屠胜，罗咏涛，彭剑

(四川雅安水文水资源勘测局，四川雅安，625000)

1 应用站点概况

多营坪水文站位于雅安市雨城区多营镇，东经102°57′，北纬30°00′，集水面积8777km2，由原西康省水利局水文分站设立于1955年5月。该站系青衣江中上游重要控制站，国家一类基本水文站，测验项目主要有：水位、流量、降水、蒸发、单沙、输沙、颗分、比降、水温和水质等。

多营坪水文站担负着青衣江沿江重要城镇防汛保安重责，又肩负着为流域水能资源开发、优化电站运行调度，为雅安城市水生态系统、水资源可持续利用和人居环境改善提供技术支撑服务功能，地位和作用十分重要。

2 简化思路

受四川芦山“4.20”大地震影响，多营坪站水文设施设备震毁严重，尤其是水文测流缆道几乎处于瘫痪状态。为了实现水文多功能升级，雅安水文局多次邀请长江重庆康禹水资源开发有限公司到现场设计，经各方专家论证，选定“ELD-3B型智能水文缆道”为多营坪站水文缆道升级及恢复性重建方案。

经过“ELD-3B型智能水文缆道”几年的运行来看，其结果是减轻了劳动强度，提高了测报质量。但水文站特殊性及电子产品本身具有使用率低、出现故障机率高的属性。此外还存在一次性投资大、运行成本高、维护难度大的情况。一个小元件损坏就换“总程”，造成很大的浪费。

智能水文测验系统由测量前置仪器、设备主机、手动操作台、水下信号源等组成，运行原理见图1。按目前电子技术发展速度，完全可以将测量前置仪器、手动操作台功能等集成到计算机内，让计算机的超强功能有“用武之地”，这样可以节约成本2/3。再有计算机为普及型设备，成本已非常低，性能非常稳定。智能水文测验系统设计思路应以计算机功能为主，辅以很小的外围电路，完成大动作，推动智能水文测验系统的跨越式进步。水文科研人员提出设计方案，对于水文测验用小软件可组织内部人员编写，也可以向软件开发商购买。

图1 智能水文测验系统运行原理示意

3 电路原理

在水文测站上，本文只介绍“信号发生器”电路的改进，“信号发生器”组件如图2所示。内部电路图太复杂，维护难度大。由于水下信号源远离缆道控制台，测站附近不存在大功率射频源和超高送变电线路等干扰源，又工作在水下。水流波、泥沙波干扰很小，推移质、河底“地电压”干扰波是存在的，所以水下信号源必须用防水不锈筒封闭，防水和屏蔽杂波干扰。故水下信号源完全可以简化成图3所示的电路，降低成本，节约开支，便于维护。

图注：1为外型；2为信号源组件；3为不锈钢筒

图3 “信号发生器”电路原理示意

采用一片6反相器数字集成电路74HCU04组成。可同输出矩形波、3角波、正弦波3种信号替代原水下信号源3种信号波。电路非常简单，易损件74HCU04可制成插槽式，方便维护。信号频率在10Hz～1MHz连续可调。P1、P2、C1/1uF组成积分器，以生成3角形波；P3、P4、P5、P6、R2/3.3K、R3/10K组成施密特电路，当把施密特电路的输出信号通过R1/4.7K和RP1/100K反馈至积分器输入端时，就组成一个方波振荡器，输出矩形波，调整RP1可改变振荡频率。P7为地，P14为电源端+5V。P2输出经C2/100uF、C3/100uF、R4/1.5K、RP2/10K/R5/15K、P12、P13、D1、D3、C4/10uF、R6/4.7K、D2、D4组成正弦波振荡器，输出正弦波。本电路主要特点是施密特电路的典型应用。

施密特触发器是包含正回授的比较器电路。它也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持，对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，有不同的阈值电压。施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形，而且由于施密特触发器具有滞回特性，所以可用于抗干扰，其应用包括在开回路配置中用于抗干扰，以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。对RP1/100K和RP2/10K，试用中调到最佳位置时，可用固定电阻代替，降低故障率。对于水深较浅的小河水文站，常用测深杆测深，不用水面、河底信号，电路就更简单易行了。如图4所示。

图4 “信号发生器”简易电路原理示意

用555时基IC组成的锯齿波发生器电路，利用晶体管Q1给电容器C1/0.1uF恒流充电，当C1/0.1uF上电压达到2/3电源电压时，时基IC被触发，电容器C1/0.1uF两端产生频率约1.5kHZ的锯齿波。

试用中发现，电容器C1/0.1uF的品质会影响锯齿波的线性。若采用积层陶瓷电容器，锯齿波的线性变差；而选用聚脂薄膜电容器，锯齿波的线性就很好，流速仪信号传输更加稳定。电路中电阻R1/2.4K、R2/2.4K、R3/6.2K、R4/1K，电路中电容C2/0.1uF、C3/0.01uF。电路中Q1用高频PNP管，D1用高频二极管就可以了。

4 安装实例

按照《水文缆道操作规程》，由技术人员去操作缆道控制平台。将铅鱼开回到铅鱼平台上，停放高度以更换水下信号源方便为宜，待铅鱼放置平稳后进行操作。打开铅鱼仪器仓，取出原水下信号源防水不锈钢筒，卸下两端盖圈，取出原信号源电路板。就可以看到原信号源电路板电路非常复杂，还是双面印刷电路，多为贴片元件，一有故障，只有整体换新。从原水下信号源装置上焊下复杂的电路板，将改进信号源电路板按电源正、负对应接入原接线柱上，3种信号波输出线与原3种信号波输出线对应接入，检查无误后试测，如果效果差，3种信号线可以互换后再试测。试测中水文缆道测流分“无线”和“有线”两种基本方式，各有所长。

第一种无线测流方式。信号源天线经绝缘子上方循环绳回到测量前置仪器正极接线端。信号源地端经水体、大地、引入地线回到测量前置仪器负极接线端。试运行期间“无线”信号经水、大地回路，虽然有河底地电压干扰源，但“HLX-3T水文测控仪”仍然能够解调出“流速信号”。随着水电开发提速，各类干扰源幅度加大，水作为载体的“无线”传输方式在ELD-3B型智能水文缆道上无法正常使用。图5为无线测流工作原理示意图，改进方法：铅鱼与钢丝绳用瓷绝缘子作绝缘连接。水下信号源密封装入特制的铅鱼体内，连同铅鱼一起放入水中，干扰信号大幅衰减。信号源的输出更加稳定。这时将信号源天线接瓷绝缘子上端钢丝绳，一根接流速仪的绝缘接线柱，当接触丝未与流速仪齿轮接通时，漏电流是存在的；当接触丝与齿轮接通之后，工作电流大于漏电流，“HLX-3T水文测控仪”从这变化的电流中解调出工作信号，完成测流任务。

图5 无线测流工作原理示意

第二种有线测流方式。方法简单易行，测流工作原理如图6所示。信号源正极引线经副缆道绳回到测量前置仪器正极接线端；信号源地端经循回绳回到测量前置仪器负极接线端。缺点是缆道拉偏绳与副缆道绳是通过动滑轮连接的。滑轮、钢绳生锈导致接触不良，时间长了就得空载循回，让其滑轮与钢绳之间接触良好才能正常测流。为了克服这一缺点，可采用循回绳用铜芯线钢绳，水下信号源正输出信号经钢绳内置铜芯线接测量前置仪器正极接线端子，信号源地端经循回钢绳回到测量前置仪器负极接线端子。经上述简单措施，试测效果达到要求。

图6 有线测流工作原理示意

5 效益分析

经测试，得到了出人意料的效果。水文自动测验系统设计必须要结合所在流域的气象条件、自然地理环境、现有计算机资源、当地供电状况等具体实情，因地制宜选择设计方案，以保证水文测验系统的实用性、可靠性和经济性(大型电子设备四台，用了很少功能)。作为电子产品，没有“一步到位，只有天天更新”，否则“一厢情愿”。看到新的电子产品，成本低，性能优，效果好，想用但现有设备投资规模大，弃之可惜。对于新电子产品只能望洋兴叹，能说不是一种“过失”吗？