低成本磁感应浮子水位计研发

谢崇宝，高 虹，白 静，黄 斌，汤 博

(1.中国灌溉排水发展中心，北京 100054；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048)

0 前 言

根据水位计工作原理的不同，可以将水位计分为：压力式水位计、浮子式水位计、超声波水位计和激光水位计。压力式水位计根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏组件作传感器来测量水位。超声波式水位计利用超声波反射的原理来测量水位，传感器向水面发射超声波，超声波遇到水面立即发生反射，采用传播的时间、安装高度间接计算水位。浮子式水位计利用浮子跟踪水位升降，以机械方式直接传动记录水位，浮子式水位计需有测井设施。激光水位计与超声波水位测量水位的原理相似，采用激光反射的原理来测量水位。由于在农田水位的灌溉渠道一般为规则断面，在恒定均匀流动假设的前提下，在水位-流量关系曲线上，水位与流量存在一一对应关系，根据水位可以推求出断面的过水流量，因此在利用仪器测量灌区渠道的流量方面，采用水位计比较简单实用。

在我国，浮子水位计的研发和使用可以追溯到20世纪70年代[1]。2006年，祝玲等人研制了适用于自动测量引黄灌区斗口流量的智能浮子式水位计[2]，其利用倒置的量筒中浮子传感器移动测量水位的变化情况，不需要安装在专门的测井内，但在渠道水流中泥沙含量过大的情况下，容易在量筒中淤积，从而水位计无法正常工作。谢崇宝和黄斌改进了机械式浮子水位计，引入了电子存储设备，可以实时记录并存储水位的变化过程[3]。2012年，侯煜等人对传统的机械式浮子水位计进行了改进，研制了新型浮子水位计，采用上下轮的封闭式结构，改进了浮筒与重锤，减少了测绳与转轮打滑的可能性[4]。

1 工作原理

机械式浮子水位计工作原理如图1所示，根据浮筒和重锤的受力有：

Gft-Fft=Gzc-Fzc

(1)

式中：Gft为浮筒受到的重力；Fft为浮筒受到的浮力；Gzc为重锤受到的重力；Fzc为重锤受到的浮力。

图1 机械式浮子水位计工作原理示意图

重锤受到的浮力为：

Fft=Gft-Gzc+Fzc

(2)

对于确定的机械浮子水位计来说，Fft为一固定值，由于浮筒受到的浮力一定，也就是说浮筒总是保持同样的浸没深度。水位上升Δ时，浮筒跟踪水面变化，浮筒也上浮Δ的距离，重锤会牵引悬索下降同样的距离。当水位下降时，原理类似。悬索移动带动转轮产生转动，与转轮同轴的编码器也随之转动，并输出编码值到数据采集装置，采集装置根据编码值计算得到实际水位值。传统的浮子水位计的缺点有：①当重锤露出水面时，会产生一定的误差；②当水位变化剧烈时，可能造成悬索打滑；③需要安装在测井中。

在本文中研发了一种新型磁感应浮子水位计(图2)。磁感应浮子水位计测杆内等距布设磁敏开关，磁浮球悬浮在水面上，在水位变化时，磁浮球跟随水面沿着测杆上下移动。

图2 磁感应浮子水位计示意图

磁浮球受到的浮力为：

Ffq=Gfq

(3)

式中：Gfq为磁浮球受到的重力；Ffq为磁浮球受到的浮力。

对于确定的磁感应浮子水位计来说，由于磁浮球受到的浮力一定，磁浮球总是保持同样的浸没深度。如图3所示，磁浮球内部的磁敏开关6会闭合，数据采集装置根据电流信号，判断磁敏开关6的位置计算得到水位。为了防止水位短时间内的剧烈波动带来的误差，数据采集装置在短时间内采集30次数据，只存储其平均值作为本次的观测值。磁感应浮子水位计的量程取决于测杆的长度，其精度取决于磁敏开关的间距。

图3 局部放大图

2 关键构件及特点

磁感应浮子水位计如图4所示，组成部分有：

图4 磁感应浮子水位计的整体效果

(1)磁浮球：磁浮球悬浮在水面上，当水位变化时，磁浮球沿着测杆上下移动，追踪水面的变化。

(2)测杆：内置磁敏开关，磁敏开关在磁浮球磁场的作用下，会由断开状态转换为闭合状态，接通电路，产生电流信号。

(3)数据采集、存储模块：位于磁感应水位计顶部的密封盒中，其功能为按照设定的时间间隔，采集电流信号，将电流信号转换为数据信号，并存储起来。

(4)通信模块：位于独立的密封盒中，支持GPRS/CDMA通讯方式，由外部供电，在实时通讯状态下，通过GPRS/CDMA模块将水位测量数据发送到计算机上。

磁感应浮子水位计的数据采集、转化和存储模块设计为一体，可以提高效率，降低功耗。在非实时通讯的状态下，2节5号电池可工作一年。电路板、磁敏开关、采集存储模块、电池都密封在水位计的测杆或顶部密封盒内，不接触水体。可以在采用手持数据通讯终端，对磁浮子水位计进行参数设置，读取水位资料。磁感应浮子水位计采用电磁感应的方式获取水位信息，不再采用机械传动的方式，解决了悬索可能变形及打滑脱落问题。整个水位计的密封性较好，仅在更换电池时需打开密封盖，因此不受其可以克服压力式水位计的缺点，不受水体中的泥沙影响。同时磁感应浮子水位计受温度等环境因素影响不大，不需要进行温度修正。

3 使用效果及评价

在我国的大部分灌区水位计的量程较小，主要集中在0.5和1 m，采用磁敏开关作为水位感应器件的优点为在水位计量程较小时成本低廉，有利于在灌区管道中大量推广。磁感应浮子水位计的精度取决于磁敏开关的密度，试制了精度1和0.5 cm，量程为0.5和1 m的磁感应浮子水位计。将试制的水位计安装在山东省滨州市簸箕李灌区的渠道上，使用情况良好。

[1] 姚永熙. 浮子式水位计综述[J]. 水利水文自动化，1992,(2):23-26.

[2] 祝 玲，卢胜利，马国华，等. 智能浮子式水位计[J]. 传感器与微系统，2006,(6):52-54.

[3] 谢崇宝，黄 斌. 低功耗自记式浮子水位计[J].中国农村水利水电，2006,(1):113-114.

[4] 侯 煜，于兴晗，张 军，等. 新型浮子式水位计的研制与应用[J]. 水利信息化，2012,(5):36-39.