SFL 系列浮子式量水堰仪电路改进设计

梁永荣 ，孙国强 ，梅 星

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

0 引言

浮子式量水堰仪主要用于坝体、坝基、基岩等水工建筑物的渗流量观测，采用量水堰法自动测量量水堰堰上水位，也可作为小量程水位计、闸位计使用，用于测量库、灌渠水位及闸门开度等[1]。由于水工建筑物工程现场普遍存在雷击严重、温差和湿气较大等现象，使得无相关防护措施的自动化监测仪器和设备测值误差较大，损坏严重，给管理方带来较大管理难度及经济损失。针对 SFL 系列浮子式量水堰仪在大坝安全监测工程实际应用中暴露出来的浪涌保护弱、防潮效果差、可靠性欠佳等问题进行电路改进，设计一款新型 TS_485 变送器，通过专业的结构封装，与 SFL 系列浮子式量水堰仪内嵌成智能一体化传感仪器。

1 浮子式量水堰仪结构与原理

1.1 结构

SFL 系列浮子式量水堰仪由电子编码传感器、转轮、浮子、悬索、平衡锤等部件组成，结构示意图如图 1 所示。浮子、平衡锤与悬索连接牢固，悬索悬挂在水位轮的“U”形槽中，平衡锤起拉紧悬索和平衡作用，调整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水线上[2]。

图 1 SFL 系列浮子式量水堰仪的结构示意图

1.2 原理

SFL 系列浮子式量水堰仪通过浮子感应水位变化，通过转轮带动电子编码传感器工作。当水位不变时，浮子与平衡锤两边的力是平衡的，电子编码传感器的输出值不变；当水位上升时，浮子产生向上浮力，使平衡锤拉动悬索带动水位轮作逆时针方向旋转，电子编码传感器的输出值增加；水位下降时，浮子下降，拉动悬索带动水位轮顺时针方向旋转，传感器的输出值减小。

浮子式量水堰仪的输出为电压信号，由 5 芯屏蔽电缆引出（蓝、黑、红、绿、白），测量原理如图 2 所示，其中，R1，R2，R3，R4，R5为电缆芯线电阻，R蓝红，R红白为浮子式量水堰仪传感器的分压电阻，U蓝红，U红白为浮子式量水堰仪传感器的分电压，U蓝白为浮子式量水堰仪传感器的总电压。由于R1，R2，R3，R4，R5芯线电阻与 R蓝红和 R红白分压电阻相比阻值可以忽略不计，则 U23的值接近与 U蓝红，即 U23≈U蓝红，同理 U34≈U红白。

图 2 SFL 系列浮子式量水堰仪的电路测量原理图

由图 2 可知：

整理可得：

在此原理下，考虑消除芯线电阻对测量电压的影响，需要采集 U23和 U34电压信号测值，在实际电压采集电路中，需要采集 U黑白，U红白，U绿白3 个电压值。

2 智能一体化传感仪器硬件设计

2.1 技术指标

智能一体化传感仪器技术指标如表 1 所示。

2.2 硬件设计

在 SFL 系列浮子式量水堰仪基础上，采用进口高精度旋转电位器，设计新型 TS_485 变送器系统。新型变送器系统包含数据的采集、处理、存储、通讯及电源 5 个模块，主要基于微功耗STC15F2K60S2 微处理器平台，采用双通道、高分辨率 16 位 A/D 转换电路，Modbus 标准协议 RS-485通讯接口，4 kV/1A 防雷和静电保护电路。本研究主要介绍电压采集及防雷 2 个电路的设计。

表 1 智能一体化仪器技术指标

2.2.1 电压采集电路设计

根据测量原理可知，TS_485 变送器需要提供SFL 系列浮子式量水堰仪供电电压 U蓝白，需要采集 U黑白，U红白和 U绿白3 个电压。为将传感器信号与 TS_485 变送器信号隔离，提高系统可靠性，减少 A/D 芯片使用个数，降低成本，使用光耦继电器 AQW214EH 进行信号电压隔离和高速切换。AQW214EH 光耦继电器无机械触点，因此没有触点的磨损，使用寿命接近于无限；驱动部分不仅具有光耦特性，能抑制干扰信号传输，还具有低电流控制，高隔离电压，高速切换，低泄漏电流功能特性。电压采集电路设计如图 3 所示。

图 3 电压采集电路设计

当 TS_485 变送器接收到测量命令后，微处理器控制管脚 CON_S_V 输出“1”，三极管和光耦继电器相继导通，为仪器蓝、白线提供 2.5 V 电压（AD780_OUT 输出 2.5 V[7]）；微处理器控制管脚 CON_S_V1， CON_S_V2，CON_S_V3 依次置“1”，光耦继电器依次导通，输出 U黑白，U红白和 U绿白供 A/D 采样，再根据公式（3）计算 U23，U34的比值。

2.2.2 防雷电路设计

在工程现场中，自动化监测系统若采用市电供电，RS-485 通讯等有线传输时，因传输线通常暴露于户外，极易因雷击等引入过电压。而电压转换和通讯等芯片的工作电压较低，耐压值也非常低，一旦过压会击穿损坏；当有强烈浪涌能量出现时，有的芯片会爆裂，线路板会焦糊，自动化监测系统可能直接瘫痪，无法测控。因此防雷击保护电路设计十分必要，设计的防雷电路如图 4 所示。

当雷击发生时，感应过电压由 A/B 线引入，经过 PTC（BK250-120），GDT（SMD4532-075NF）作为初级共模防护，GDT 可以承受 10 kA（8/20 µs）浪涌冲击。这样残压降低到 1 kV 以下，经过 TVS（SMBJ5.0CA）二级保护进行共模保护，到 RS-485 收发器（MAX485ESA）的电压被钳制在12 V 以下，同时，通过 A/B 线上的上拉电压可保证A/B 线上的电压保持在高电平而实现对收发器的浪涌保护。电源电压防雷电路设计原理一样，都是经过 PTC，GDT 和 TVS 一级、二级保护，将电压钳制在 12 V。

3 实验与分析

为验证 TS_485 变送器电路的合理性，及对大坝流量观测恶劣环境的适应性，结合 SFL-300 浮子式量水堰仪，进行 TS_485 变送器的精度、重复性和迟滞性、长期稳定性、高温高湿和高低温等实验。

图 4 RS-485 通讯防雷电路设计

3.1 TS_485 变送器精度、重复性、迟滞性实验

本实验将可编程线性直流电源 DP832A 作为基准稳压电源，五位半数字万用表 8808A 测量值作为实际值，TS_485 变送器测值为测量值，分 0 V 1 个，2.5，2.0，1.5，1.0 ，0.5 V 各 2 个共计 11 个测点，进行 TS_485 变送器精度、重复性、迟滞性实验。

系统满量程是 2.5 V，满量程最大重复误差计算公式如下：

式中：σ重是系统满量程最大重复误差；Ui是单线程每个测点电压测值；n 是测点测值次数，此处 n = 3。

满量程最大迟滞性误差计算公式如下：

式中：σ迟是系统满量程最大迟滞误差；U进i，U回i分别是双线程每个测点的进程和回程测值；n 是线程次数，此处 n = 3。

试验和计算结果如表 2 和 3 所示，可以得到：满量程 TS_485 变送器最大相对误差为 0.024%，最大重复性误差为 0.04%，最大迟滞性误差为 0.02%。

3.2 TS_485 变送器长期稳定性实验

在工程现场中，仪器分布往往比较分散，有的工程为降低监测成本，仪器距离监测中心可能长达500 多 m。这样易产生长电缆芯线电阻值，尤其对电压信号监测会产生分压值，使得仪器存在较大测量误差。本电路改进设计中采用RS-485 通讯进行数据传输，从根本上解决工程现场长电缆或者电压拉偏带来的误差问题，实验记录数据如表 4 所示。

从表 4 可以看出，400 和 800 m 长距离测量，测量值基本不变，非线性误差低到0.03%。根据稳定性误差计算公式可得，长期稳定性误差 ≤ 0.02%。

3.3 TS_485 变送器环境适应性实验

水工建筑物工程现场温差大，湿气重，为验证 TS_485 变送器能够在（-20～60 ℃）及 95%RH 环境中正常运行，分别进行高温高湿（40℃，95%RH）和高低温（-20～60 ℃）实验，模拟现场工作环境，监测TS_485 变送器的稳定性能。2 个实验都在恒温、恒湿实验箱中进行，实验数据如表 5 和 6 所示。

表 2 TS_485 变送器精度实验

从表 5 中可以看出，TS_485 变送器在恒温、恒湿（40℃，95%RH）条件下，能够正常运行，固定测点测值基本不变。经计算可以得到常温与高温高湿状态下最大误差为 0.24%。

同理可得，高温与常温下最大误差为 0.23%，低温与常温下最大误差为 0.25%。

各实验结果表明，满量程 TS_485 变送器相对误差，及长期稳定性、重复性、迟滞性误差，均满足SL 268—2001《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》要求（不大于 0.25%F.S）。

表 3 重复性、迟滞性实验

表 4 长电缆长期稳定性实验

表 5 高温高湿实验

表 6 高低温实验

4 工程应用效果

亭下水库位于奉化江支流剡江上，大坝在溪口镇上游 7 km 处，坝址以上集水面积为 176 km2，坝顶长 317 m，最大坝高为 76.5 m，坝顶高程为93.05 m，总库容为 1.50 亿 m3，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、供水等综合利用的工程。亭下水库采用智能一体化浮子式量水堰仪进行流量测量，经过 1 a 的使用，数据稳定，测量精度高，基本无维护，流量曲线如图 5 所示。

图 5 亭下水库智能一体化浮子式量水堰仪 1 a 流量

5 结语

本设计通过 TS_485 变送器的研制对 SFL 系列浮子式量水堰仪进行了电路改进，通过实验室实验和工程现场使用，可以看出，经过电路改进的 SFL系列浮子式量水堰仪稳定性更高，精度更高，性能优越。这使得该智能传感器还可以推广应用于水资源管理、地下水监测、中小河流、渗流监测等工程项目的流量和水位测量。而 TS_485 变送器小型化、嵌入式、低功耗等设计理念紧随现在智能传感器及物联网技术的发展趋势，对现在工程监测仪器的改革方向起到一定的借鉴作用。