别与8个基准水位电导池采样调理电路的输出相连；主控模块S3C2440数据处理器分别通过串口SPI0和SPI1与CC2430、CYWUSB6935接收/发送数据，其引脚U13、E3作为GPIO端口，当引脚U13置低时，CC2430芯片SPI从机信号有效，ZigBee模块激活；当引脚E3置低时，CYWUSB6935芯片SPI从机信号有效，无线USB模块激活；主控模块S3C2440数据处理器的引脚RXD与光电轴角编码器ROQ425SSI的引脚TXD相连、进行通信；ZigBee协调器查询接收水文站范围内ZigBee局域无线网络ZigBee节点上传的除水位外的水文参数、同时兼作ZigBee/TD-SCDMA网关，转发远程上级水文中心的指令；ZigBee协调器汇总水文站的水文参数，通过TD-SCDMA无线模块TDM330接入TD-SCDMA公网，实时远传水文站的重要水文参数，远程上级水文中心通过Internet与运营商的GGSN网关相连，在线接收水文站上传的重要水文参数；一般水文参数巡检员手持无线USB采集器通过无线USB模块CYWUSB6935、定时进行现场采集，采用离线方式汇总至远程上级水文中心；若TD-SCDMA信道发生故障，水文站的水文参数可通过防汛超短波专网上传信息；水文站经Internet、防汛超短波专网上传水文参数属公知知识。

采用基准水位浮子式水位计提高测量精度和可靠性的方法是通过基准水位提高浮子式水位计测量精度和可靠性的祘法有两个要点：第一，确保电导池基准水位值对轴角编码器水位数据的校正，减少浮子式水位计的测量误差；第二，在确保水位计测量精度的基础上，电导池极化效应的极小化；针对祘法的第一要点，设立启动电导池基准水位捡测的必要条件--启动判据1，即水位进入标志水位点±400线时、启动电导池基准水位捡测的必要条件成立；针对祘法的第二要点，采取4项应对措施：摒弃常规的电极类电导率传感器，使用基于电磁感应原理的电导率传感器；电导池交流供电；修改启动基准水位捡测的判据1：水位进入标志水位点±400线”时，限定基准水位对水位计水位的校正只发生在水位涨上升方向、水位落下降方向时则屏蔽基准水位的校正功能；第四项应对措施是引入标志水位变量VMark_wl，VMark_wl初始值为0；当水位计的水位超出各标志水位点±400线时，VMark_wl置0；水位涨至死水位、台汛期限制水位、正常蓄水位、防洪高水位、以及指定的重要标志水位点时，启动基准水位捡测、校正水位数据；同时VMark_wl分别置1、2、3、4、。。。，VMark_wl的值称为标志水位点的特征值，代表该标志水位点的水位计测量值已由基准水位校正；当且仅当VMark_wl=0，且水位上升、又进入标志水位点±400线时，启动电导池基准水位捡测的充分必要条件就绪；S3C2440读取该标志水位点对应的基准水位电导池的感应电势，若电导率高、则表示水位涨至标志水位点，基准水位值校正浮子式水位计的水位，VMark_wl置该标志水位点的特征值，返回；S3C2440读取该标志水位点对应的基准水位电导池的感应电势，若电导率低、则表示水位未涨至标志水位点，返回；引入标志水位变量VMark_wl，能排除水位在标志水位点上下波动时不必要的基准水位捡测，通过基准水位提高浮子式水位计测量精度和可靠性的具体步骤如下：

1）、启动，VMark_wl=0；计祘各标志水位点对应的轴角编码器的变化线数值，给定标志水位点的捡测范围=±400线、计祘各电导池校正水位计误差的捡测范围。

2）、读轴角编码器的线数：

2-1）、水位计水位处在基准水位电导池校正水位计误差的捡测范围外，VMark_wl=0，返回；

2-2）、水位计的水位处在基准水位电导池校正水位计误差的捡测范围内、且水位落，返回；

2-3）、水位计的水位处在基准水位电导池校正水位计误差的捡测范围内、且水位漲；若VMark_wl=该标志水位点的特征值，返回；

2-4）、水位计的水位处在基准水位电导池校正水位计误差的捡测范围内、且水位漲；若VMark_wl=0，启动电导池基准水位的捡测；

2-4-1）、若电导池的感应电势高，用基准水位校正水位计的水位测量值；VMark_wl置“该标志水位点的特征值”，返回；

2-4-2）、若电导池的感应电势低，返回；

3）、浮子式传感器失效，凭借电导池提供的基准水位，维系基本的水位测量；

水文站与上级水文中心的信息交换遵循F8标准格式：遥测站号 上级中继站号 月日时分 特征码 数据高位 数据低位 BCH；基准水位校正水位计测量值的信息遵循F8标准格式打包，以附件形式上传，保持与整个水文系统的兼容性。

本发明通过电导池基准水位值对水位计水位数据的校正，减少了浮子式水位计的测量误差；当浮子式传感器失效时，凭借基准水位电导池提供的测量值、仍能维系对重要水位的基本测量功能，提升了浮子式水位计的可用性和可靠性；电导池为基于电磁感应原理的电导率传感器，抗污染、耐腐蚀及使用寿命均优于常规电极类的电导率传感器，电导池采用交流供电，减小了极化现象引起的误差、延長了电导池的使用寿命；根据轴角编码器的水位数字编码、捡测电导池基准水位的充要条件，启动/关闭电导池基准水位的捡测流程，进一步减小了极化现象和浮子式水位计的功耗；水文站范围内构建低功耗ZigBee局域无线网络、组网方便，水文站与上级水文中心交换信息的广域无线网络--采用电信运营商TD-SCDMA公网和防汛超短波专网组成的主副双网，保护已有投资的同时确保了可靠性；水文站上传的信息遵循F8标准格式、并附加基准水位对轴角编码器水位的校正信息，对提高运维质量和浮子式水位计的改进积累了宝贵的资料。

附图说明

图1是采用基准水位的浮子式水位计结构图；

图2是测井壁按需设置的基准水位电导池分布图；

图3是基于电磁感应的电导率传感器（电导池）原理图；

图4是交流电发生装置和电导率测量电路图；

图5是电导池数据处理单元的信号采样调理电路框图；

图6是数据处理通信系统的结构图；

图7是采用基准水位的浮子式水位计的测量流程图。

具体实施方式

如图1所示，采用基准水位的浮子式水位计由浮子感测传感器系统，轴角编码器系统和数据处理通信系统组成。浮子感测传感器系统包括浮子11、钢丝绳12、配重13、计程轮14、水15、测井连通管16、基准水位电导池17、静水井18、平衡螺栓19；轴角编码器系统包括轴角编码器21和齿轮组（齿轮组在轴角编码器的背面，图中未显示）；数据处理通信系统由数据处理单元31和数据通信单元32组成。测井连通管与河川（水库）的底部相连，测井内的静止水位消除了水流对水位测量的干扰；静水井18下部侧壁设有测井连通管16，静水井18内壁设有8个基准水位电导池17，静水井18内设有浮子11、钢丝绳12、配重13、水15，静水井18顶部设有平衡螺栓19，平衡螺栓19上设有计程轮14；浮子11通过钢丝绳12连接配重13、钢丝绳缠绕在计程轮14上，计程轮14通过齿轮组与轴角编码器21相连；感应水位变化的浮子11随水位变化、浮子11的直线运动经钢丝绳12驱动计程轮14、齿轮组与轴角编码器21，水位涨落的浮子11直线运动映射为轴角编码器21的转角编码；轴角编码器21输出至数据处理通信系统、基准水位电导池17提供的基准水位亦输出至数据处理通信系统，数据处理单元31借助基准水位电导池17的基准水位值、校正轴角编码器21的水位数据；数据处理单元31根据轴角编码器21的水位数字编码、结合捡测基准水位电导池17基准水位的充要条件，启动/关闭基准水位电导池基准水位的捡测；一旦浮子式传感器失效，凭借基准水位电导池17提供的测量值、维系对重要水位的基本测量功能；数据通信单元32在水文站范围内构建ZigBee局域无线网络、水文站与上级水文中心采用电信运营商TD-SCDMA公网和防汛超短波专网组成的主副双网（通信信道）交换信息。

如图2所示，基准水位电导池沿测井壁垂直的直线方向按需设置；本发明的光电轴角编码器分辨率K=8192线/圈、齿轮组的传动变比r=3.2、计程轮工作周长L=319.99mm，L×r=320(mm)×3.2=1024(mm)对应光电轴角编码器的8192线、即轴角编码器每变化8线对应1mm的水位变化；轴角编码器的输出采用12位格雷码(SSI)，水位量程0～40.95 m。现以浙江省XX水库水文站的水位监测为例：水库的死水位120m（为了机组安全稳定运行，低于该水位就应停止发电）、台汛期限制水位156.5m（台汛期为7～10月，超出此水位就必须开闸泄洪）、正常蓄水位159m（非台汛期，超出此水位就必须开闸泄洪）、防洪高水位160.5m（超出此水位，开闸泄洪必须考虑下游城市的安全问题），上述4个水库标志水位点各设置一个基准水位电导池；防洪高水位向上按10cm的间距、再依次设置4个基准水位电导池作为附加标志水位点（图2中未标注），合计设置8个基准水位（标志水位点），即基准水位电导池与标志水位点一一对应；例如死水位（120m）的基准水位对应轴角编码器的120×1000×8=960000（线），其余标志水位点的基准水位轴角编码器值照此类推。《水文自动测报规范》要求水位测量误差不超过±3cm，各地多年的水文测报实践表明：浮子式水位计测量误差不超过±5cm是有保证的，相当于轴角编码器的±5×10×8=±400（线）；考虑到本发明毎个标志水位点的电导池均提供基准水位值、以及基准水位对轴角编码器水位数据的修正，故水位计测量时、可完全排除出现超过±400线误差的可能性。因此，选择标志水位点上下5cm、即轴角编码器±400线作为启动电导池捡测基准水位的范围--启动/关闭电导池基准水位捡测的启动判据1；显然，判据1留有充裕的余量。仍以死水位为例，当且仅当轴角编码器处在960000±400（959600--960400）线时，启动电导池基准水位捡测的必要条件才成立；启动电导池基准水位捡测的充分条件是启动电导池基准水位捡测的判据2同时成立，判据2的“Y/N”状态取决于标志水位（water level mark）变量VMark_wl、水位涨落方向；VMark_wl、水位涨落方向与“判据1”的协同配合使电导池必要的基准水位捡测最小化、即达到电导池极化现象的极小化，详细步骤参见图7说明。

如图3所示，基于电磁感应的电导率传感器（电导池）由平行叠放的T1，T2变压器构成，变压器磁芯采用软磁铁氧高导磁材料，其外部喷涂20微米特氟龙（聚四氟乙烯）分散体涂层封装，电导池外罩保护过滤网、防止大尺寸杂物随水进入电导池；主线圈L1通入250HZ交流电，则在T1中产生相应的交变磁通，电导池内的介质在交变磁通作用下产生感应电流i，形成一个交叉于T1、T2的电流环；此电流环在T2中生成交变磁通，并在副线圈L2两端生成感应电势e。由于水的电导率与空气的电导率存在巨大差异、感应电流值又与电导池内介质的电导率成比例，导致两者的感应电流i截然不同，所以根据电导池内介质（水和空气）电导率的不同、可通过测量副线圈L2两端的感应电势e加以区分。

如图4所示，LM555芯片连接成间接反馈式多谐振荡器，克服了常规的直接反馈式多谐振荡器因输出端向电容充电，输出受负载影响、造成振荡频率不稳定的不足；间接反馈式多谐振荡器电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1、放电电流只流经R2，因此电容C的充放电时间分别为T1=0.69R1C、T2=0.69R2C，C振荡周期T= T1+ T2=0.69(R1+R2)C，振荡频率f=l/T；若取R1=R2，占空比为50%，本发明的多谐振荡器输出频率f＝250Hz、电压=50mV的交流方波，多谐振荡器的输出经电压跟随器（LM258）接入电导池Ga；电压跟随器（LM258）降低了电导池的输入阻抗，提高了信号稳定性。电压跟随器输入端D1、D2是两个反向并联的二极管，其作用是将电压信号值限定在＋0.7V～－0.7V之间；Ga为电导池，采用电磁感应的电导率传感器，主线圈通入交变电流，根据电磁感应原理，在副线圈中得到与电导池内介质电导率成正比的感应电动势。随电导率变化的电压信号进入集成运算放大器A2中，放大倍数由反馈电阻Rf决定，满足算式：

式中：Ra为Ga的等效电阻值；

Vi为输入电压；

Vo为输出电压。

如图5所示，基准水位电导池数据处理单元的信号采样调理以主控模块S3C2440数据处理器为核心；方波发生器依次与电压跟随器、电导池、信号放大器（运算放大器）、单片机相连。各部分电路详述如下：LM555芯片连接成多谐振荡器，产生频率f＝250Hz的交流方波；交流方波输入电压跟随器（LM258）、LM258的输出端与电导池相连，LM258降低电导池的输入阻抗，提高信号稳定性；电导池测量副线圈L2两端的感应电势e经信号放大器调理，再由电容滤波电路消除多次谐波，最后接入S3C2440进行基准水位电导池的数据处理；8个基准水位的电导池分别与S3C2440的8个10位A/D模数转换控制器通道端口（AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、AIN4、AIN5、AIN6、AIN7）相连。鉴于水位涨落变化相对缓慢，故采样周期T_S=5s。

如图6所示，数据处理通信系统包括主控模块S3C2440数据处理器、TD-SCDMA无线模块TDM330、ZigBee协调器通信模块CC2430和无线USB模块CYWUSB6935；TD-SCDMA无线模块TDM330通过USB接口与主控模块S3C2440数据处理器的USB接口模块相连，USB接口模块的引脚1接+5V电压，引脚1依次与电容C1、地相连，引脚4、5、6接地，引脚2依次与电阻R1、电阻R3、地相连，引脚3依次与电阻R2、电阻R4、地相连，主控模块S3C2440数据处理器的第P12、N11引脚分别与电阻R1和R3的中间点、电阻R2和R4的中间点相连；主控模块S3C2440数据处理器的第K9、P9、U13、L9引脚分别与ZigBee协调器通信模块CC2430的第13、14、15、16引脚相连；主控模块S3C2440数据处理器的第H16、N9、E3、R11、K10、L11、T9引脚分别与无线USB模块CYWUSB6935的第14、21、22、23、24、25、33引脚相接；主控模块S3C2440数据处理器的第AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、AIN4、AIN5、AIN6、AIN7引脚，分别与8个基准水位电导池采样调理电路的输出相连；主控模块S3C2440数据处理器分别通过串口SPI0和SPI1与CC2430、CYWUSB6935接收/发送数据，其引脚U13、E3作为GPIO端口，当引脚U13置低时，CC2430芯片SPI从机信号有效，ZigBee模块激活；当引脚E3置低时，CYWUSB6935芯片SPI从机信号有效，无线USB模块激活。主控模块S3C2440数据处理器的引脚RXD与光电轴角编码器ROQ425SSI的引脚TXD相连、进行通信。ZigBee协调器查询接收水文站范围内ZigBee局域无线网络ZigBee节点上传的除水位外的水文参数、同时兼作ZigBee/TD-SCDMA网关，转发远程上级水文中心的指令；ZigBee协调器汇总水文站的水文参数，通过TD-SCDMA无线模块TDM330接入TD-SCDMA公网，实时远传水文站的重要水文参数，远程上级水文中心通过Internet与运营商的GGSN网关相连，在线接收水文站上传的重要水文参数；一般水文参数巡检员手持无线USB采集器通过无线USB模块CYWUSB6935、定时进行现场采集，采用离线方式汇总至远程上级水文中心。若TD-SCDMA信道发生故障，水文站的水文参数可通过防汛超短波专网上传信息；水文站经Internet、防汛超短波专网上传水文参数属公知知识，本文不再赘述。

如图7所示，通过基准水位提高浮子式水位计测量精度和可靠性的祘法有两个要点：第一，确保电导池基准水位值对轴角编码器水位数据的校正，减少浮子式水位计的测量误差；第二，在确保水位计测量精度的基础上，电导池极化效应的极小化。针对祘法的第一要点，设立启动电导池基准水位捡测的必要条件--启动判据1，即水位进入标志水位点±400线时、启动电导池基准水位捡测的必要条件成立；有关判据1依据的论述详见图2中的表述。针对祘法的第二要点，采取4项应对措施：摒弃常规的电极类电导率传感器，使用基于电磁感应原理的电导率传感器；电导率传感器（电导池）交流供电。修改启动基准水位捡测的判据1：水位进入标志水位点±400线”时，限定基准水位对水位计水位的校正只发生在水位涨（上升）方向、水位落（下降）时则屏蔽基准水位的校正功能；“单向校正”技术既保证了水位测量精度，又降低了电导池极化效应50%。第四项应对措施是引入标志水位变量VMark_wl，VMark_wl初始值为0；当水位计的水位超出各标志水位点±400线时，VMark_wl置0；水库水位涨到死水位、台汛期限制水位、正常蓄水位、防洪高水位、以及指定附加的4个重要标志水位点时，启动基准水位捡测、校正水位数据；同时VMark_wl分别置1、2、3、4、5、6、7、8，VMark_wl的值称为标志水位点的特征值，代表该标志水位点的水位计测量值已由基准水位校正。当且仅当VMark_wl=0,且水位上升、又进入标志水位点±400线时，启动电导池基准水位捡测的充分必要条件就绪；主控模块S3C2440数据处理器读取该标志水位点对应的基准水位电导池的感应电势（电导率），若电导率高、则表示水位涨至标志水位点，基准水位值校正浮子式水位计的水位，VMark_wl置该标志水位点的特征值，返回；主控模块S3C2440数据处理器读取该标志水位点对应的基准水位电导池的感应电势（电导率），若电导率低（基本为0）、则表示水位未涨至标志水位点，返回。以死水位点为例，当VMark_wl=1、轴角编码器处在960000±400（959600--960400）线时，关闭电导池基准水位的捡测。当VMark_wl=0、水位落（下降），轴角编码器处在960000±400（959600--960400）线时，返回。当VMark_wl=0、水位涨（上升）、轴角编码器又处在960000±400（959600--960400）线时，启动电导池基准水位的捡测；主控模块S3C2440数据处理器读取死水位点对应的基准水位电导池的感应电势（电导率），若电导率高、则表示水位涨至死水位点，基准水位值（960000线）校正浮子式水位计的水位，VMark_wl=1（死水位点特征值），返回；主控模块S3C2440数据处理器读取死水位点对应的基准水位电导池的感应电势（电导率），若电导率低（基本为0）、则表示水位未至死水位点，返回。引入标志水位变量VMark_wl，能排除水位在标志水位点上下波动时不必要的基准水位捡测，这是保证测量精度、减小电导池极化效应的又一关键技术。

通过基准水位提高浮子式水位计测量精度和可靠性的具体步骤如下：

1、启动，VMark_wl=0；计祘各标志水位点对应的轴角编码器的变化线数值，给定标志水位点（基准水位）的捡测范围=±400线、计祘各基准水位电导池（标志水位点）校正水位计误差的捡测范围。

2、读轴角编码器的线数：

2-1）、水位计水位处在基准水位电导池校正水位计误差的捡测范围外，VMark_wl=0，返回。

2-2）、水位计的水位处在基准水位电导池校正水位计误差的捡测范围内、且水位落，返回。

2-3）、水位计的水位处在基准水位电导池校正水位计误差的捡测范围内、且水位漲；若VMark_wl=该标志水位点的特征值，返回。

2-4）、水位计的水位处在基准水位电导池校正水位计误差的捡测范围内、且水位漲；若VMark_wl=0，启动电导池基准水位（标志水位）的捡测：

2-4-1）、若电导池的感应电势（电导率）高，用基准水位校正水位计的水位测量值；VMark_wl置“该标志水位点的特征值”，返回。

2-4-2）、若电导池的感应电势（电导率）低，返回。

3、浮子式传感器失效，凭借电导池提供的基准水位，维系基本的水位测量：主控模块S3C2440数据处理器自上而下、逐一扫描各标志水位点的基准水位电导池；当读取首个高电导率电导池时，扫描中止；该标志水位点电导池对应的基准水位作为降级测量值与故障信息打包上传；防洪高水位时、面对浮子水位计失效的突发灾难，电导池基准水位是提供水位信息的最后应急手段。

水文站与上级水文中心的信息交换遵循F8标准格式：遥测站号 上级中继站号 月日时分 特征码 数据高位 数据低位 BCH；基准水位校正水位计测量值的信息遵循F8标准格式打包，以附件形式上传，保持与整个水文系统的兼容性。

Claims (7)

1.一种采用基准水位的浮子式水位计，其特征在于浮子式水位计由浮子感测传感器系统，轴角编码器系统和数据处理通信系统组成；浮子感测传感器系统包括浮子（11）、钢丝绳（12）、配重（13）、计程轮（14）、水（15）、测井连通管（16）、基准水位电导池（17）、静水井（18）、平衡螺栓（19）；轴角编码器系统包括轴角编码器（21）和齿轮组；数据处理通信系统由数据处理单元（31）和数据通信单元（32）组成，包括主控模块S3C2440数据处理器、ZigBee协调器通信模块CC2430、无线USB模块CYWUUSB6935、USB接口模块、USB接口TD-SCDMA无线模块TDM330，主控模块S3C2440数据处理器分别与ZigBee协调器通信模块CC2430、无线USB模块CYWUUSB6935、USB接口模块相连，USB接口模块与USB接口TD-SCDMA无线模块TDM330相连；静水井（18）下部侧壁设有测井连通管（16），静水井（18）内壁设有8个基准水位电导池（17），静水井（18）内设有浮子（11）、钢丝绳（12）、配重（13）、水（15），静水井（18）顶部设有平衡螺栓（19），平衡螺栓（19）上设有计程轮（14）；浮子（11）通过钢丝绳（12）连接配重（13）、钢丝绳缠绕在计程轮（14）上，计程轮（14）通过齿轮组与轴角编码器（21）相连；浮子（11）随水位变化的直线运动经钢丝绳（12）驱动计程轮（14）、齿轮组与轴角编码器（21），浮子（11）的直线运动映射为轴角编码器（21）的转角编码；轴角编码器（21）输出至数据处理通信系统、基准水位电导池（17）提供的基准水位亦输出至数据处理通信系统，数据处理单元（31）借助基准水位电导池（17）的基准水位值、校正轴角编码器（21）的水位数据；数据处理单元（31）根据轴角编码器（21）的水位数字编码、结合检测基准水位电导池（17）基准水位的充要条件，启动/关闭基准水位电导池基准水位的检测；一旦浮子式传感器失效，凭借基准水位电导池（17）提供的测量值、维系对重要水位的基本测量功能；数据通信单元（32）在水文站范围内构建ZigBee局域无线网络、水文站与上级水文中心采用电信运营商TD-SCDMA公网和防汛超短波专网组成的主副双网交换信息。

2.根据权利要求1所述的一种采用基准水位的浮子式水位计，其特征在于所述的基准水位电导池沿测井壁垂直的直线方向设置：在水位漲落区间内设有防洪高水位、正常蓄水位、台汛期限制水位、死水位以及防洪高水位向上按10cm的间距、再依次设置4个基准水位作为附加标志水位点，并一一对应设置基准水位电导池；电导池基准水位检测的启动判据1是标志水位点上下5cm、即轴角编码器±400线的范围，当水位测量值落在这一值域时，启动电导池基准水位检测的必要条件成立；启动电导池基准水位检测的充分条件是启动电导池基准水位检测的判据2同时成立；电导池基准水位检测的判据2的“是/否”状态取决于标志水位变量VMark_wl、水位涨落方向；VMark_wl、水位涨落方向与基准水位电导池基准水位检测的判据1的协同配合使基准水位电导池必要的基准水位检测次数最小化。

3.根据权利要求1所述的一种采用基准水位的浮子式水位计，其特征在于所述电导池是基于电磁感应采用交流电源测量电导率，电导池包括基于电磁感应的电导率传感器及其外围电路；基于电磁感应的电导率传感器由平行叠放的第一变压器T1，第二变压器T2构成，变压器磁芯采用软磁铁氧高导磁材料，变压器外部喷涂20微米特氟龙分散体涂层封装，电导池外罩保护过滤网、防止大尺寸杂物随水进入电导池；变压器主线圈L1通入250HZ交流电，则在第一变压器T1中产生相应的交变磁通，基准水位电导池内的介质在交变磁通作用下产生感应电流i，形成一个交叉于第一变压器T1，第二变压器T2的电流环；电流环在第二变压器T2中生成交变磁通，并在变压器副线圈L2两端生成感应电势e；由于水的电导率与空气的电导率存在巨大差异、感应电流值又与基准水位电导池内介质的电导率成比例，导致两者的感应电流i截然不同，所以根据电导池内介质即水和空气电导率的不同，通过测量变压器副线圈L2两端的感应电势e加以区分；所述外围电路涉及LM555芯片连接成间接反馈式多谐振荡器，充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经电阻R1、放电电流只流经电阻R2，因此电容C的充放电时间分别为T1=0.69R1C、T2=0.69R2C，C振荡周期T= T1+T2=0.69(R1+R2)C，振荡频率f=l/T，若取R1=R2、占空比为50%，多谐振荡器输出频率f＝250Hz、电压=50mV的交流方波；多谐振荡器的输出经电压跟随器LM258接入基准水位电导池Ga；电压跟随器输入端与二极管D1、二极管D2是两个反向并联，使电压信号值限定在＋0.7V～－0.7V之间；基准水位电导池Ga采用电磁感应的电导率传感器，主线圈通入交变电流，根据电磁感应原理，在副线圈中得到与电导池内介质电导率成正比的感应电动势；随电导率变化的电压信号进入集成运算放大器A2中，放大倍数由反馈电阻Rf决定，满足算式：

式中：Ra为Ga的等效电阻值；

Vi为输入电压；

Vo为输出电压。

4.根据权利要求1所述的一种采用基准水位的浮子式水位计，其特征在于所述的数据处理单元（31）的信号采样调理以主控模块S3C2440数据处理器为核心；方波发生器依次与电压跟随器、电导池、运算放大器、主控模块S3C2440数据处理器相连，主控模块S3C2440数据处理器进行基准水位电导池的数据处理；8个电导池分别与主控模块S3C2440数据处理器的8个10位A/D模数转换控制器通道端口即AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、AIN4、AIN5、AIN6、AIN7相连，方波发生器的周期T_S=5s。

5.根据权利要求1所述的一种采用基准水位的浮子式水位计，其特征在于所述

轴角编码器的型号为ROQ425，光电轴角编码器分辨率K=8192线/圈、齿轮组的传动变比r=3.2、计程轮工作周长L=319.99mm，L×r=320(mm)×3.2=1024(mm)对应光电轴角编码器的8192线、即轴角编码器每变化8线对应1mm的水位变化；轴角编码器的输出采用12位格雷码，水位量程0～40.95 m。

6.根据权利要求1所述的一种采用基准水位的浮子式水位计，其特征在于所述的数据处理通信系统包括主控模块S3C2440数据处理器、TD-SCDMA无线模块TDM330、ZigBee协调器通信模块CC2430和无线USB模块CYWUSB6935；TD-SCDMA无线模块TDM330通过USB接口与主控模块S3C2440数据处理器的USB接口模块相连，USB接口模块的引脚1接+5V电压，引脚1依次与电容C1、地相连，引脚4、5、6接地，引脚2依次与电阻R1、电阻R3、地相连，引脚3依次与电阻R2、电阻R4、地相连，主控模块S3C2440数据处理器的第P12、N11引脚分别与电阻R1和R3的中间点、电阻R2和R4的中间点相连；主控模块S3C2440数据处理器的第K9、P9、U13、L9引脚分别与ZigBee协调器通信模块CC2430的第13、14、15、16引脚相连；主控模块S3C2440数据处理器的第H16、N9、E3、R11、K10、L11、T9引脚分别与无线USB模块CYWUSB6935的第14、21、22、23、24、25、33引脚相接；主控模块S3C2440数据处理器的第AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、AIN4、AIN5、AIN6、AIN7引脚，分别与8个基准水位电导池采样调理电路的输出相连；主控模块S3C2440数据处理器分别通过串口SPI0和SPI1与CC2430、CYWUSB6935接收/发送数据，其引脚U13、E3作为GPIO端口，当引脚U13置低时，CC2430芯片SPI从机信号有效，ZigBee模块激活；当引脚E3置低时，CYWUSB6935芯片SPI从机信号有效，无线USB模块激活；主控模块S3C2440数据处理器的引脚RXD与光电轴角编码器ROQ425SSI的引脚TXD相连、进行通信；ZigBee协调器查询接收水文站范围内ZigBee局域无线网络ZigBee节点上传的除水位外的水文参数、同时兼作ZigBee/TD-SCDMA网关，转发远程上级水文中心的指令；ZigBee协调器汇总水文站的水文参数，通过TD-SCDMA无线模块TDM330接入TD-SCDMA公网，实时远传水文站的重要水文参数，远程上级水文中心通过Internet与运营商的GGSN网关相连，在线接收水文站上传的重要水文参数；一般水文参数巡检员手持无线USB采集器通过无线USB模块CYWUSB6935、定时进行现场采集，采用离线方式汇总至远程上级水文中心；若TD-SCDMA信道发生故障，水文站的水文参数可通过防汛超短波专网上传信息；水文站经Internet、防汛超短波专网上传水文参数属公知知识。

7.一种采用基准水位浮子式水位计提高测量精度和可靠性的方法，其特征在于通过基准水位提高浮子式水位计测量精度和可靠性的祘法有两个要点：第一，确保电导池基准水位值对轴角编码器水位数据的校正，减少浮子式水位计的测量误差；第二，在确保水位计测量精度的基础上，电导池极化效应的极小化；针对祘法的第一要点，设立启动电导池基准水位检测的必要条件--启动判据1，即水位进入标志水位点±400线时、启动电导池基准水位检测的必要条件成立；针对祘法的第二要点，采取4项应对措施：摒弃常规的电极类电导率传感器，使用基于电磁感应原理的电导率传感器；电导池交流供电；修改启动基准水位检测的判据1：水位进入标志水位点±400线”时，限定基准水位对水位计水位的校正只发生在水位涨上升方向、水位落下降方向时则屏蔽基准水位的校正功能；第四项应对措施是引入标志水位变量VMark_wl，VMark_wl初始值为0；当水位计的水位超出各标志水位点±400线时，VMark_wl置0；水位涨至死水位、台汛期限制水位、正常蓄水位、防洪高水位、以及防洪高水位向上按10cm的间距、再依次设置的4个基准水位时，启动基准水位检测、校正水位数据；同时VMark_wl分别置1、2、3、4，VMark_wl的值称为标志水位点的特征值，代表该标志水位点的水位计测量值已由基准水位校正；当且仅当VMark_wl=0，且水位上升、又进入标志水位点±400线时，启动电导池基准水位检测的充分必要条件就绪；S3C2440读取该标志水位点对应的基准水位电导池的感应电势，若电导率高、则表示水位涨至标志水位点，基准水位值校正浮子式水位计的水位，VMark_wl置该标志水位点的特征值，返回；S3C2440读取该标志水位点对应的基准水位电导池的感应电势，若电导率低、则表示水位未涨至标志水位点，返回；引入标志水位变量VMark_wl，能排除水位在标志水位点上下波动时不必要的基准水位检测，通过基准水位提高浮子式水位计测量精度和可靠性的具体步骤如下：

1）、启动，VMark_wl=0；计祘各标志水位点对应的轴角编码器的变化线数值，给定标志水位点的检测范围=±400线、计祘各电导池校正水位计误差的检测范围；

2）、读轴角编码器的线数：

2-1）、水位计水位处在基准水位电导池校正水位计误差的检测范围外，VMark_wl=0，返回；

2-2）、水位计的水位处在基准水位电导池校正水位计误差的检测范围内、且水位落，返回；

2-3）、水位计的水位处在基准水位电导池校正水位计误差的检测范围内、且水位漲；若VMark_wl=该标志水位点的特征值，返回；

2-4）、水位计的水位处在基准水位电导池校正水位计误差的检测范围内、且水位漲；若VMark_wl=0，启动电导池基准水位的检测；

2-4-1）、若电导池的感应电势高，用基准水位校正水位计的水位测量值；VMark_wl置“该标志水位点的特征值”，返回；

2-4-2）、若电导池的感应电势低，返回；

3）、浮子式传感器失效，凭借电导池提供的基准水位，维系基本的水位测量；

水文站与上级水文中心的信息交换遵循F8标准格式：遥测站号 上级中继站号 月日时分 特征码 数据高位 数据低位 BCH；基准水位校正水位计测量值的信息遵循F8标准格式打包，以附件形式上传，保持与整个水文系统的兼容性。

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