智永明，刘建华，魏 广

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

一体化遥测水位计工业设计探讨

智永明1，2，刘建华1，2，魏 广2，3

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

水文仪器的主要使用特点是全部或部分在水下长期工作，且要不受影响地连续测得可靠的水文数据，稳定性能要求相当高。近年水文仪器也在向传感器化、智能化、集成化、网络化等自动测站方向发展，对水文仪器的工业设计提出更高要求。工业设计的内容很庞杂，水文仪器的工程易用性设计是研究的目的，通过一体化遥测水位计的设计改进，如可拆装式结构、防水线缆插头设计等，探讨在保证可靠性的前提下，提升产品的工程易用性设计水平，通过野外安装试验，设计改进达到设计预期，可以满足野外使用要求。

一体化遥测水位计；工业设计；陶瓷电容式压力传感单元；通气管电缆；防水活动接头

0 引言

水文仪器主要在野外使用，有些仪器直接暴露在野外，如雨量计、缆道、船测设备等；有些仪器在简单保护房（箱、测井）内工作，如水位计等；一些长期自动运行的仪器，他们的传感器部分安装在水边或水下，通过信号电缆将信号传送到岸边水文站房或地面上测井内传输记录设备，信号电缆可能长达几十或数百米，这些电缆的安装面临很多困难，如屏蔽、防水、抗拉强度等[1]。国外产品在外观、可靠性、集成化、易用性等设计方面均领先国内产品，近年来国内产品的工业设计水平也在不断提升，外观、可靠性设计等方面已大幅缩小了与国外的差距，但集成化、易用性设计方面还存在较大差距，为此结合一体化遥测水位计使用要求，在产品的易用性设计方面进行探讨。

1 一体化遥测水位计工业设计

1.1 需求简介

一体化遥测水位计由压力水位计（传感器）、数据采集仪（终端机）、防水信号电缆（分含通气管和不含通气管 2 类）等附件组成，可用于江河、湖泊、水库、明渠及地下水等天然水体的水位和温度的自动监测，数据可通过 GPRS 远程传送到数据中心，实现地下水水位、温度的远程自动监测。

一体化遥测水位计是一个集成整体，采用专用线缆吊挂在井中水下。自带内置电源（电池），具有长期固态存储、自动测温（也用于压力测深自动修正）、标准输出接口功能和模式，可以读取存储数据和连接数传仪遥测，产品功能完整、性能稳定、准确性高、抗干扰性强、应用方便，可以用于不同井径、所有埋深的监测。在地下水超采区等特殊类型区布设和需要自动测量水温，以及布设在地处偏远地区、电源维护成本高的测站，适合安装此类产品。

由于所采用的地下水监测井为专用井，日水位变化不大，所以对单一的监测地下水而言，如具有召测功能会增加电源功耗，使电源维护成本增加，一般不建议采用这些功能；如地下水监测信息与降水、土壤墒情等共用一个 RTU 传输数据，则可以具有召测功能[2]。

1.2 设计方案

1.2.1 主要技术指标

仪器分辨力：1.0 或 0.1 cm；

基本误差：在10 m 变幅范围内，≤± 2 cm，超过 10 m 水位变幅时，不大于 ± 2‰ 水位变幅；

重复性误差：≤± 1 cm；

时间漂移：≤±1 cm/10 d（水温变化≤± 3 ℃）；

温度漂移：≤± 1 cm（水温变化 4～40 ℃）；功耗：正常工作条件下（1 d 测量 6 次，发送1 次），工作周期应不小于 24个月（注：约定电池实际容量为电池标称容量的 60%）；

接口：RS-485；固态存储：16 MB（存储记录数据不小于 400 d（每日记录数据不小于 6 次）；

计时误差：不大于 10 s（10 d）；传感器线缆规格：6 芯 7 × 0.2 mm 多股镀锡铜线（带通气管）；

水位计外壳材料：316 L 不锈钢；

防护等级：水下部分为IP68，井内部分为IP67，地面设备为IP55；

通信规约：符合 SL 651—2014《水文监测数据通信规约》及《国家地下水监测工程（水利部分）监测数据通信报文与数据库数据采集库表规定》相关规范的要求。

1.2.2 压力式水位计工作原理

通过测量水下某一固定点处的静水压强，再根据水体容重，得到该固定点水深，从而得到当时的水位[3]。地下水体的水面暴露在大气中的自由水面，水面上承受着大气压强 P气，所以水下测点测到的总压强 P总是测量点以上水柱高度 h 形成的静水压强P静加上水体表面的大气压强 P气之和。测量原理如图1所示。

图1 压力传感器测量原理

换算成测量点以上水柱高度 h（即测点水深）时，用 P总减 P气，或者应用补偿方式自动减掉 P气，得到 P静，则：

式中：γ 为水体容重。

根据公式（1）可以推算得测点水深，从而可以推算出对应的水位值。

水体容重 γ 一般以 1 g/cm3计算，但要精确测量时，需要考虑进行温度、盐度、含沙量等密度修正。水温从 4 ℃ 变化到 45 ℃，密度从 1.00 g/cm3变化到约 0.99 g/cm3，对水位误差的影响应该加以考虑。

常用的压力传感器有固态压阻式和陶瓷电容式2种。固态压阻式压力传感器在硅基片上集成烧结一组电阻，组成惠斯登全电桥，电桥基片受到压力，产生形变，电桥失去平衡，输出 1个对应于压力大小的电信号；陶瓷电容压力传感器利用陶瓷电容稳定的压力电容关系测量压力，具有测量精度高，性能稳定等特点，且量程可以小到 500 Pa，抗过载能力可达量程的 200 倍，可彻底解决其它类型传感器没有小量程及在小量程时过载能力差的缺点。

压力传感器分为差压式和绝压式传感器 2种，差压式压力传感器使用通气防水电缆自动减掉大气压强，此电缆内部有一通气管，将大气压力引入差压式压力传感器的背水面，使得压力传感器的迎水面只测得测点静水压强。绝压式压力传感器不使用通气电缆，需要同时测量水面上大气压强 P气，再从传感器测得的 P总中减去 P气，得到 P静。

1.2.3 防水信号电缆

防水信号电缆为混合型电缆，长期工作于野外的观测井中，所用材料必须是防水、防潮、防腐、防晒等耐候性优异的材料。6 芯线的设计包括信号线和电源线，通气管选用尼龙材质，保证通气性能优良；排流线设计是为了防雷击；聚酯铝带设计主要起屏蔽作用，减小外界干扰；高强度抗拉纤维设计，主要增强电缆的抗拉性，同时不要增加太多重量。防水信号电缆的典型结构如图2所示。

图2 防水信号电缆（含通气管）截面示意图

1.2.4 陶瓷压力传感单元

陶瓷电容式压力传感单元通常采用双电容结构，在陶瓷膜片上同时烧结 2个电容，一个是参考电容，以消除温度对传感器输出的影响；另一个是测量压力的电容，由测压陶瓷膜片和固定电极组成，当陶瓷膜片受压变形后，两电容极板间距随之改变，电容也发生相应变化，高性能陶瓷材料的性能稳定，蠕变、时间和温度漂移都很小[3]，陶瓷电容压力传感单元输出信号强，不需过多放大，受外界干扰小，性能稳定、耐用[4]。图3 为一款陶瓷电容压力式传感单元结构示意图。

图3 一款陶瓷电容压力式传感单元结构示意图

1.3 易用性设计创新点

1.3.1 压力水位计的拆装式结构设计

市场上有些压力水位计基于防水封装的考虑，采用灌注的方式，基本为不可拆结构，示意图如图4所示，缺点：传感器有故障需要维护时，因结构不可拆，修理基本不可能，只能更换新的压力传感器，增加了用户的使用成本。

图4 压力水位计灌胶示意图

针对灌胶式压力水位计的不足，设计拆装式压力水位计，不同零件间采用螺纹结构连接，方便拆装，防水采用 O 型圈，这样当传感器有故障时，可快速拆装，方便维修，最大限度降低用户使用成本，提高了产品的竞争力，结构示意图如图5所示。主要安装步骤如下：1）将不锈钢透水帽拧入压力传感单元下部的螺纹；2）将不锈钢安装骨架拧入压力传感单元上部的螺纹；3）在不锈钢安装骨架上安装印制板组件；4）将压力传感单元的电缆焊接在印制板组件上；5）将 6 芯插座拧入不锈钢安装骨架上部；6）将 6 芯插座的电缆焊接在印制板组件上；7）在相关位置安装 O 型圈；8）将不锈钢护管从不锈钢安装骨架上部套入并拧入不锈钢安装骨架的上部螺纹，快速实现传感器组装。

图5 拆装式压力水位计结构示意图

1.3.2 防水信号电缆与压力水位计（数据采集器）连接的插拔式结构设计

防水信号电缆与压力水位计的连接通常采用焊接方式，连接示意图如图6所示，这种方式的缺点为传感器发生故障时，只能送回工厂进行维护，同时防水信号电缆也只能一起寄回，因现场无法操作。这样既会造成用户维护时间的增加，也增加了厂家维护成本，维修期间厂家需要提供备用产品以保证系统正常监测不受影响，而带定长电缆的传感器成套产品成本是高昂的。

防水信号电缆与数据采集仪的连接通常采用螺钉压接方式，连接示意图如图7所示，这种方式的缺点如下：当防水信号电缆发生故障需要更换时，需要在现场打开数据采集仪，拧松接线端子的螺钉取出信号线，现场操作环境恶劣，不当操作有可能会损坏数据采集仪，增加了数据采集仪的损坏故障率。

图6 焊接连接方式示意图

图7 螺钉压接连接方式示意图

针对目前防水信号电缆与压力水位计（数据采集仪）连接方式的不足，设计了防水线缆接插件插头（ZL201520467392.2），结构如图8所示，实现了防水信号电缆与压力水位计（数据采集仪）的快速活动连接，方便安装维护，现场操作快速方便，提高了现场故障维护速度。防水线缆接插件插头主要加工步骤如下：1）根据用户需要裁剪防水信号电缆长度；2）将不锈钢锁紧护管、不锈钢压紧螺母、压紧橡胶圈、不锈钢接线座等依次穿入电缆；3）拨开电缆头，将信号线按线序焊接 6 芯插头；4）固定6 芯插头，将不锈钢接线座拧入 6 芯插头螺纹；5）拧紧压线板螺钉，压紧防水电缆；6）将压紧橡胶圈压入不锈钢接线座，拧入不锈钢压紧螺母，挤压橡胶圈，压紧防水电缆，完成防水线缆接插件插头。

防水信号电缆与压力水位计及数据采集仪的插拔式连接分别如图9 和 10所示，具体连接步骤如下：1）将防水信号电缆接插件的 6 芯插头插入压力水位计（数据采集仪）的 6 芯插座；2）将不锈钢锁紧护管拧入压力水位计（数据采集仪）上的螺纹，两步即可实现快速连接。

1.4 实际使用情况

一体化遥测水位计小批量试制 4 套，野外试验已累计 20个月，线缆活动防水连接件密封性能优良，现场操作快捷灵活，维护使用方便，传感器结构拆装可靠，便于器件维护更换，仪器测试精度达到设计指标。测试中发现有数据丢包现象发生，经确认属软件编程问题，现已更正，总之，一体化遥测水位计的设计创新改进，达到设计预期，仪器的可靠性符合水文仪器要求，后续还将继续开展相关研究，以期进一步完善产品。

图8 防水线缆插拔式插头

图9 防水信号电缆、压力水位计的插拔式连接示意图

图10 防水信号电缆、数据采集仪的插拔式连接示意图

2 结语

通过一体化遥测水位计在易用性方面的改进设计，说明在国产水文仪器的工业设计水平方面尽管目前与国外先进水平还有明显差距，但应正视不足，积极赶超，在产品的细节设计方面，针对使用需求，认真规划设计方案，通过点滴创新，不断累积国产产品的竞争力。

水文仪器工业设计方面的改进和创新应该在保证可靠性的前提下开展，针对一体化遥测水位计的设计改进，通过野外试验，证明可以满足野外使用条件。水文仪器的工业设计是个大课题，本研究仅仅是开始，未来除继续在产品的结构设计方面探讨外，还将在产品集成化、智能化、免维护设计等方面加强探讨，全面提升国产水文仪器工业设计水平。

[1] 姚永熙. 水文仪器与水利水文自动化[M]. 南京：河海大学出版社，2001.

[2] 章树安，褚洪斌，杨建青，等. 国家地下水监测工程可行性研究报告[R]. 北京：国家发展和改革委员会，2014.

[3] 姚永熙，章树安，杨建青. 地下水信息采集与传输应用技术[M]. 南京：河海大学出版社，2011 .

[4] 姚永熙，杨汉塘. 水文仪器研究与设计[M]. 南京：河海大学出版社，2011.

Discussion on industrial design of integrated telemetering water level

ZHI Yongming1,2, LIU Jianhua1,2, WEI Guang2,3
(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012,China; 2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 3. Jiangsu Naiwch Corporation, Nanjing 210012, China)

The main use of hydrological instruments is characterized by full or partial long-term work in the water, but also reliable hydrological data is continuously measured without affected. Hydrological instrument stability requirements are quite high. In recent years, hydrological instruments are also developed to the intelligent sensor, integration, network and other automatic station direction. It puts forward higher requirements for industrial design of the hydrological instruments. The industrial design content is very complex. The purpose of this study is the engineering usability design of hydrological instruments. Through design improvements of the integration telemetry water level gauge, such as design of removable structure and waterproof cable plug, the article enhances the product usability design level on the premise of guarantee reliability. Through the field installation test, design improvements meet the design expectations, and field requirements.

integrated telemetry level indicator; industrial design; ceramic capacitive pressure sensor; tube cable; waterproof connector

P335

A

1674-9405(2017)01-0044-05

10.19364/j.1674-9405.2017.01.011

2016-10-18

智永明（1966-），男，山西晋中人，高级工程师，主要研究方向：水文水资源自动监测技术、水文仪器检定试验装备等。