引言    隨著城市人民生活和工業生產用水的不斷增加,天然條件下的水資源(地表水體或泉水)遠不能滿足人門對水的需求,于是人門便主動開采地下水.由于對地下水資源持續強烈的開采,索取量超過了自然界水系統正常的水循環所能維持的供水功能,因而各水源地相繼出現了地下水位下降,市區地面沉降,地裂縫等環境地質日益惡化的現象。

 

  由于城市地下水開采多集中在深部承壓含水系統,取用承壓含水系統中地下水,水壓下降導致含水界質壓密,而且粘土的壓密又是不可逆的,因此抽取承壓含水系統的地下水會產生地面沉降是不可逆的.要有效的控制地面沉降,就得對地下水的采集進行有效控制,所以對地下水位的監測顯得十分重要. 目前城市地下水位測量的方法遠遠落后于社會發展的需要,其大多采用人工向井中投入雙股導線,然后再測量其電阻的方法.這種方法不但工效低,而且測量周期長.本文介紹了一種用壓阻式液位傳感器來測量井下水位的方法,同時對測量數據的傳輸和分析進行了較詳細地討論.

 

  1 測量方法    該系統采用中美合資麥克傳感器有限公司生產的壓阻式液位傳感器.這種傳感器體積小,安裝維護較方便,其抗振動沖擊性能也相當好。

 

  它采用高穩定性的OEM表壓傳感器,將其裝入一個不銹鋼殼體內,鋼體頂部有一鋼帽能起到保護傳感器膜片的作用,同時又能使水通暢地圖1 測量方法示意圖 接觸到膜片,輸出信號通過防水電纜與傳感器外殼密封連接.該傳感器是為連續投入水中使用而設計的,工作溫度范圍寬,穩定性良好.對水而言其量程為1～200m,精度(非線性+遲滯+重復性)為0.3%FS,完全可以滿足測井的要求.采用液位傳感器測量井口地面到井下水面高度的方法如圖1所示.圖中傳感器頭到井口地面的高度H為已知(安裝傳感器時應準確測量),傳感器頭到水面的高度h從傳感器 的輸出直流電壓中測得,那么從井口地面到井下水面的高度 就是X=H-h. 液位傳感器在深井中安裝時,一般用插鋼管的方法,鋼管內徑在45mm左右,鋼管的不同高度打上若干個小孔,以便水通暢進入管內.

 

  2 系統電路設計    由于城市中各水井位置分布比較分散,測量人員每天前去采集數據是一件十分辛苦的工作.該系統可以將各水井所測得的數據通過市話線路定時傳送到水位監測中心,再由監測中心的計算機對收到的數據進行分析記錄,并可建立水位狀態數據庫.整個系統的結構框圖如圖2.

  2.1 液位傳感器輸出信號的處理和傳輸     液位傳感器輸出為一直流電壓信號,對該信號的處理及傳輸電路如圖3所示.該信號通過一個12位A/D轉換器ADC1210將直流電壓信號轉換為數字信號.由于ADC1210為12位A/D轉換器,其輸出結果是12位數據,單片機不能一次讀完,所以在單片機和A/D轉換器之間增加兩個單向數據驅動器74LS244,使A/D轉換結果分成兩次來讀,先讀Q0～Q7低八位,然后再讀Q8～Q11高四位.A/D1210的啟動信號由P3.0提供,時鐘由單片機ALE信號分頻得到,轉換結束信號接到P3.2上供單片機查詢.將A/D轉換后的數據通過關系式X=H-h進行換算后存入單片機的內存中.單片機的功能之一是完成A/D轉換的控制,另一個主要功能是控制雙音多頻編碼器IC508將所測得的水位數據通過市話線路傳送到水位監測中心的計算機中.單片機和雙音多頻編碼器之間也用兩片74LS244連接,通過地址譯碼器來選通不同的芯片,配合單片機輸出數據信號就可以完成對由三極管組成的多路電子開關的開閉控制。

  雙音頻編碼芯片ICM508的輸入是一個四行三列的矩陣單元,它是通過按鍵接通某行與某列來完成一位十進制數的輸入.編碼器芯片的輸出產生雙音頻信號,不同十進制數輸入會有不同的雙音頻信號輸出,雙音頻信號可以在市話線上傳輸.

 

  現在通過單片機輸出控制一組由三極管組成的電子開關,由電子開關代替按鍵功能完成數據輸入.例如:要傳輸十進制數據0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,單片機依次輸出接通雙音頻編碼器輸入數字按鍵0,1,2,3,4,5,6,7,8,9對圖4 傳輸數據的格式應的電子開關的控制信號,則該組數據經雙音多頻編碼器轉換為雙音頻信號. 雙音多頻編碼器在單片機控制下,定時“撥通”水位監測中心電話號碼,在水位監測中心計算機應答并“摘機”的情況下,通過這條已接通的電話線路,將所測的水位數據,經 過雙音多頻編碼器編碼后傳送到監控中心. 要傳輸的數據格式為:數據長度為10位十進制數,其中高四位為井號編碼,低六位為所測量的水井水位數據,水位數據分整數和小數兩部分.數據傳輸的方向是從高位到底位.數據格式如圖4所示.

  2.2 數據的接收和分析    監測中心室的計算機在接收到各測井站發來的呼叫信號時,像普通電話一樣,可以“摘機”應答,同時準備接收對方發回的測量數據.由于測量數據以雙音多頻信號的形式在市話網上傳輸的,故在接收端應先將雙音多頻信號進行還原,即進行解碼.用雙音多頻解碼器,芯片為MT8870完成解碼功能,把測井方發回的雙音多頻信號經過解碼后還原為十進制數.監測中心計算機讀入這樣一組解碼后的數據,根據事先約定的數據傳輸格式,判斷是幾號井發回的數據,并對這些數據進行記錄.根據數據記錄,可以建立某個城市的地下水位數據庫,可以和歷史城市地下水位監測系統水位數據進行比較,對超量采水的水井采取必要的措施.

 

  3 結束語    地下水位監測系統,為一個單向定時測量系統.必要時可以完善其功能,實現實時測量.數據以數字信號形式采用市話網進行傳輸,安全可靠.不足之處是液位傳感器成本較高。