WFH-2型全量机械编码水位计

WFH-2型全量机械编码水位计Model WFH-2 Absolute Machinery Coded Water Level Meter
使用说明书
南京水利水文自动化研究所防汛设备厂
二ООО年
WFH-2型全量机械编码水位计
传感器
特点：
●浮子传感结构简单，工作可靠，使用、维修方便。

●测井结构小直径工业管材，投资和建造费用低、工期短。

●机械编码无掉电、雷击之虞。

●格雷码制不存在非单值性误差。

●间歇进位读数无模糊区。

●结构设计积木化、标准化、通用化，便于装配、检修。

●关键器件择优进口国际名牌产品。

注意：
●水位轮限速：用手盘转水位轮测试速率应小于1转/秒。

●本仪器水位测量范围为0～4095cm，零点高程应由软件预先置入或人工计算。

●悬索与浮子连接：应牢固，并定期检查。

说明：
由本水位传感器与水位显示器两部分可组成一观察水位站。

WFH-2型全量机械编码水位计
传感器部分
一、用途及使用范围
本仪器传感器用于感测天然水体水位的变化，同时通过轴角编码器将水位模拟量转换为数字信息量，以满足信息传输、处理、记录和显示的需要。

WFH-2型全量机械编码水位计（包括传感器部分和显示器部分）可有线遥测、数显实时水位，供国家水文站网，或防汛、科研和用水部门的水位观测。

与水位数据收集、存储、处理系统配套，作为国家专设站网长期收集水位信息的水位传感器。

与水情自动测报系统配套，作为专设站水位遥测报汛的水位传感器。

与卫星水情遥测系统配套，作为国家控制站网的水位遥测传感器。

本仪器适用于江河、湖泊、水库、河口、渠道、船闸、地下水及各种水工建筑物处的水位测量。

二、主要技术指标
1．浮子直径：Φ15(特殊订货：Φ12、Φ10cm) 2．水位轮工作周长： 32cm
3．平衡锤直径：Φ2cm
4．测量范围： 40m（特殊订货：10、20、80m）
5．分辨力： 1cm
6．最大水位变率： 100cm\min
7．准确度： 10m量程时，≤±0.2%FS
＞10m量程时，≤±0.3 %FS 8．水位轮转动力矩：≤0.015N·n
9．编码码制：格雷码
10.平均无故障工作次数：1×107次
11.显示方式：机械数字显示
12.显示位数： 5位，高第1位为工作状态，0表示
工作正常；9表示反转；低4位为水
位(cm)
13.工作环境温度： -10℃～+50℃（测井水体不结冰）
14.工作环境湿度： 95%RH（40℃凝露）
15.体积：宽×高×深14cm×15cm×15cm
16.净重： 3.2Kg
三、工作原理
本仪器是以浮子感测水位，轴角编码器编码的机械式遥测水位传感器。

其工作原理是：在水位测站水位计井台的测井中，安装一个浮子，作为水位感测元件。

当水位变化时，浮子灵敏地响应水位变化并作相应的涨落运动，同时把此水位涨落的直线运动借助悬索传递给水位轮，使水位轮产生圆周运动，并准确地将直线位移换为相应的角
位移量。

水位轮枢轴就是轴角编码器输入轴，因此，当水位旋转的同时，轴角编码器已将水位模拟量A转换，并编码成相应的数字编码D。

此数字编码D用芯电缆并行输出至测站显示器，直接显示水位。

水位固态采集、存储、处理系统，及水情自动测报系统等也可使用这一数字编码D进行传输和数据处理。

四、仪器结构
WFH-2型全量机械编码水位计传感器部分由浮子感测系统和轴角编码器两部分组成。

图1为仪器全套设备及其安装。

1．浮子感测系统
包括浮子、平衡锤、悬索、水位轮等。

⑴浮子
浮子由橡塑材料制成，具有良好的耐腐性能，可在含盐度高的河口，或具有腐蚀介质的测井中，长期可靠地工件。

仪器的灵敏阈、测量准确度及稳定性直接与感测系统浮子的直径有关。

本仪器配用标准浮子直径为φ15cm，可使用至40m水位量程，φ12、φ10cm小浮子，分别使用于20、10m水位量程，80m水位量程则需配用φ20cm大浮子（加导向轮）。

直径φ12cm是基本浮子，为一PE中空吹塑件，内部装有配重，以使在平衡锤作用下，浮子浸入水中的高度达到设计要求。

浮子盖内螺纹的上方有洞穴，悬索从其上方穿进，打结，并用两把钳子拉紧后，将索结置于洞穴中，即可将浮子悬挂起来。

φ15cm浮子是在φ12cm 浮子的外圆套一个φ15cm橡胶圈而成。

φ10cm浮子是实芯橡胶体，其中间有一配重，配重上有悬吊螺钉，供固定悬索。

⑵平衡锤
用于平衡浮子和重量，使浮子悬浮于水中时，标志线在其最大外缘高度的1/2处。

⑶悬索
悬索为φ1mm多股（19股）不锈钢丝绳，质地柔软，材料为
1Cr18Ni9Ti，具有很好的抗腐性能。

⑷水位轮
为一铝合金滑轮，轮缘特别设计一“V”型槽，悬索在槽中工作，可保证在最大水位变率下不产生滑移。

水位轮工作直径为100.86mm，配装φ1mm悬索，其工作周长为32cm。

2．轴角编码器
轴角编码器包括：十六进制计数器、码轮组部件、开关组部件、支承系统、机壳、底坐和十进制计数器。

⑴十六进制计数器
本仪器的十六进制计数器采用外置进位轮间歇式传动进位机构。

这种传统的进位机构具有结构简单，使用维修方便，运行精确，工作可靠等特点。

按此结构原理设计、制造的各式各样计数器，广泛用于工业、农业、仪表、家电、军工等领域中的机械计数。

本计数器结构原理相同，只是将通常的十进制进位改为十六进制。

因此，人们均十分熟悉，技术上也容易掌握。

十六进制计数器由若干组主动计数轮、进位轮、被动计数轮及相应的支承部分和机壳等组成。

主动计数轮由拨轮和定位轮等组成。

拨轮为一在外圆上等分180°的两对针齿（单独两个齿），作为进位之用。

定位轮为一圆盘，作为下一级齿轮的定位之用，在相隔180°处各有一凹槽（齿间）。

拨轮和定位轮两轮紧挨着，且齿间相吻合。

进位轮为一小齿轮，共8个齿，其齿宽为4个长齿，4个短齿，长、短相隔。

两长齿跨在主动计数轮定位轮圆盘上，而被锁定。

短齿与被动计数轮的齿相啮合，也处于定位状态。

故主动计数轮随水位轮
在一定角度范围内正反转动，进位轮和被动计数轮均静止不动。

只是在正反转过渡中，存在着微小的正常啮合间隙（约0.4mm）。

主动计数轮旋转，直到针齿碰到进位轮短齿时，进位轮开始转动，同时把被动轮推转一个角度（两齿为22.5°，相当于2cm水位），完成计数间歇进位动作。

这时相邻的两个长齿又重新跨在主动轮的定位圆盘上，又进行定位。

重复上述过程，就可连续地计数和自动间歇进位。

涨、落水时，计数轮正、反转，工作原理相同。

被动计数轮共32个齿，相应于水位轮工作周长32cm，故水位每变化1cm，齿轮转动一齿。

主动计数轮每转一周，进位两次，即为十六进制，正符合格雷码的编码规律。

主、被动计数轮均安装在轴套上，轴套中装有精密仪表微型轴承，支承轴（不锈钢）左端有一凸台，作为仪器安装的定位面，另一伸出端安装水位轮。

支承轴也装有上述微型轴承，借轴承座固定在机壳上。

本计数器特点是支承系统制造精密，并装有微型轴承，因而摩阻力矩低，运转精确，性能稳定，工作可靠。

⑵码轮组部件
按二进制方式排列，信息量D=2n，n为码轮位数，当n=12时，可计算得相应信息量D=4096，这便是40m水位量程拥有的水位值，和码轮位数。

将12位码轮分别组合成部件，40m水位量程为：第一码轮组部件，有4位码轮；第二、三码轮组部件，各有3位码轮，第四位码轮组部件2位。

码轮组按相应部件分别安装在十六进制的主、被动计数轮的轴套
上，用并帽并紧成为一体。

码轮和码轮组的码是按照格雷码编码规律设计，和排列的一系列凸轮，各凸轮正对准着其下方开关组部件的开关。

码轮组随水位变化产生一定的角位移（模拟量），开关组各开关在凸轮作用下，产生通、断两种开关信号，即“0”和“1”一串的逻辑状态（数字量），这就是将水位模拟量转换为数字信息量的编码原理。

⑶开关组部件
与上述码轮组相对应，40m水位量程共有四个开关组，第一开关组有4个开关，第二、三开关组各有3个开关，第四开关组有2个，即开关总数为12个。

本仪器采用带滚轮的微动开关，具有作用力矩小，灵敏度好，“开”、“关”状态佳，安装精度高，工作（弹跳性能）稳定可靠，奉命长等特点。

开关组部件为轴角编码器的核心，关系到整机工作的可靠性，因此，微动开关优选国际名牌产品。

各开关组整齐地安装在印制板上，用锡焊焊牢。

从右边（水位轮）算起，其顺序是：第一开关组部件K1、K2、K3、K4；第二开关组部件K5、K6、K7；第三开关组部件K8、K9、K10。

第四开关组部件K11、K12。

输出电路接法采用反码方式：微动开关滚轮处于自由状态时，即滚轮全在编码轮的凹槽，这时开关接点全部处于常闭状态（电路导通），输出编码（高位至低位K12-K1）为“00 000 0000”，终端显示器显示水位为“0000”；当开关的滚轮全部被编码轮的凸缘压下时，开关接点全部断开，输出编码为“11 111 111 1111”，显示器显
示水位为“2730”。

当开关的滚轮从K 1至K 12逐个被顺序压下，编码输出状态和显示水位值如表1所示。

表1 编码输出状态与水位值关系 开关组 四 三 二 一 开关K 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 显示水位
H
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 3
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
7
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 15
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 31
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 63
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 127
0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 255
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 511
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1023
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2047
编 码 输 出 状 态 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4095 上述各开关编码输出状态与显示器显示水位值的对应关系，对检查编码出错大有帮助，请记住其间的关系，其规律：后一位水值为前一位乘2加1。

如第1位为1，第二位为1×2+1=3，第三位为3×2+1=7……，第12位为2047×2+1=4095。

印制板上有带状电缆印制板插座（DC3-1-14T ），用带状电缆
（AWG#28）将各开关输出脚与固定在仪器后门上的信号输出端圆形插座（X24J19A）相应各脚相连。

定义：1接1，2接2……12接接12，19接地。

见图2。

印制板插板用螺钉联结在一起，组成开关组部件。

它装进机壳导
槽时，应插到底使端部抵住槽后面的定位套，这时开关的滚轮应与其上的码轮一一对应。

转动水位轮，检查仪器工作政党后，即可将前门关上，注意前门后面的塑胶压块应压住印制板。

⑷机壳
机壳由铝合金制成，表面经良好的涂覆，具有较强的抗腐蚀性。

机壳用于安装上述各零、部件，设有前、后门，便于安装、维修。

⑸底座
为仪器的机座，座板上有四个安装孔φ4.4mm，孔距为86mm×130mm，借木螺钉M3×18（GB951-76）将仪器固定在水位计测井的木质台板上。

⑹十进制计数器
在安装和调校水位时，为便于读数，在十六进制计数器的上前方，装有一个十进制计数器，它们之间的关系是通过小模数齿轮的变速、传动，将十六进制转换为十进制，这样从机壳上窗口即可方便地读得即时水位。

五、仪器安装
本仪器的浮子直径较小，测井可采用直径较小的工业管材，因此，水位计井台整体结构简单，投资小，建造周期短。

建造测井及安装、使用仪器注意事项：
1．仪器室
安装水位传感器的工作室，因空间小，应设置恰当的通风窗，或其它完善的自然通风设施。

尽可能将井中的水蒸气排出。

在南方高温地区，仪器室屋顶应有隔热层，以免温度太高。

湿、热的环境条件，对仪器工作是秒利的。

安装水位计平台高度约0.8m，平台应安置水平，不平度应小于5°。

2．测井
根据水位量程，确定浮子直径，选用相应直径的工业管材。

管材为钢管、混凝土预制品管，临时性可采用PVC管。

当水位变幅小于10m，管材质量好，施工条件可确保管子安装垂直，可采用Φ25cm，内径管材。

这时浮子、平衡锤得与管壁距离，按浮子直径：Φ15、Φ12、Φ10cm计，分别为31.5、39、44mm。

如水位变幅大于10m，管
材质量和施工条件较差，可采用Φ30cm内径管材。

如水位量程大，各方面条件较差，可采用Φ30cm管（装浮子）和10cm管（装平衡锤）并联。

或按ISO4373《明渠水流测量水位测量设备》标准要求，选用较大管径的测井，并使浮子、平衡锤与管壁距离≥7.5cm。

在水工建筑物处，用作测井的钢管可倚墙而立，用包箍固定在墙上。

测井设置在岸边时，应有进水管与江河连通。

测井固定在河边时，应有测桥。

3．进水管
进水管口径大小应能控制井内外的水位，使井内水位在各种水流情况下均能保持江河水位相同。

一般进水管断面积应不小于测井断面积的1%，以避免井内水位产生滞后；但也不宜过大，否则，江河水面波浪，特别是过往船只引起的波涌，将使井内的水位，产生强烈的波动，这对仪器的工作十分不利。

通常波高应小于3cm为宜。

对于设立在岸上的测井，进水管应低于预计量低水位15cm，并有一定的斜度，以便于冲淤。

通航可流应在进水口周围加设保护桩、浮标等，以资保护。

结冰河流应注意测井的防冻和保温。

测井中的沉沙应定期清淤。

4．仪器安装
仪器安装程序（见图1）：
⑴在水位计测井的工作平台木板上，按井径中心画一十字线，从中心向水位计工作室门前（工作者）18.5mm点处，为Φ15cm浮子的安装位置（Φ12、Φ10cm浮子分别为26、31mm），从此点向里102mm
点处为平衡锤安装孔位置。

打2个Φ10mm。

⑵将Ф1mm钢丝绳从工作本台木板上方的平衡锤过线孔（靠里面）穿进。

⑶绳端穿入悬吊螺钉小孔，打结，用两把钢丝钳将其拉紧，将多余的钢丝绳剪断，绳结缩进Ф4mm孔，然后上紧平衡锤，并用板手板紧。

⑷将平衡锤下放到井底。

⑸钢丝绳另一端绕过水位轮，留长1～1.5m ,剪断。

⑹绳端从木板上方（前面的）浮子安装过线孔穿过。

⑺按上述方法穿法、打结、固定在浮子上。

⑻将浮子慢慢地放下测井，直到水面。

⑼调整浮子与平衡锤的平衡，并使两边的钢丝绳都处于孔的中间。

⑽将仪器底板用4个M3×18木螺钉固定在测井工作平台木板上。

⑾为了仪器工作可靠起见，再一次检查，并上紧水位轮螺钉。

⑿对水位时，两手轻轻地将钢丝绳提起，使之稍微离开水位轮，用右手食指拨转水位轮，直至与水尺水位相符，再轻轻放回钢丝绳。

应注意：本仪器的测量范围是按当地实际水位变幅设计的，用户应自己加上零点高程。

且上限不应超过仪器的测量范围（40.95m）。

5．信号传输电缆
信号转输电缆可采用专供野外电器线路工作的聚氯乙烯（PVC），屏蔽护套、安装电缆AVV型。

电缆芯数为14～16芯，其中留1～5芯
作为备用。

电缆与插头上插针的焊接，其定义见图2。

焊接顺序由高位低至低位，各焊脚应套Ф2mm塑料套管，以免断路。

六、仪器故障与检修
1．悬索（重量）转移
在中水位时，仪器运转正常，而在高（或低）水位时测井水位变化，中心站却无反应，当水位轮被拨转至任何位置时，它都能自然停止。

这种故障是浮子直径为Ф10cm，水位量程大于20m，由于高（或低）水位，悬索（重量）转移至平衡锤（或浮子）一边。

使浮子离开水面（或沉入水中），浮子平衡状态失常。

解决办法是，改用Ф15cm，或Ф12cm直径浮子，如受测井内径限制，可将Ф10cm浮子的厚度增加一倍，重新调整平衡。

2．导线断路
当水位传感器与显示器接上时，计数表显示全零，而水位显示器却显示某一数值。

这是某位码的导线断路。

此故障可从显示的数值在表1中查到断线的码道。

例如水位显示127，查表1为每二天关组，开关K7。

修理时，可打开前门，抽出开关组部件，按动微动开关K7滚轮，显示器数字仍无变化，上述故障确诊。

修理时间可借助万用表查际各焊点有无虚焊，引线是否断线，带状电缆穿刺压接导线是否接触不良等，查出原因，即可排除故障。

3．仪器在沿海地区含盐度高、湿度大的条件下长期工作，印制板插座中插针受潮，产生氧化，接触不良，引起乱码。

修理：将插头
拨出，用细砂纸去除插座中插针氧化层，然后填满油，使与空气隔离。

注：目前选用进口镀金插针，装配时用黄油密封。

4．固定螺钉松脱
中心站显示的水位与水尺读数偏差大。

这故障是水位轮哐第一码轮组部件上的固定螺钉松脱，导致水位变化不能直接推动码轮旋转。

前者可将水位轮调整至轴端铣有平槽位置，然后用起子将螺钉固紧，后者应先用右手拿住水位轮向右拉紧，左手将第一码轮组部件向左挪，同时使码轮组部件上的螺钉方向与水位轮上螺钉一致（轴端铣有平槽），最后上紧螺钉。

手试水位轮轴的轴向工作游隙应小于0.15mm。

注意：此时码轮应全部处于零状态。

5．水位轮转动力矩较大
原因的：
⑴第一码轮组部件固定螺钉松脱，产生轴向位移，并使水位轮枢轴的轴向工作游隙增大，导致进位轮啮合不好，产生进位卡紧现象。

可按上法固紧码轮组部件螺钉。

⑵仪器在运输中受到强烈撞击，进位轮与被动轮的啮合中心距变小。

可重新调整中心距至适当位置后固紧。

6．井内水体波动
由于波浪作用，井内水体波动频繁，每分钟平均达20次，一年累计为1.05×107次，达到微动开关的工作奉命。

这种测井最好能及时改造。

否则应购置微动开关备件，每年更换一次。

更换方法是用30瓦电烙铁将K1开关焊下，换下新一茁壮成长（注意焊脚应先用砂
纸将氧化膜砂去）。

第二年则应更换K1、K2，余类推。

在野外条件下，更换开关是件麻烦事，建议另购置一套开关组部作为备用，这样更换将非常快捷。

系统工程也可按此法备用，以防万一。

7．编码错乱
水位传感器的计数表固定螺钉松脱，引起“乱码”。

可将各码轮组部件和计数器全部调整至零位。

用左手食、姆指拿住计数器，中指轻抵住过桥轮，将计数器数字轮处于零位，然后使过桥轮与第一码轮组部件上的计数轮啮合，为使码轮组不松动，对零位后可用软布将其塞紧，上紧固定螺钉后再将软布拿出。

当啮合正确时，齿轮传动应很轻松。

8．仪器性能综合检测
将信号传输电缆一端接水位传感器信号输出的圆形插座；另一端接水位显示器（或系统输入部分）的信号输入插座。

注意插接应牢靠。

用手缓慢地盘转水位轮，模拟水位变化。

水位轮传速不得大于每秒一转。

水位传感器编的码，在水位传感器内部经齿轮变速。

转换成十进制数，显示于计数器上；水位显示器接收到水位传感器输出的码，经处理后，在显示屏上显示。

两者显示的数值应一致。

为认证水位传感器码盘编码及其与开关的配合，齿轮啮合、传动、进位、计数等装配的正确性，可检测以下有代表性和特征数值：
⑴码盘安装位置、角度及其与开关装配关系的正确性
1、3、7、15、31、63、127、255、511、1023、2047、4095；
然后再反转检查。

⑵码轮组进位正确性
15→16、31→32、63→64、127→128、255→256、511→512→1023 →1024、2047→2048；然后再反转检查。

⑶齿轮啮合、传动、进位、计数的正确性
以上检测数字准确无误，手盘转水位轮也很轻松，无阻滞感，
则表明仪器性能综合检测符合要求。

七、水位传感器全套设备
1.水位传感器编码组件（10337·1，水位轮支部件另装） 1 套
2.水位轮支部件（10337·1·10·1，上装有二个螺钉） 1 件
3.浮子支部件（10337·1·10·2，Ф15cm，或按订货规格） 1件
4.悬索（Ф1mm不锈钢丝绳，长12m，或按订货长度） 1件
5.平衡锤（顶部装有悬吊螺钉） 1件
6.圆形插头（X24J19A） 1件
7.圆柱头木螺钉（M3×18,GB951-76） 1件
8.产品使用说明书 1份
9.产品检验合格证 1份
附：安装示意图：。