引言    隨著城市人民生活和工業(yè)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(xù)強烈的開采,索取量超過了自然界水系統(tǒng)正常的水循環(huán)所能維持的供水功能,因而各水源地相繼出現(xiàn)了地下水位下降,市區(qū)地面沉降,地裂縫等環(huán)境地質日益惡化的現(xiàn)象。

 

  由于城市地下水開采多集中在深部承壓含水系統(tǒng),取用承壓含水系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)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(fā)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(shù)據的傳輸和分析進行了較詳細地討論.

 

  1 測量方法    該系統(tǒng)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(wěn)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(xù)投入水中使用而設計的,工作溫度范圍寬,穩(wěn)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(tǒng)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(shù)據是一件十分辛苦的工作.該系統(tǒng)可以將各水井所測得的數(shù)據通過市話線路定時傳送到水位監(jiān)測中心,再由監(jiān)測中心的計算機對收到的數(shù)據進行分析記錄,并可建立水位狀態(tài)數(shù)據庫.整個系統(tǒng)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(shù)字信號.由于ADC1210為12位A/D轉換器,其輸出結果是12位數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)據通過市話線路傳送到水位監(jiān)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(shù)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(shù)的輸入.編碼器芯片的輸出產生雙音頻信號,不同十進制數(shù)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(xiàn)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(shù)據輸入.例如:要傳輸十進制數(shù)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(shù)字按鍵0,1,2,3,4,5,6,7,8,9對圖4 傳輸數(shù)據的格式應的電子開關的控制信號,則該組數(shù)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(jiān)測中心電話號碼,在水位監(jiān)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(shù)據,經 過雙音多頻編碼器編碼后傳送到監(jiān)控中心. 要傳輸?shù)臄?shù)據格式為:數(shù)據長度為10位十進制數(shù),其中高四位為井號編碼,低六位為所測量的水井水位數(shù)據,水位數(shù)據分整數(shù)和小數(shù)兩部分.數(shù)據傳輸?shù)姆较蚴菑母呶坏降孜?數(shù)據格式如圖4所示.

  2.2 數(shù)據的接收和分析    監(jiān)測中心室的計算機在接收到各測井站發(fā)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(fā)回的測量數(shù)據.由于測量數(shù)據以雙音多頻信號的形式在市話網上傳輸?shù)?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(fā)回的雙音多頻信號經過解碼后還原為十進制數(shù).監(jiān)測中心計算機讀入這樣一組解碼后的數(shù)據,根據事先約定的數(shù)據傳輸格式,判斷是幾號井發(fā)回的數(shù)據,并對這些數(shù)據進行記錄.根據數(shù)據記錄,可以建立某個城市的地下水位數(shù)據庫,可以和歷史城市地下水位監(jiān)測系統(tǒng)水位數(shù)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(jiān)測系統(tǒng),為一個單向定時測量系統(tǒng).必要時可以完善其功能,實現(xiàn)實時測量.數(shù)據以數(shù)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。