城市地下水位监测系统的应用方法

  引言    随着城市人民生活和工业生产用水的不断增加,天然条件下的水资源(地表水体或泉水)远不能满足人门对水的需求,于是人门便主动开采地下水.由于对地下水资源持续强烈的开采,索取量超过了自然界水系统正常的水循环所能维持的供水功能,因而各水源地相继出现了地下水位下降,市区地面沉降,地裂缝等环境地质日益恶化的现象。

 

  由于城市地下水开采多集中在深部承压含水系统,取用承压含水系统中地下水,水压下降导致含水界质压密,而且粘土的压密又是不可逆的,因此抽取承压含水系统的地下水会产生地面沉降是不可逆的.要有效的控制地面沉降,就得对地下水的采集进行有效控制,所以对地下水位的监测显得十分重要. 目前城市地下水位测量的方法远远落后于社会发展的需要,其大多采用人工向井中投入双股导线,然后再测量其电阻的方法.这种方法不但工效低,而且测量周期长.本文介绍了一种用压阻式液位传感器来测量井下水位的方法,同时对测量数据的传输和分析进行了较详细地讨论.

 

  1 测量方法    该系统采用中美合资麦克传感器有限公司生产的压阻式液位传感器.这种传感器体积小,安装维护较方便,其抗振动冲击性能也相当好。

 

  它采用高稳定性的OEM表压传感器,将其装入一个不锈钢壳体内,钢体顶部有一钢帽能起到保护传感器膜片的作用,同时又能使水通畅地图1 测量方法示意图 接触到膜片,输出信号通过防水电缆与传感器外壳密封连接.该传感器是为连续投入水中使用而设计的,工作温度范围宽,稳定性良好.对水而言其量程为1～200m,精度(非线性+迟滞+重复性)为0.3%FS,完全可以满足测井的要求.采用液位传感器测量井口地面到井下水面高度的方法如图1所示.图中传感器头到井口地面的高度H为已知(安装传感器时应准确测量),传感器头到水面的高度h从传感器 的输出直流电压中测得,那么从井口地面到井下水面的高度 就是X=H-h. 液位传感器在深井中安装时,一般用插钢管的方法,钢管内径在45mm左右,钢管的不同高度打上若干个小孔,以便水通畅进入管内.

 

  2 系统电路设计    由于城市中各水井位置分布比较分散,测量人员每天前去采集数据是一件十分辛苦的工作.该系统可以将各水井所测得的数据通过市话线路定时传送到水位监测中心,再由监测中心的计算机对收到的数据进行分析记录,并可建立水位状态数据库.整个系统的结构框图如图2.

  2.1 液位传感器输出信号的处理和传输     液位传感器输出为一直流电压信号,对该信号的处理及传输电路如图3所示.该信号通过一个12位A/D转换器ADC1210将直流电压信号转换为数字信号.由于ADC1210为12位A/D转换器,其输出结果是12位数据,单片机不能一次读完,所以在单片机和A/D转换器之间增加两个单向数据驱动器74LS244,使A/D转换结果分成两次来读,先读Q0～Q7低八位,然后再读Q8～Q11高四位.A/D1210的启动信号由P3.0提供,时钟由单片机ALE信号分频得到,转换结束信号接到P3.2上供单片机查询.将A/D转换后的数据通过关系式X=H-h进行换算后存入单片机的内存中.单片机的功能之一是完成A/D转换的控制,另一个主要功能是控制双音多频编码器IC508将所测得的水位数据通过市话线路传送到水位监测中心的计算机中.单片机和双音多频编码器之间也用两片74LS244连接,通过地址译码器来选通不同的芯片,配合单片机输出数据信号就可以完成对由三极管组成的多路电子开关的开闭控制。

  双音频编码芯片ICM508的输入是一个四行三列的矩阵单元,它是通过按键接通某行与某列来完成一位十进制数的输入.编码器芯片的输出产生双音频信号,不同十进制数输入会有不同的双音频信号输出,双音频信号可以在市话线上传输.

 

  现在通过单片机输出控制一组由三极管组成的电子开关,由电子开关代替按键功能完成数据输入.例如:要传输十进制数据0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,单片机依次输出接通双音频编码器输入数字按键0,1,2,3,4,5,6,7,8,9对图4 传输数据的格式应的电子开关的控制信号,则该组数据经双音多频编码器转换为双音频信号. 双音多频编码器在单片机控制下,定时“拨通”水位监测中心电话号码,在水位监测中心计算机应答并“摘机”的情况下,通过这条已接通的电话线路,将所测的水位数据,经 过双音多频编码器编码后传送到监控中心. 要传输的数据格式为:数据长度为10位十进制数,其中高四位为井号编码,低六位为所测量的水井水位数据,水位数据分整数和小数两部分.数据传输的方向是从高位到底位.数据格式如图4所示.

  2.2 数据的接收和分析    监测中心室的计算机在接收到各测井站发来的呼叫信号时,像普通电话一样,可以“摘机”应答,同时准备接收对方发回的测量数据.由于测量数据以双音多频信号的形式在市话网上传输的,故在接收端应先将双音多频信号进行还原,即进行解码.用双音多频解码器,芯片为MT8870完成解码功能,把测井方发回的双音多频信号经过解码后还原为十进制数.监测中心计算机读入这样一组解码后的数据,根据事先约定的数据传输格式,判断是几号井发回的数据,并对这些数据进行记录.根据数据记录,可以建立某个城市的地下水位数据库,可以和历史城市地下水位监测系统水位数据进行比较,对超量采水的水井采取必要的措施.

 

  3 结束语    地下水位监测系统,为一个单向定时测量系统.必要时可以完善其功能,实现实时测量.数据以数字信号形式采用市话网进行传输,安全可靠.不足之处是液位传感器成本较高。