LJH-2B型流速直读仪的研制及应用.docx

1、第22卷第4期水文Vol.22No.4竺竺竺HYDROLOGYAug.,2002LJH-2B型流速直读仪的研制及应用陈新益，方德胜，郑俊孝（长江上游水文水资源勘测局，重庆400014）摘要：介绍了LJH-2B型流速直读仪原理结构及其应用情况，阐述了一种实现流速仪信号抗干扰的软硬件滤波方法，论证了推广该仪器的可行姓。关键词：流速直读仪；干扰；滑动均值滤波；可行性中图分类号:P335M文献标识码：B文章编号：1000-0852（2002）04-0047-031概述目前，国内转子式流速仪计数器的品种众多，但仍有相当数量:的水文站使用电铃、万用表、收音机、秒表等陈旧落后的原始设备。分析其主要原因有二：

2、其一，由于研制生产单位在研制此类仪器时，将重点放在了计数器功能和数据处理软件的开发上，而忽略了对计数器输入信号处理的软硬件开发，所以目前国内尚无一种能适应大部分转子式流速仪和各种信号传输方式（缆道有线、“无线”和船测、桥测等）的计数器.从而导致在某水文站使用良好的计数器在另一水文站不能使用；其二，由于水文系统经费的限制，价格性能比高的计数器不能被广泛推广。因此.针对我国国情，亟需研制一种可靠性高的、适用范围广的、价格性能比低的实用型转子式流速仪计数器，以便在水文缆道、船测和巡测等站上推广应用。UH-2B型流速直读仪（以下简称UH-2B直读仪）正是H江上游水文水资源勘测局为解决这一课题而研制的通

3、用型转子式流速仪计数器C2UH-2B直读仪简介UH-2B直读仪是一种适用于转子式流速仪测量流速的前置仪器，它具有自适应流速仪测桩范围、大屏幕信息显示、计时计数和流速直读、存贮九部流速仪参数、微机控制测屋、功耗低、设计轻便可随身携带等特点。2.1基本结构UH-2B直读仪由水下交流信号源、主机和信号线组成，采用“无线”交流和有线开关两种信号输入方式C采用有线开关信号输入方式时，无需水下交流信号源，只将信号线与流速仪接线端子接通即可；采用“无线”收稿日期2001-09-19交流信号输入方式时，如图1所示，需埋设一根极板线”作为信号地，从缆道主缆或起重索机绞座上接一导线作为信号正，水下交流信号源产生的

4、交流信号通过流速仪接触丝、起重钢丝索、水体和极板线传输到UH-2B直读仪的主机进行检测。UH-2B直读仪主机由控制电路、输入电路、大字符液晶显示屏、键盘和机箱组成，用89C52单片机进行实时检测和计算，如图2所示。图21JH-2B直读仪主机结构枢图2.2主要性能2.2.1公式存储功能早期生产的流速仪计数器在每次测量时都要先预置流速仪的参数，更换流速仪后需再次设置参数，操作复杂，因此UH-2B直读仪设计了固态存贮9部流速4848第22卷仪公式参数的功能，使用时只需选择相应的公式编号即可调出流速仪公式的参数值，大大简化了操作的复杂性。2.2.2直观显示功能LJH-2B直读仪采用多位大字符液晶显示屏

5、（20*2LCD）,静态时显示流速仪公式，测最时显示测质历时、信号数、瞬态流速值（选件）以及动态的流速仪象形符号，测最结束计算显示测点流速，显示直观，一目了然。2.2.3 应急功能UH-2B直读仪在测最中途遇到紧急情况时可提前结束本次测最并计算测点流速，也可退出测最，而不用通过断电或复位方式退出。2.2.4 微机控制功能UH-2B直读仪可通过RS232口自动识别是否与微机联机来确定是否传送本次测量的数据，因此对长期借用断面测量的水文站可方便地实现微机控制测流。2.3主要技术指标电源：6¥±10%,5#电池4只；功耗：测量时23mA.静态18mA；输入信号：无线”交流信号（8

6、50Hz±50Hz）或者有线开关信号；输出接口：RS232C串行通信口；测量范围：0.0510m/s（自适应流速仪的测量范围）;计时分辨率：0.1s；交流信号输入灵敏度：优于5mV；最大计数速度：9个/s；外型尺寸：170mmx130mmx70mm，可随身携带。3IJH-2B直读仪的主要技术方案流速仪计数器的主要问题在于“无线”交流信号方式下信号的抗干扰问题。要解决干扰问题，一是提高信号的传输效率，但改造信号传输线路工作最大、成本高；二是提高水下信号源的输出功率和频率稳定性，长江上游水文水资源勘测局生产的TJX型水下交流信号源，经过多年的使用证明已达到要求；三是合理设计流速仪计数器的

7、信号输入电路和信号处理软件。因此UH-2B直读仪的研制重点是无线”交流信号方式下流速仪信号软硬件滤波方式的设计（即自适应宽量程的软硬件信号处理技术）。3.1流速仪信号硬件滤波技术水下流速仪信号经非绝缘水文缆道传输至流速仪计数器前的信号波形如图3所示。从图3可以看出，干扰信号多且幅度高.真正的流速仪信号非常弱，而且是调制在50Hz工频干扰信号上的，如果不从电路上进行滤波处理.单片机将不能识别流速仪信号。图3水文缆道上流速仪信号波形基于大部分干扰信号属于电压型信号（即负载能力差）的原理.UH-2B直读仪的输入电路首先采用低阻输入方式，将电压型干扰信号消耗在输入电阻上，然后通过钳位电路将信号锁定在3

8、00mV以下（避免放大电路强信号阻塞），再将信号放大到一定的幅度后进行工频陷波处理，去掉最强的干扰信号工频干扰信号。对于其它干扰信号，UH-2B直读仪采用选频放大电路处理。由于TJX水F信号源的频率（85OHz±5OHz）相当稳定，所以将选频放大电路设计为100Hz窄带，从而最大限度地抑制85OHz±5OHz以外的干扰信号。再经过检波、比较、整形电路的处理，送入单片机识别。输入电路框图如图4所示。图4精入电路框图3.2流速仪信号软件滤波技术经过硬件滤波处理后的流速仪信号，由于流速仪接触丝的弹动会影响其连续性，如果不从软件上进行滤波处理会导致流速仪计数器误计数，国内大多数流速

9、仪计数器在处理流速仪信号的抖动时，多采用输入电路上硬件延时的办法来解决。但由于流速仪信号的动态范围较大，每次测量时需针对不同的流速人工预置延时时间，给用户造成不便；而且某一测点的流速在测量历时内也有较大的动态范围（脉动），因此采用这种硬件延时的方法很容易造成流速仪计数器误、陈新益等:UH-2B型流速直读仪的研制及应用陈新益等:UH-2B型流速直读仪的研制及应用49漏计数，也势必造成在一次流量测量过程中需多次人工调整延时时间，增加了测量的复杂性。河流流量测验规范规定，不同流速范围的流速测量应选用不同N值（N为流速仪桨叶转数与流速仪信号数的比值）的流速仪。由此JJH-2B直读仪利用单片机根据流速仪

10、N值来确定第1个流速仪信号的软件延时，再根据第1个信号的实际周期，应用相关流速信号不能突变的原理来确定第2个信号的延时，之后根据前几（nW4）个流速仪信号的平均周期7（77*匚）/几确定下一个信号（第几+1个流速仪信号）的延时时间，依此类推直至第4个流速仪信号到来。从第5个流速仪信号（第几个流速仪信号）开始，每连续的4个已计数的流速仪信号的平均周期7=（7砧+7；_2+7；-3）/4作为下一个流速仪信号（第几+1个流速仪信号）的延时参考，直到测量结束为止，此即为滑动均值滤波。其软件流程图如图5所示。开始结束湛敏开始结束湛敏检测信号检测信号根据平均周期延时计算平均周期计算相邻4个信号的平均周期图

11、5滑动均依滤波流程图4LJH-2B直读仪的应用1997年JH-2B直读仪研制成功后，首先在长江三峡工程大江截流龙口水文测验中试用，并与进口的ADCP并列准确地施测到龙口流速。从1997年至2000年，1JH-2B直读仪经过三峡、丹江、云南、长江上游等水文水资源勘测局、长寿狮子滩水电总厂、江西万安水电厂、重庆龙河和江口水电站、中南设计院等共计40个水文站，平均3年时间的推广试用，试用过程中实际达到的主要技术指标有以下5项：“无线”交流信号方式下流速仪下放水深83m；有线开关信号方式下传输信号线长度200m；单台仪器连续无故障累计使用时间达800小时（2小时/次x100次/年妃年）；配合125-3

12、流速仪测得最大流速6.41m/s；流速仪信号最大间隔时间300so经较大范围试用证明，JH-2B直读仪稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、适用范围宽、经济实用，具有广泛推广应用的价值。5结语逐步实现水文测验的自动化是我国水文事业发展的趋势。目前在我国水文系统普遍推广价格高的进口仪器尚有困难，但普遍推广适合现有设备、低成本的而又能解决实际问题的国产自动化仪器将促进我国水文事业的自动化进程。IJH-2B直读仪正是从这种角度来确定其推广意义的。UH-2B直读仪已通过水利部鉴定，达到国内同类仪器的先进水平，并批量投产。参考文献：1 GB9359-88,水文仪器总技术条件【S）.2 何立民.单片机应用系统设计【M）.北京：北航出版社，1990.作