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数字式传感器在水情遥测系统中的应用研究

2014/11/13 18:31:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  我国是一个洪涝灾害比较严重的国家,平均不到两年就发生一次较大的洪灾,每年都因洪水造成一定程度的损失,水电厂的生产也因此受到较大的影响。 为了进行防洪预报和防洪调度,需要及时掌握库区流域的水情信息,为此水电厂在库区范围内,定点设置水情观测站。由于库区多为偏僻山区,环境条件恶劣,通常 采用无人值守的水情遥测站,若干个遥测站形成水情监测网络。因此系统对数据的采集以及传输过程中出现异常数据的正确处理是保证系统可靠工作的必备要求。

  一、水情遥测系统的组成及工作方式

  水电厂水情遥测系统主要对库区段流域面积内的水情信息进行采集和处理,做出准确的洪水预报和防洪调度。系统水情遥测系统由水位传感器、雨量传感器、遥测站、无线电台、中继站、及中心站计算机系统组成,其组成结构如图1所示。

  

  在系统中遥测站通过传感器自动实时地进行水位及雨量数据的采集,并通过无线电台向中心站计算机系统发送所采集到的水情数据,中心站计算机系统则 对所接收的水情数据进行分析处理及洪水预报。由于遥测站是在野外工作,无人值守,为了减少能耗,平时处于掉电值守状态,并采用自报式工作体制进行数据的发 送传输水位或雨量变化时,或遥测站需要定时上报时遥测站才退出值守状态进入工作状态,进行水情数据的采集和处理,并将水情数据及测站信息等向中心站计算机 系统上报,数据上报完成后遥测站重新进入掉电值守状态。

  二、数字式雨量、水位传感器

  在水情遥测系统中遥测站无人值守且地处野外,交流供电困难,只能靠蓄电池和太阳能电池供电,所以遥测站必须简单、可靠、能耗低。在遥测站的设计中,正确的传感器选择是保证遥测站达到其要求的关键因数之一。

  传感器是实现测量及控制的首要环节,一般传感器有模拟式和数字式两类,模拟式传感器,在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把 模拟量转换为数字量,且易受电磁干扰,不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出,其输出信号抗干扰能力强,功耗小,可与数字设备直接 连接。数字式传感器的这些特点。特别适合应用于水情遥测系统中,选择数字式雨量及水位传感器有利于遥测站电路的简化,提高遥测站的可靠性,从而有利于满足 遥测站低功耗的要求。

  雨量传感器是系统中使用最多的传感器,在系统中采用翻斗式雨量计和浮子式水位计作为系统的雨量传感器和水位传感器,翻斗式雨量计属于开/关式数字传感器,浮子式水位计属于编码式数字传感器。

  1.翻斗式雨量计

  翻斗雨量计采用单触点通断输出,由干簧管继电器、雨量翻斗组成。当翻斗内雨量达到1mm时,翻斗翻转,在翻转翻斗翻转瞬间,带动磁钢作弧状运动,从而使干簧管有约0.1s的吸合时间作为信号输出。其性能指标如下:

  输出信号:机械双稳态脉冲信号

  承水口内径:300mm

  分辨率:1mm

  相当误差:≤3%

  雨强范围:0.01~4mm/min,允许最大雨强8mm/min

  2.浮子式水位计

  浮子式水位计的工作原理如图2所示,它利用液体浮力测液位的原理,靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过强索经滑轮与编码器相连,编码器的数字输出即为水位高度为防止错码的出现,其编码器的编码为格雷码。

  

  系统中浮子式水位计主要性能指标为:机械编码,码型为格雷码

  分辨率:1cm

  测量范围:0~40m

  精度:±1cm

  三、遥测站工作值守电路

  在水情遥测系统中遥测站是以80C31单片机为核心构成的监测控制系统。为了减小其能耗,遥测站平常处于掉电值守状态。因此要实现对雨量、水位 数据的实时监测,即在雨量或水位有变化的时候能够实时的进行数据采集、处理和发送,遥测站就必须具有工作值守电路,其电路如图3所示。

  

  当雨量传感器的雨量值有增量(1mm)变化时,光电耦合器产生一低电平脉冲,通过与非门U1、反相器U2到与非门U3,U3输出一高电平脉冲复 位信号到80C31单片机,使单片机复位,退出掉电值守状态开始工作,同时启动工作时间计数器计,在正常情况下,遥测站完成水情数据的采集、处理及数据传 输任务后,重新进入掉电值守状态。如果由于干扰使遥测站的程序出现运行错误,在规定的工作时间极限内不能进入掉电值守状态时,工作时间计数器将发出一个时 间极限的低电平脉冲,通过与非门U4、反相器U5到与非门U3,U3输出一高电平脉冲复位信号到80C31单片机,使单片机复位,重新开始正常工作。水位 增量变化及定时报的工作原理与雨量增量变化和时间极限的工作原理相似。

  四、水情遥测系统中对异常数据的处理方法

  在水情遥测系统中遥测站选用自报式工作体制,这种体制的优点较多,主要是系统结构比较简单,设备能耗低,维修方便,可靠性较高,适合于我国多数 水大厂地处偏远山区,交通不便等国情特点。自报式工作体制的主要缺点是同频信号的碰撞问题。同频信号的碰撞及电磁的干扰都可能使水情数据出现异常错误。为 了减小异常错误数据的出现及系统的影响,在系统中采用了以下方法:

  1.对水情数据采用能检二纠一错的(8.4)编码方式进行信道编码来提高数据的通信质量。

  2.对雨量数据的处理,中心站在接收到雨量数据后进行有效性检查,雨量数据在数据的通信发送过程中使用雨量的累计值,这样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,在其两次接收之间的降雨量为本次接收到的雨量值。但两次之间的增量又必须在一定的有效范围内,因为在系统中其两 次接收数据之间的降雨量不可以产生比较大的跳变。如果出现接收到雨量值小于上次接收到的雨量值或两次之间的雨量增量比较大的情况时,则还要根据再下一次接 收到的雨量值来进行判断处理。

  3.对水位数据的处理,中心站在接收到的水位数据后,先对接收到的水位数值与上一次接收到的水位数值进行比较分析,检查其变化量是否在有效范围内,如果是说明水位数据是正确的,否则再根据下一次的水位数据进行比较分析以确定其水位数据的正确性。

  五、结论

  由于数字式传感器的输出具有抗干扰能力强,可与数据处理系统设备直接相连的特点,因此,在水情遥测系统中传感器中选择数字式雨量及水位传感器, 极大地简化了系统遥测电路,从而提高了系统可靠性。配合设计合理的遥测系统的值守控制电路及监测控制电路,减小值守时的能耗,就可满足遥测系统简单、可 靠、能耗低和经久耐用的要求。另外为了保证系统通信数据的可靠性,还应对水情数据采用能检二纠一错的(8.4)编码方式进行信道编码,并在中心站对接收到 的数据进行合理性检查。

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