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數字式傳感器在水情遙測系統中的應用研究
發布時間：2017-09-01
我國是一個洪澇災害比較嚴重的國家，平均不到兩年就發生一次較大的洪災，每年都因洪水造成一定程度的損失，水電廠的生產也因此受到較大的影響。 為了進行防洪預報和防洪調度，需要及時掌握庫區流域的水情信息，為此水電廠在庫區范圍內，定點設置水情觀測站。由于庫區多為偏僻山區，環境條件惡劣，通常 采用無人值守的水情遙測站，若干個遙測站形成水情監測網絡。因此系統對數據的采集以及傳輸過程中出現異常數據的正確處理是保證系統可靠工作的必備要求。
一、水情遙測系統的組成及工作方式
水電廠水情遙測系統主要對庫區段流域面積內的水情信息進行采集和處理，做出準確的洪水預報和防洪調度。系統水情遙測系統由水位傳感器、雨量傳感器、遙測站、無線電臺、中繼站、及中心站計算機系統組成。
在系統中遙測站通過傳感器自動實時地進行水位及雨量數據的采集，并通過無線電臺向中心站計算機系統發送所采集到的水情數據，中心站計算機系統則 對所接收的水情數據進行分析處理及洪水預報。由于遙測站是在野外工作，無人值守，為了減少能耗，平時處于掉電值守狀態，并采用自報式工作體制進行數據的發 送傳輸水位或雨量變化時，或遙測站需要定時上報時遙測站才退出值守狀態進入工作狀態，進行水情數據的采集和處理，并將水情數據及測站信息等向中心站計算機 系統上報，數據上報完成后遙測站重新進入掉電值守狀態。
二、數字式雨量、水位傳感器
在水情遙測系統中遙測站無人值守且地處野外，交流供電困難，只能靠蓄電池和太陽能電池供電，所以遙測站必須簡單、可靠、能耗低。在遙測站的設計中，正確的傳感器選擇是保證遙測站達到其要求的關鍵因數之一。
傳感器是實現測量及控制的首要環節，一般傳感器有模擬式和數字式兩類，模擬式傳感器，在和計算機及數字化儀器相連的時候必須采用A/D轉換器把 模擬量轉換為數字量，且易受電磁干擾，不利于遠距離傳輸。數字式傳感器直接將待測量轉換為數字量輸出，其輸出信號抗干擾能力強，功耗小，可與數字設備直接 連接。數字式傳感器的這些特點。特別適合應用于水情遙測系統中，選擇數字式雨量及水位傳感器有利于遙測站電路的簡化，提高遙測站的可靠性，從而有利于滿足 遙測站低功耗的要求。
雨量傳感器是系統中使用最多的傳感器，在系統中采用翻斗式雨量計和浮子式水位計作為系統的雨量傳感器和水位傳感器，翻斗式雨量計屬于開/關式數字傳感器，浮子式水位計屬于編碼式數字傳感器。
1.翻斗式雨量計
翻斗雨量計采用單觸點通斷輸出，由干簧管繼電器、雨量翻斗組成。當翻斗內雨量達到1mm時，翻斗翻轉，在翻轉翻斗翻轉瞬間，帶動磁鋼作弧狀運動，從而使干簧管有約0.1s的吸合時間作為信號輸出。其性能指標如下：
輸出信號：機械雙穩態脈沖信號
承水口內徑：300mm
分辨率：1mm
相當誤差：≤3%
雨強范圍：0.01～4mm/min,允許最大雨強8mm/min
2.浮子式水位計
浮子式水位計的工作原理如圖2所示，它利用液體浮力測液位的原理，靠浮子隨水面升降的位移反映水位變化。漂浮通過強索經滑輪與編碼器相連，編碼器的數字輸出即為水位高度為防止錯碼的出現，其編碼器的編碼為格雷碼。
系統中浮子式水位計主要性能指標為：機械編碼，碼型為格雷碼
分辨率：1cm
測量范圍：0～40m
精度：±1cm
三、遙測站工作值守電路
在水情遙測系統中遙測站是以80C31單片機為核心構成的監測控制系統。為了減小其能耗，遙測站平常處于掉電值守狀態。因此要實現對雨量、水位 數據的實時監測，即在雨量或水位有變化的時候能夠實時的進行數據采集、處理和發送，遙測站就必須具有工作值守電路。
當雨量傳感器的雨量值有增量(1mm)變化時，光電耦合器產生一低電平脈沖，通過與非門U1、反相器U2到與非門U3，U3輸出一高電平脈沖復 位信號到80C31單片機，使單片機復位，退出掉電值守狀態開始工作，同時啟動工作時間計數器計，在正常情況下，遙測站完成水情數據的采集、處理及數據傳 輸任務后，重新進入掉電值守狀態。如果由于干擾使遙測站的程序出現運行錯誤，在規定的工作時間極限內不能進入掉電值守狀態時，工作時間計數器將發出一個時 間極限的低電平脈沖，通過與非門U4、反相器U5到與非門U3，U3輸出一高電平脈沖復位信號到80C31單片機，使單片機復位，重新開始正常工作。水位 增量變化及定時報的工作原理與雨量增量變化和時間極限的工作原理相似。
四、水情遙測系統中對異常數據的處理方法
在水情遙測系統中遙測站選用自報式工作體制，這種體制的優點較多，主要是系統結構比較簡單，設備能耗低，維修方便，可靠性較高，適合于我國多數 水大廠地處偏遠山區，交通不便等國情特點。自報式工作體制的主要缺點是同頻信號的碰撞問題。同頻信號的碰撞及電磁的干擾都可能使水情數據出現異常錯誤。為 了減小異常錯誤數據的出現及系統的影響，在系統中采用了以下方法：
1.對水情數據采用能檢二糾一錯的(8.4)編碼方式進行信道編碼來提高數據的通信質量。
2.對雨量數據的處理，中心站在接收到雨量數據后進行有效性檢查，雨量數據在數據的通信發送過程中使用雨量的累計值，這樣在中心站每一次接收到 雨量值都大于或等于上一次接收到的雨量值，在其兩次接收之間的降雨量為本次接收到的雨量值。但兩次之間的增量又必須在一定的有效范圍內，因為在系統中其兩 次接收數據之間的降雨量不可以產生比較大的跳變。如果出現接收到雨量值小于上次接收到的雨量值或兩次之間的雨量增量比較大的情況時，則還要根據再下一次接 收到的雨量值來進行判斷處理。
3.對水位數據的處理，中心站在接收到的水位數據后，先對接收到的水位數值與上一次接收到的水位數值進行比較分析，檢查其變化量是否在有效范圍內，如果是說明水位數據是正確的，否則再根據下一次的水位數據進行比較分析以確定其水位數據的正確性。
五、結論
由于數字式傳感器的輸出具有抗干擾能力強，可與數據處理系統設備直接相連的特點，因此，在水情遙測系統中傳感器中選擇數字式雨量及水位傳感器， 極大地簡化了系統遙測電路，從而提高了系統可靠性。配合設計合理的遙測系統的值守控制電路及監測控制電路，減小值守時的能耗，就可滿足遙測系統簡單、可 靠、能耗低和經久耐用的要求。另外為了保證系統通信數據的可靠性，還應對水情數據采用能檢二糾一錯的(8.4)編碼方式進行信道編碼，并在中心站對接收到 的數據進行合理性檢查。
摘自：中國計量測控網
