基于靜磁柵絕對編碼技術的激光水位計在嚴埭港水利樞紐的應用

    中心思想： 基于靜磁柵絕對編碼技術的激光水位計，克服了傳統機械編碼浮子式水位計的諸多缺點，在數據準確性、可靠性上有了顯著提高，進一步提升了城市防洪工程嚴埭港水利樞紐的自動化運行水平。

1 概述

    水位計廣泛應用于水文測量、水利工程管理等領域，是一種重要的水利測量儀器。目前使用的水位計主要有浮子式、壓力式、超聲波式，以及雷達、激光、電子水尺等新型水位計。這些形式的水位計各有特點，各有優勢，其中激光式水位計是近年來發展起來的一種新型水位計，具有測量精度高、量程大等特點，且沒有時飄、溫飄等缺點。基于靜磁柵絕對編碼技術的激光水位計在保有激光水位計原有優點的基礎上，通過靜磁柵絕對編碼技術，進一步保證了測量數據的可靠性和穩定性，在城市防洪工程特別是排澇響應要求較高的地區具有一定的應用廣泛性[1-2] 。

2 靜磁柵絕對編碼技術

2.1 基本原理

    編碼器按照信號和原理分類，一般分為增量式和絕對式兩種。增量式編碼是將位移轉換成周期信號，再把周期信號轉換成計數脈沖，用脈沖個數表示位移值，具有構造簡單，壽命長等特點；絕對式編碼是將每個位置對應一個確定的數字碼，用數字碼之間的差值表示位移值，具有每一個位置絕對weiyi、抗干擾、失電記憶等特點。隨著自動化控制程度越來越高，具有高精度的絕對編碼技術逐步取代增量式編碼技術，成為工業控制自動化技術的主流，廣泛應用于工業控制、精密測量、航空航天、機器人等多個領域[3] 。

    基于靜磁柵原理的絕對編碼技術是絕對編碼技術的一種，是利用永久磁鐵通過空間被細分成柵片狀的作用區，可以無接觸地對位移測量裝置產生作用，通過位置的變化反映出移動的距離，同時對每個空間柵片進行編號，使每個空間柵片都有固定的編號。因此，即使在失電投電不斷轉換的過程中，或永久磁鐵離開又回到作用區等情況，由于空間柵片編號的固定，依舊能正確地反應探測的絕對位置或角度，這項技術稱為靜磁柵絕對編碼技術[4] 。

2.2 技術特點

    靜磁柵絕對編碼技術是近年來才在水利工程中應用起來的一種絕對編碼技術，在南水北調和部分城市防洪工程中有一定的應用實踐，主要用于閘位和水位的測量。其主要技術特點是安裝方便、結構簡單，且具有量程長、精度高、使用壽命長，以及失電后仍能長期保存位置數據等優點，同時適用于需防水、防塵、防油、防沖擊等惡劣工況。

3 在激光水位計上的應用

3.1 系統組成

    基于靜磁柵絕對編碼技術的激光水位計（以下簡稱靜磁柵激光水位計）是將靜磁柵絕對編碼技術和激光水位計有機結合起來，充分發揮兩者優點，使水位計更加精確、可靠。靜磁柵激光水位計主要組成部分有電子倉、激光器、帶反射面浮筒、不銹鋼套筒、防撞過濾網等。

3.2 工作原理

    主要是根據連通器原理、水的浮力特性及光學三角計算法等，利用水位的變化使不銹鋼套筒內的浮筒上下位置改變，再通過安裝在電子倉內的激光器以每 150 ms 發送波長為 620～690 nm的可見紅色激光到浮筒的反射面，浮筒反射面發射的激光返回電子倉，電子倉收集激光點束信息通過信號處理器運用光學三角法計算出位置，位置通過靜磁柵編碼技術進行記錄，zui后將位置物理量轉換成了數字的水位數據量。這種水位計兼有測量精度高、量程大、失電記憶、沒有時飄溫飄等特點，大大提升了可靠性和穩定性。系統原理詳見圖1。

4 應用實例

    嚴埭港水利樞紐是無錫市城市防洪工程 8 個主要樞紐之一，由1 座 75 m 3 /s 的泵站、1 座 2 孔凈寬 32 m 的節制閘以及 1 座 16（20）×135 m 的船閘組成，主要功能是防洪、排澇、調水、航運等，于2006 年 9月開工建設，2008 年 6月建成投運，建成以來會同無錫市城市防洪的其它樞紐，成功抵御了多次高水位、強降雨和強臺風的侵襲，確保了無錫主城區的防洪安全。作為無錫市城市防洪的主要排澇力量，嚴埭港水利樞紐排澇響應時間的要求相當高，為穩定、可靠、及時地掌握內外河水位，確保樞紐泵站快速響應排澇要求，需要有一套xianjin、可靠、準確的水位系統來進行保障，通過綜合比選，管理單位選擇采用了靜磁柵激光水位計。

4.1 應用情況

    在節制閘內外河側各安裝一臺靜磁柵激光水位計，與原有浮子式水位計相鄰。該靜磁柵激光水位計安裝較為便捷，不銹鋼套筒與水平面保持垂直固定安裝，圖 2 為系統結構正視圖。整個裝置置于不銹鋼套筒之內，不銹鋼套筒直接安裝固定在駁岸擋墻外側接觸水面，現場不銹鋼套筒的底部加裝了過濾網裝置，即使在水質較差或者泥沙雜質較多情況下也可以正常工作，不銹鋼套筒對激光構件起到了防雨、防水、防濕、防塵和防震的效果。靜磁柵激光水位計出線接入采集卡，采集卡上的 RS485 通訊接口采用 MODBUS-RTU 通訊協議讀取河面液位位移值，并上傳至樞紐中控室數據庫。

4.2 應用效果

    將靜磁柵激光水位計安裝在早前安裝的浮子式水位計的相鄰位置，并對兩者使用情況進行了長時間觀察和對比。原安裝的浮子式水位計優點是結構簡單易操作，但易受到摩擦力、銹蝕、風雨和外力的影響導致水位采集誤差較大，特別是主汛期雨水較多，水位升降變幅較大較快時，誤差也會不斷積累，導致水位數據與實際水位值相差越來越大。采用靜磁柵激光水位計后，在激光計測量水位的過程中，光束被保護在堅固的不銹鋼保護套筒中，不受外界阻斷和干擾，相比之前的浮子式水位監控，克服了精度差、易受環境影響、可靠性差等缺點。具體表現在：一是由于其采集單元在內部，不受外部環境變化影響；二是采用可靠激光反射原理，無論多深液位測量精度保持一致；三是全不銹鋼套筒結構安裝簡單、可靠性強。

    經過對比，兩者使用情況具體如下：對 2 臺水位計同時進行校對，同時進行校對后水位數據兩者一致，校正后 7 d 內兩者基本無誤差，超過 7 d浮子式水位計開始有累積誤差，而靜磁柵激光水位計的水位數據同工作人員在現場水位尺讀取的水位數據仍是基本一致的，校正后 20 d 左右，靜磁柵激光水位計出現累積誤差，而浮子式水位計誤差已達到 5 cm 以上。具體數據對比情況詳見表1。

    根據與浮子式水位計的對比以及一年多的使用情況，靜磁柵激光水位計在水位測量方面表現出了精度高、可靠性強、誤差小的特征，應該說體現出了明顯的優勢，特別是在主汛期強降雨期間，水位漲落速度較快，水面波動頻繁，激光水位計誤差率仍然較小，應用可靠，非常適合城市防洪工程排澇泵站對內外河水位可靠性和精確性的要求。

5 存在問題和改進措施

    靜磁柵激光水位計在實際運用中體現出了一定的優勢，但也存在一些問題，如價格相對偏高，運行時間長了仍有誤差，現場無法讀取水位等，筆者結合實際工程管理的需要，提出以下幾點改進措施：

    （1）鑒于目前該系統只限于在中控室上位機讀取水位，可以考慮在現場增加 LED 的數字顯示裝置，便于現場讀數。此外，也可以考慮和 GPRS數據傳輸和無線智能終端手機 APP 結合起來，使工作人員在智能手機端也能讀取水位數據。

    （2）該型激光水位計的功能較為單一，目前水利樞紐的作用除了防洪排澇外，調水引流改善水質也是一大綜合效益，可以考慮綜合水位、水質、流速等測量要求，結合水質測量傳感和流速測量傳感等功能，在采集水位數據的同時采集水體的水質和流速等參數，擴展設備的綜合功能，進一步提升性價比。

6 結語

    由于采用了基于靜磁柵絕對編碼技術的激光水位計取代了原有的浮子式水位計，提高了樞紐水位采集的精度、準確性和可靠性，也進一步提升了樞紐的自動化運行水平，具有安全可靠、運行穩定、安裝簡便，便于后期維護等諸多特點，為城市防洪工程排澇泵站的運行管理提供了強有力的保障。

 

 

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