城市地下水位監測系統的應用方法

  引言    隨著(zhù)城市人民生活和工業(yè)生產(chǎn)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(mǎn)足人門(mén)對水的需求,于是人門(mén)便主動(dòng)開(kāi)采地下水.由于對地下水資源持續強烈的開(kāi)采,索取量超過(guò)了自然界水系統正常的水循環(huán)所能維持的供水功能,因而各水源地相繼出現了地下水位下降,市區地面沉降,地裂縫等環(huán)境地質(zhì)日益惡化的現象。

 

  由于城市地下水開(kāi)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(zhì)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(huì )產(chǎn)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(jìn)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(huì )發(fā)展的需要,其大多采用人工向井中投入雙股導線(xiàn),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(cháng).本文介紹了一種用壓阻式液位傳感器來(lái)測量井下水位的方法,同時(shí)對測量數據的傳輸和分析進(jìn)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(chǎn)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(dòng)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(gè)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(shí)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(guò)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(xiàn)性+遲滯+重復性)為0.3%FS,完全可以滿(mǎn)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(shí)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(shí),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(gè)小孔,以便水通暢進(jìn)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(guò)市話(huà)線(xiàn)路定時(shí)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(jìn)行分析記錄,并可建立水位狀態(tài)數據庫.整個(gè)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(guò)一個(gè)12位A/D轉換器ADC1210將直流電壓信號轉換為數字信號.由于A(yíng)DC1210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(gè)單向數據驅動(dòng)器74LS244,使A/D轉換結果分成兩次來(lái)讀,先讀Q0～Q7低八位,然后再讀Q8～Q11高四位.A/D1210的啟動(dòng)信號由P3.0提供,時(shí)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(xún).將A/D轉換后的數據通過(guò)關(guān)系式X=H-h進(jìn)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(gè)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(guò)市話(huà)線(xiàn)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(guò)地址譯碼器來(lái)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(kāi)關(guān)的開(kāi)閉控制。

  雙音頻編碼芯片ICM508的輸入是一個(gè)四行三列的矩陣單元,它是通過(guò)按鍵接通某行與某列來(lái)完成一位十進(jìn)制數的輸入.編碼器芯片的輸出產(chǎn)生雙音頻信號,不同十進(jìn)制數輸入會(huì )有不同的雙音頻信號輸出,雙音頻信號可以在市話(huà)線(xiàn)上傳輸.

 

  現在通過(guò)單片機輸出控制一組由三極管組成的電子開(kāi)關(guān),由電子開(kāi)關(guān)代替按鍵功能完成數據輸入.例如:要傳輸十進(jìn)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(kāi)關(guān)的控制信號,則該組數據經(jīng)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(shí)“撥通”水位監測中心電話(huà)號碼,在水位監測中心計算機應答并“摘機”的情況下,通過(guò)這條已接通的電話(huà)線(xiàn)路,將所測的水位數據,經(jīng) 過(guò)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(cháng)度為10位十進(jìn)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(fā)來(lái)的呼叫信號時(shí),像普通電話(huà)一樣,可以“摘機”應答,同時(shí)準備接收對方發(fā)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(huà)網(wǎng)上傳輸的,故在接收端應先將雙音多頻信號進(jìn)行還原,即進(jìn)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(jīng)過(guò)解碼后還原為十進(jìn)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(fā)回的數據,并對這些數據進(jìn)行記錄.根據數據記錄,可以建立某個(gè)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(jìn)行比較,對超量采水的水井采取必要的措施.

 

  3 結束語(yǔ)    地下水位監測系統,為一個(gè)單向定時(shí)測量系統.必要時(shí)可以完善其功能,實(shí)現實(shí)時(shí)測量.數據以數字信號形式采用市話(huà)網(wǎng)進(jìn)行傳輸,安全可靠.不足之處是液位傳感器成本較高。