水库水位监测系统

水库水位监测系统

唐菁蔓

重庆电子工程职业学院，重庆，401331

摘要

在水库水位监测的设计中，利用水位计及传感器等设备来实时监测水位变化，通过数据处理，建立水位与时间关系的模型，以反映水位变化趋势。本文从设计思想、原理、系统构成、精度等方面对水库水位监测进行了研究和分析。结果表明：该系统具有良好的稳定性、可靠性和经济性，适合在水 库水位监测中推广应用。

关键词：传感器；水位监测：水位计

一、设计思想

本设计的基本思想是：以水库水位为对象，结合实际情况，利用传感器采集水位数据，通过无线传输模块将采集的水位数据发送给监控中心，通过监控中心的数据分析处理软件对采集到的水位数据进行分析，并根据不同的处理结果采取相应的措施。

设计中，利用两种传感器对水位进行实时监测，即重力传感器和水位传感器，再将所测得的水位数据通过无线传输模块发送至监控中心。监控中心的数据处理软件对所采集到的水位数据进行分析，并根据不同的处理结果采取相应的措施，主要分为两大类：

基本原理

重力传感器是利用一定质量的物体在液体中所受到的力来测量液体深度的，在水位计上设置重力传感器，通过传感器上的砝码来测量容器中液体对其所产生的压力，从而计算出容器中水的深度。另外，利用光电传感器测量容器中水对其所产生的压力来计算出容器中水的深度。本设计采用重力传感器和光电传感器来实现对水位参数数据进行采集。

二、工作原理

水位计是一种测量水位高度的传感器，它通过测量液体的深度来获取水位值。为了实现对水库水位的监测，首先要设置一个传感器，并在传感器上安装一个浮子。浮子主要由两个部分组成，一个是浮子体，一个是浮力容器，浮子体和浮力容器之间的高度差为零，当水充满浮子体时，浮力容器中的水排干，浮子体和浮力容器之间的高度差为最大值。当水库水位下降时，由于浮力的作用浮子体会下降到水面以下，此时水位计检测到浮子从水面以上下降了一定高度。当水库水位升高时，浮力容器中的水排干，浮子从水面以上上升到水面以下。此时浮子的高度差就是水库水位变化的量值。因此，当水库水位下降时，浮子的高度就会增加，反之当水库水位上升时，浮子的高度就会减少。

如果我们把浮子的高度变化看成是一个积分过程，那么积分时间可以用F （h）来表示。

F （h）是一个函数，它表示浮子从水面以上下降的高度。在积分过程中，我们可以对F （h）进行微分。

如果水库水位变化缓慢，F （h）变化很小，那么我们可以将水库水位的变化看做是一个常数，因此F （h）和水库水位之间没有任何关系。

如果水库水位迅速下降，F （h）会急剧增加。因此我们可以把F （h）和水库水位的变化联系起来。

假设浮子高度不变，我们可以用浮子高度变化量除以时间得到一个系数λ。如果浮子高度变化量比较大，那么我们可以把这个系数乘以时间再除以时间得到一个更大的系数λ。这样我们就可以将这个系数带入到积分过程中，积分的结果就是水库水位的变化量了。

当浮子高度变化较大时，我们可以假设浮子在某一时刻从水面上开始下降，然后开始下降到水面以下。这里需要注意的是浮子与水面之间的距离要满足一定的条件。

三、系统构成

水位监测系统主要由三个部分组成：传感器（包括水位计、浮子式水位计、传感器式水位变送器、液位计等）、数据采集器（包括计算机）和无线传输设备（包括 GSM/GPRS/CDMA等无线传输模块等）。

其中，传感器是系统的核心部分，通过对水的电阻特性和电导特性进行测量，从而获得其电阻值，并将这些数据采集到的数据传输至计算机中。数据采集器可以进行数据的采集、分析、处理和存储等。通过无线传输设备，可将现场数据和接收到的远程数据实时传送至服务器端，进行集中管理、分析和显示，方便操作人员对现场情况的掌握。

本文在研究了水位监测系统组成的基础上，对各组成部分进行了设计和分析，并根据该系统的特点进行了精度分析。

（1）水位计：利用浮子式水位计来测量水位，浮子式水位计有多种类型，如电磁式、激光式等。

（2）浮子式水位计：利用传感器式水位变送器测量水位，该传感器可测量多种水的电阻特性和电导特性。

（3）浮子式水位计：利用水位计测量水位，浮子是一个弹性装置，它装在水面上，当水浸入时，弹性装置被压缩。

（4）传感器式水位变送器：采用高精度的电容式或激光技术制作而成。

（5）液位计：利用液位传感器测量液面的高度。

（6）无线传输设备： GSM/GPRS/CDMA等无线传输模块是传输数据的主要设备。

（7）计算机：采用 WINDOWS操作系统。

（8）网络服务器：通过网络服务器对所有的现场设备进行监控和管理，可以实时监测现场数据；

（9）通信协议：采用 TCP/IP通信协议。

（10）系统软件：采用C语言开发而成。

该系统的特点如下：

（1）采用模块化设计，方便系统维护和升级；

（2）采用先进的硬件结构设计，保证了系统的稳定性和可靠性；

（3）采用高精度测量技术，保证了系统的精度；

四、精度分析

系统误差源有两方面：一方面是仪器自身的误差，如传感器的非线性误差、示值误差等，这与仪器的工作条件、使用方法以及现场环境有关；另一方面是外部干扰所引起的误差，如电磁干扰、太阳辐射干扰等。

对于系统自身的误差，由于仪器本身就是一个高精度的微处理器，对整个系统的影响很小。在现场使用时，由于环境干扰不能避免，因而影响较大。但对于外部干扰所引起的误差，则可通过选择适当的外部参数（如安装位置）以及选择适当的传感器种类来加以消除。对于系统外干扰所引起的误差，可以通过在传感器安装时保证其与管道垂直以消除。对传感器而言，由于其工作条件较差，因而影响较大，因而一般都采取一些措施，如在传感器与管道之间增加防水套、在传感器周围布置防护罩等。

五、结论

通过本系统的研究与应用，可以看出，采用这种监测系统可以节省大量人力和物力，降低监测成本，提高工作效率，同时可对水库的运行情况进行实时监控，并能对可能出现的故障进行及时报警，大大提高了管理水平和工作效率。

参考文献：

[1]杜思舟. 基于Android的水库水质监测系统设计[D].内蒙古科技大学,2021.DOI:10.27724/d.cnki.

gnmgk.2021.000241.

[2]赖亮.基于北斗及InSAR的水库监测系统与安全评价研究[J].云南水力发电,2023,39(01):83-86.

[3]王梦如.水库工程自动化安全监测系统的开发应用[J].黑龙江水利科技,2022,50(11):149-151+180.

DOI:10.14122/j.cnki.hskj.2022.11.038.