专利名称：：一种微功耗恒流气泡式水位自动测量装置的制作方法
技术领域：
：本发明属于传感器测量领域，特别涉及采用恒流气泡式水位计自动进行水位测量的装置。
背景技术：
：恒流气泡式水位计的工作原理感压单元经过气路装置与气管相连，气管的开口端固定在水面下，当气路装置中的气压和水压达到平衡时，感压单元将该压力转换为水位高度。与传统的浮子式水位计相比，恒流气泡式水位计具有安装简单、无需建水位井、土建工作量小、投资少、建设周期短、量程大等优点，目前在水文自动测才艮系统中应用越来越广泛。但在很多应用场合，恒流气泡式水位计的测量值和人工观测值之间存在较大误差，并且水位变幅越大则误差越大。目前普遍认为这种误差是现场的重力加速度及水密度与理论值之间的差异造成的。水位自动监测站基本分布在野外，温度变化范围大，电源供给困难；即使有交流电源，稳定性也很差，容易造成雷击。自动测量装置的环境适应性与微功耗要求极高。
发明内容本发明的目的在于提供一种微功耗恒流气泡式水位自动测量装置，克服国内、外恒流气泡式水位计测量误差随水位变幅增大而增大的不足，弥补其它恒流式气泡水位测量装置所忽略的误差，有效地提高了水位测量精度，广泛应用于各种野外环境下水位自动测量。本发明提供一种恒流气泡式水位自动测量装置，主要由室外单元和室内单元组成。所述室外单元包含作为核心控制设备的数据采集器、通过RS232C串行口连接的人工置数器、通过SDI-12接口连接的恒流气泡式水位计和气压计、通过RS232C串行口连接的通信设备以及2芯接口的12V直流供电电源，用于自动采集和保存水位数据并远程发送；所述室内单元包含内置了应用软件的集中控制器和通过RS232C串行口连接的通信设备以及交直流供电电源，经过通信信道与室外单先连接，用于实时接收远程数据，实现存储、显示、查询、发布，并远程控制室外单元的工作模式、校时、取数。所述数据采集器包含主处理单元、通过12C接口连接的传感器接口和实时时钟、通过SPI接口连接的远程通信接口和存储单元、通过RXD1和TXD1连接的本地显示接口、通过RXDO和TXDO连接的程序更新口，通过PA和PB并行口连接的USB接口、通过INTO和INT1连接的状态监测单元以及通过PC并行口连接的状态指示灯，用于自动管理传感器和通信设备电源，进行传感器采集、计算、存储、远程发送并响应控制命令。所述人工置数器包含主处理单元、通过PA和PB并行口连接的4x5的键盘，通过PE和PF并4亍口连接的分辨率为160x128的液晶显示屏以及通过RXD和TXD连接的串口，用于对数据采集器进行参数设置和现场数据显示，平时液晶屏处于调电状态，主处理单元处于休眠状态，通过键盘操作唤醒主处理单元进入工作模式。所述水位计用于测量气管安装位置的水压和水温，采用氮气瓶作为恒流气泡源，SDI-12接口输出。所述气压计用于测量恒流气泡式水位计感压单元位置的大气压，采用SDI-12接口输出。所述通信终端才艮据需要选用INMARSAT-C电台、北斗卫星电台、VHF电台、GSM移动终端或者PSTN调制解调器，用于进行远程数据传输。所述供电电源采用蓄电池配太阳能板浮充方式，4是供12V直流电源。所述自动水位测量，包括以下步骤1)根据水位计安装位置的经绵度和海拔高度，查表得到重力加速度g并输入到数据采集器中；2)根据现场的水温，查表得到水的密度^并输入到数据采集器中；3)测量气管两端的高差^并输入到数据采集器中；4)数据采集器定时采集恒水位计的压力输出值P。和气管内温度T,同时采集气压计的输出值尸^;5)数据采集器根据公式(E2)计算水头高度；其中，A:水头高度Po:恒流式气泡水位计输出压力氮气分子量^^。空气分子量g:恒流式气泡水位计安装现场的重力加速度/2=尸o(l十A:气体常数T:恒流式气泡水位计安装现场的绝对温度^:恒流式气泡水位计气管两端的竖直高差P^:恒流式气泡水位计安装现场的大气压力Z7:恒流式气泡水位计安装现场水的密度。图l是测量装置系统结构示意图。图2是数据采集器组成示意图。图3是7jC位计安装结构示意图。图4是水位自动测量流程图。具体实施例方式本发明的水位自动测量装置包括室外单元1和室内单元2,如图1所示。室外单元由数据采集器3、人工置数装置4、恒流气泡式水位计5、气压计6、通信设备7和电源8组成；室内单元由集中控制器9、通信终端10和电源组成11。人工置数装置4通过RS232C串行口与数据采集器3相连，它包含4x5的键盘和160x128的液晶显示屏，MEGA128单片机作为主处理器，平'时处于休眠状态，由键盘触发进入工作模式，进行参数设置和现场数据显示，工作结束后自动进入休眠状态。恒流气泡式水位计5和气压计6通过SDI-12接口与数据采集器3相连，SDI-12电源受数据采集器3控制，平时处于调电状态。通信设备7根据需要选用电台、VHF电台、GSM移动终端或者PSTN调制解调器，通过RS232串行口与数据采集器相连，电源受数据釆集器3控制，平时处于调电状态。数据采集器3构成见图2。它采用MEGA128单片机作为主处理单元，具有SDI-12和RS485传感器接口、信号防护接口、实时时钟、USB接口、2路远程通信接口、l路本地显示接口、l路参数设置及程序更新接口、事件监测电路、32MFLASH本地存储、参数设置及程序更新接口、信号防护接口以及电源控制电路，用于自动管理传感器和通信设备电源，进行传感器采集、计算、存储、远程发送并响应控制命令。平时主处理单元处于休眠状态，当事件监测电路检测到本地操作、远程控制及定时事件时，唤醒主处理单元，控制传感器和通信设备上电，采集传感器数据，进行本地存储和远程传输，之后关闭传感器和通信设备电源，进入休眠状态。气泡式水位计的安装方式如图3所示。感压单元7、氮气瓶8和气路恒流器9安装在水位测量站房10内，通过导气管11与安装在水面12下方的固定防护设备13相连。气路恒流器能感应水压变化，并自动调节气体流量，使氮气瓶内的气体通过导气管以恒定压力向外排放。导气管的一端安装在水下，另外一端和气路恒流器相连，正常状态下气管中充满氮气，导气管水下端口处的压力和水压平衡。感压单元和气路恒流器相连，接收到数据采集器的指令后，测量环境温度及气压并将数值返回给数据采集器。在气管水下部分末端的气液相交处18,该位置的管内气压始终是水压加上该位置的大气压，感压单元测量的是气管另外一端12的压力和该位置大气压的差值P。并送数据采集器。该测量方式以两个布I设为前提位置12和位置18的大气压力相等，且两处导气管内的气体压力相等。实际上站房的高程要大于导气管水下末端的高程。而气体受重力影响，在竖直方向上压力是随高度递减的。目前其它的恒流式气泡水位测量装置在从水位计获取水头深度值时都是利8用了水位计本身进行压力和水头转换的值，而目前所有的恒流式气泡水位计在进行压力与水位的转换时使用的是经典计算公式(El),水位测量值只与重力加速度和水密度有关，在进行转换计算时取的重力加速度为标准重力加速度(^=9.80665m/s2)，水密度为4。C时的密度(/T=1000Kg/m3)。尸。(El)在多个恒流气泡式水位计安装现场，特别是气管两端竖直高差较大的情况下，均发现水位的人工观测值和采用公式(El)的自动测量值之间存在较大误差，而采用公式(E2)进行转换计算的结果和人工观测值有;f艮好的一致性，最大误差不超过O.Ol米，且与量程无明显的相关性，见表l。她g、丄oPo(1+》+凡lOOOiT",■_^IOOO灯"Mo、(E2)画o灯从上式可以看出，实际影响水位测量值的参数有气管两端口的竖直高差H、重力加速度g、气体温度T、水的密度P及感压单元的大气压i^。。^^殳户。-98066.5Pa,^9.80665m/s2，/7=1000Kg/m3，标称水位10m，用式(E2)计算误差随《的变化，用式(El)计算误差随g和p的变化，见表2。表l:水文站水深数据对比表单位米站号人工观测值E14误差值E13误差值现场环境1#水文站3.750.030.00^=52.7m79345m/s2/7=999.73Kg/m3户产99165Pa9.790.080.0012.500.140.0025.890.240.0036.560.320.0142.390.370.012#水文站10.800.110.00^68.6mf9.7914m/s2/7=999.93Kg/m321.290.220.0034.780.360.019<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>可以看出，使用经典公式(El)的误差基本呈线性增长，而使用(E2)公式计算的结果和现场实际〗現测结果非常吻合。表2:不同因素对测量误差的影响对比单位米<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>可见，从赤道到北极，重力加速度的变化导致的水位变化仅仅O.03米；温度从(TC到20。C变化，由水密度变化导致的水位变化范围不到0.02米；远比气管两端口高差引起的误差要小得多。本发明提供了微功耗和宽工作温度范围的水位自动测量装置。数据釆集器工作温度范围-40。C+70。C，静态工作电流〈50jLiA，工作电流〈30mA。如果以15分钟间隔定时采集水位，每次采样时间10秒种；采用北斗卫星传输，电台工作20秒种，则平均工作电流〈10mA，采用12AH蓄电池配IOW太阳能板即可满足连续30日无日照的情况下正常工作。本发明提供的水位自动测量装置具有大容量的本地数据存储空间，能够保存2年以上历史数据。当需要本地提取历数据时，提供了低功耗的USB接口，平时USB接口调电，需要启动U盘操作时，按下操作键，即可自动将数据转存到U盘上；还可以在程序中设定自动转存的间隔，自动地定时进行U盘历史数据转存。本发明可以明显弥补其它恒流式气泡水位测量装置所忽略的误差，尤其在水位变化超过10米的情况下，测量结果更接近水位的真实值。本发明可以广泛应用于各种野外环境下进行自动水位测量。权利要求1.一种微功耗恒流气泡式水位自动测量装置，包括室外单元和室内单元组成，其特征在于所述室外单元包含作为核心控制设备的数据采集器、通过RS232C串行口连接的人工置数器、通过SDI-12接口连接的恒流气泡式水位计和气压计、通过RS232C串行口连接的通信设备以及2芯接口的12V直流供电电源，用于自动采集和保存水位数据并远程发送；所述室内单元包含内置了应用软件的集中控制器和通过RS232C串行口连接的通信设备以及交直流供电电源，经过通信信道与室外单元连接，用于实时接收远程数据，实现存储、显示、查询、发布，并远程控制室外单元的工作模式、校时、取数。2.根据权利要求l所述的一种微功耗恒流气泡式水位自动测量装置，其特征在于所述数据采集器包含主处理单元、通过12C接口连接的传感器接口和实时时钟、通过SPI接口连接的远程通信接口和存储单元、通过RXD1和TXD1连接的本地显示接口、通过RXDO和TXDO连接的程序更新口，通过PA和PB并行口连接的USB接口、通过INTO和INT1连接的状态监测单元以及通过PC并行口连接的状态指示灯，用于自动管理传感器和通信设备电源，进行传感器采集、计算、存储、远程发送并响应控制命令。3.根据权利要求l所述的一种微功耗恒流气泡式水位自动测量装置，其特征在于所述人工置数器包含主处理单元、通过PA和PB并行口连接的4x5的键盘，通过PE和PF并行口连接的分辨率为160x128的液晶显示屏以及通过RXD和HD连接的串口，用于对数据采集器进行参数设置和现场数据显示，平时液晶屏处于调电状态，主处理单元处于休眠状态，通过键盘操作唤醒主处理单元进入工作模式。4.根据权利要求1所述的一种微功耗恒流气泡式水位自动测量装置，其特征在于所述恒流气泡式水位计用于测量气管安装位置的水压和水温，采用氮气瓶作为恒流气泡源，SDI-12接口输出。5.根据权利要求l所述的一种微功耗恒流气泡式水位自动测量装置，其特征在于所述气压计用于测量恒流气泡式水位计感压单元位置的大气压，采用SDI-12接口输出。6.根据权利要求l所述的一种微功耗恒流气泡式7jc位自动测量装置，其特征在于所述通4言i更备可以选用INMARSAT-C电台、北斗卫星电台、VHF电台、GSM移动终端或者PSTN调制解调器，用于进行远程数据传输，采用RS232C接口。全文摘要本发明的目的在于提供一种微功耗恒流气泡式水位自动测量装置，包括室外单元和室内单元组成，所述室外单元包含作为核心控制设备的数据采集器、通过RS232C串行口连接的人工置数器、通过SDI-12接口连接的恒流气泡式水位计和气压计、通过RS232C串行口连接的通信设备以及2芯接口的12V直流供电电源；所述室内单元包含内置了应用软件的集中控制器和通过RS232C串行口连接的通信设备以及交直流供电电源，经过通信信道与室外单元连接。本发明克服国内、外恒流气泡式水位计测量误差随水位变幅增大而增大的不足，弥补其它恒流式气泡水位测量装置所忽略的误差，有效地提高了水位测量精度，可广泛应用于各种野外环境下水位自动测量。文档编号G01F23/14GK101586981SQ20091003170公开日2009年11月25日申请日期2009年7月10日优先权日2009年7月10日发明者海周,曹年红,曹翊军,熊光亚,序程申请人:国网电力科学研究院;南京南瑞集团公司