高精度水位水文遥测系统研究与应用

高精度水位水文遥测系统研究与应用

作者：王现军刘庆卫颜磊张虎

来源：《中国科技纵横》2013年第16期

【摘要】矿山水文地质状况既有其规律性，又存在较大的动态变化性，而矿山水文钻孔时刻反映着矿山的动态水文状况。本文介绍了一种“高精度水位水文遥测系统”的主要系统组成及工作原理，详细说明了系统功能、系统安装、调整方法。

【关键词】水文遥测功能

为保证矿山的安全开采，防止水害，在矿井井田范围内，建立了许多水文地质钻孔，以便观测各含水层水位随气候、季节、采动的变化，加强防治水工作。

1 系统组成及工作原理

系统主要包括现场和监测中心两大部分，现场的每个钻孔均设有水位传感器、水温传感器、钢丝电缆、遥测仪、蓄电池、太阳能电池板（可选件），而监测中心只设有报警仪和微机，集中监视每个钻孔发送来的水位、水温数据。遥测仪及报警仪内均装有手机模块，它们利用公共移动通信网络的短信功能实现通信。同普通手机一样，每个手机模块都需配置SIM 卡，分配一手机号码。

水位传感器和水温传感器均放入水下一定深度，根据水中某点的压力与水深成正比的原理（P=ρH），水位传感器的输出反映了H的大小，由于钢丝电缆长期吊挂不拉伸，保证L不变，所以水面到孔口的距离等于L-H。传感器的输出信号经钢丝电缆传输到遥测仪，由遥测仪测量其大小并变换成水位值。

水文地质钻孔分布于野外，供电较困难，故采用太阳能电池板产生电能。白天产生的电能首先存入蓄电池，然后再提供给遥测仪。由于遥测仪功耗极低，且蓄电池容量大、漏电少，即使不用太阳能充电，蓄电池的电量也能保证工作半年以上。为降低功耗，遥测仪采用定时上电工作方式，每当定时时间到时，遥测仪上电工作，测量水位、水温，并计算水位的变化，如果变化超过存储下限值，就存储水位数据和当时的时间；如变化小于存储下限值，则不存储，存储下限值可以设置。这样一来，既可得到水位变化曲线，又可减少手机短信息的发送量。每当存储的水位数据达到11个时，自动发送到监测中心的报警仪。另外，遥测仪还计算水位变化速度，并将水位和水位变化速度与各自报警上下限比较，如出现水位超限、水位变化速度超限时，则立即发送报警短信，令监测中心的报警仪立即进行声光报警。为防止人为破坏，现场安装有振动传感器，一旦遭破坏时，也立即发送报警短信，令监测中心立即进行声光报警。

监测中心的报警仪不断查询其内部手机模块的短信情况，如发现新短信，则提取水位、水温数据并保存，如短信中含有报警信息，则进行声光报警。报警仪循环显示各钻孔的最新水位

标高。微机通过RS232串行口与报警仪通信，操作微机可以读取报警仪存储的水位、水温数据，实现永久保存，并显示、打印报表和曲线。通过微机还可将各钻孔的手机号码送给报警仪，以便报警仪剔除非遥测仪的短信。

初次安装时，为启动遥测仪正常工作，必须用专用设置器设置时间、定时间隔、短信中心号码、监测中心手机模块号码等参数，只要将设置插头插到专用设置器的插座上，就可操作设置器完成对遥测仪的设置。遥测仪参数在初始设置以后还可通过监测中心的微机远程修改。

2 现场的安装方法

2.1 孔口装置的安装

孔口装置内设一挂钩，将钢丝电缆做一水手扣，挂到挂钩上，就达到了固定钢丝电缆和仪器的目的，方便可靠。孔口装置的外观和原孔相似，无异常。为防止仪器被盗，孔口装置的盖上设有防盗锁，用专用钥匙开启。为防止破坏，孔口内安装有振动传感器。如有人破坏时，必然引起振动，这一振动被振动传感器检测到后，就会引起监测中心报警。如立即赶赴现场，就可阻止破坏活动。

孔口装置的安装方法有两种：一是将孔口装置丝口与原孔口相配，直接拧上即可；二是将孔口装置焊接到原孔口上。

2.2 水位传感器的标定方法

通常情况下，水位传感器出厂前要进行标定，由于水位传感器精度较高，需要精度更高的标定压力表，价格昂贵；另外，遥测仪进行压力至水位转换时，水的密度选用1，但钻孔水的实际密度可能存在偏差，因此采用现场标定的方法，具体步骤如下：

（1）测量水位埋深。连好钢丝电缆和遥测仪的连接插头，将遥测仪的设置插头插到设置器的插座上，按“标定” 键进行传感器标定，这时屏幕上行显示：“标定量程（mm）：”，这要求输入水位传感器的标定量程（对于50米量程的水位传感器，标定40米即可），输入时采用的单位为毫米，输完后，按“确认”键，则屏幕上行显示：“标定间隔（mm）：”，要求输入标定间隔（一般5米），输完后，按“确认”键，屏幕显示水位传感器应放在水下的深度及水位传感器的输出电压，我们缓慢下放水位传感器，记住下放深度，当水位传感器的输出电压明显变化（或听到水位传感器接触水面的响声）时，说明水位传感器已到水面，这时的下放深度即为水位埋深，记住此数。

（2）以水面为起点，在电缆上做一标记（零点标记），继续下放电缆，每当下放长度等于标定间隔（一般5米）时，在电缆上再做标记，直至水位传感器下放到屏幕指定的位置（即传感器标定量程），待水位传感器的输出电压稳定后，按“确认”键，屏幕显示水位传感器应放在水下的下一位置，上提水位传感器到指定位置（以标记为准），待水位传感器的输出电压稳

定后，按“确认”键，继续上提水位传感器并测量其输出电压，……直到水位传感器露出水面，返回主窗口。

（3）下放水位传感器。下放深度视当时的水位变化情况决定，但必须保证在水位传感器的量程范围内。如果水位在上升，则可下放浅一些，约10米左右；如果水位在下降，则可下放深一些，约30米左右。下放水位传感器时，按“实测”功能键，观察水位传感器的读数（即水位传感器在水下的深度），当水位传感器下到水下选定深度后，将钢丝电缆做一水手扣，挂到挂钩上即可。然后读取水位传感器的读数，并与前面测的水位埋深相加，即可得到水位传感器埋深，按“取消”键，返回主窗口。按动“参数”键，进行遥测仪的参数设置，输入传感器埋深及其余的所有参数。按动“时间”键，设置遥测仪时间。

3 结语

随着微电子技术、计算机技术、空间技术以及其他新技术的广泛应用，水文遥测系统正向多测站、多参数、多制式、多通道（特别是利用卫星）、多功能（与其他系统联网）、全自动、低功耗、高精度、长周期和程序包（应用软件）等方向发展。逐步发展与水文资料的收集、整编、存贮、检索、分配等多种技术功能相结合，构成以计算机为中心的实时、联机、自动化的水文遥测系统，以适应多方面对水文信息的需要。