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低成本的气动传感器用于测量站水位检测
摘要
永久流量计站是全球河流监测和水资源管理的一个重要特征，其使用量正在迅速增加。测量站中的水位传感器受到恶劣的物理环境的影响，通常是最麻烦的部件，并且可能容易对其他部件引入腐蚀，电气干扰和其他潜在的破坏性影响。目前可用于解决传统潜水传感器缺点的一种技术是舞台的气动检测。这种类型的传感器的主要优点是它提供了电子元件与水的物理分离。它们在高淤泥或碎屑载荷的系统中也非常有利。近年来气动传感器的成本已经下降，并且与具有类似范围和分辨率的潜水式压力传感器相当。气动传感器的问题在于，文献中存在很大的差距来解决这种传感器类型的开发，使用和准确性问题。本文提供了一个案例研究，详细介绍了低成本气动传感器的开发和使用，并检查了其适用于流和灌溉渠的情况。传感器的性能也针对两种传统的低成本潜水压力传感器进行评估。
关键词：气动级检测; 水位传感器; 流量测量; 水测量
介绍
流量计发明后开始用河水灌溉河流。一旦两个用户试图利用公共资源，就有必要在他们之间分配资源，并且需要进行测量。水位或水位以及可供分配的水流量成为信息的重要组成部分。流量计的历史重要性在整个古代都很明显，最著名的一个是埃及开罗附近罗达岛上的公里数。值得注意的是，今天的流量测量与毫米仪有很多相似之处。在古代的流量计中，传感器很简单，由刻在石头上的视觉检测和记录组成相反，现代流量计中的传感器非常复杂并且通常是最薄弱的环节。需要将水位的垂直变化转换为输出信号并且经常涉及可观的费用。 信息时代导致流量测量数据在互联网上广泛普及。 预计水位和流量将立即可用，这就要求使用电气和电子元件。不幸的是，水和潮湿的井往往是电子设备的挑战性环境。多年来已经开发了各种各样的阶段传感器来处理这些困难的情况，但是仍然需要克服显着的缺点。除了人员尺寸和一双眼睛之外，最简单的传感器一直是燕麦和电缆。当美国地质调查局（USGS）开发标准技术时，燕麦，钢带（或钢丝绳），滑轮和重量等因素使得通过在纸上移动笔来产生模拟记录的有效机制。 因此，水面在静水井中的垂直运动可以转化为在静水井顶部的机械运动。大约在1950年，开发了轴（或旋转）编码器，它不需要模拟设备，并将皮带轮轴的旋转运动直接转换为电气输出。 最简单的型号使用电位计或变阻器，滑轮直接安装在轴上。虽然趋于脆弱和表现不佳，但它们是一种实用的解决方案，并在许多地区使用。光学编码器是性能的另一个改进，允许定期切换信号，设备中的电路会计数状态变化的次数。为了起到绝对编码器的作用，强制使用流量计，它必须使用一些数字转换来记住断电时的位置。
潜水传感器
潜水压力传感器作为一种合理的低成本水位检测装置已经得到认可，并且是最广泛使用的阶段检测装置这些传感器使用材料的压电特性来改变通过该材料的电流，这取决于施加的压力。压力来自传感器头上方的水柱。水越深，施加的压力越大，并且通常通过传感器的电流越大。较便宜的版本通常产生电流输出（4-20 mA）或电压输出（0-5 vdc）作为模拟信号。更高级的型号使用内部电路将模拟信号转换为数字输出，如SDI-12或MODBUS。这些是绝对传感器，因为它们可以为任何给定深度的水产生特定的输出信号。 它们的优点还在于功耗通常很小，并且在不主动进行测量时可以关闭它们。它们使用的缺点是脆弱程度，矿物沉积物的堆积或传感器周围的腐蚀以及沉积物堵塞的风险许多人也倾向于经历电子漂移，并可能对水温变化敏感。然而，潜水传感器最大的不同在于它的名字。敏感的电子组件被淹没，通常达到相当的深度，并且密封出水具有挑战性。 无论外壳的密封程度如何，必须有一条电缆进入设备的通道。为了测量相对于大气压力的压力，还必须存在通向表面（通气管）的导管。即使液体被有效密封，通风管内的冷凝水仍可能导致足够的湿气进入换能器而导致故障。 尽管存在这些困难，但许多河流仪和灌溉项目由于其成本相对较低且安装简便而广泛使用潜水式压力传感器。
电容式传感器已经存在了很长时间，并且已经在一些地区得到了有效的使用。声学传感器已经用于河流和灌溉系统，并且具有没有与水接触的部件的巨大优点，尽管由于温度和湿度影响声音通过空气的速度而存在问题。另外，在大多数情况下，声学传感器的成本是过高的。最近，传感器已经开发出来，它使用雷达波反射离开水面来测量舞台，尽管这些也是昂贵的。执行水位（或压力）的感测肯定会有妥协。一个真正完美的传感器尚未发明。
气动传感器
1963年左右，USGS开发了流量计使用的气动传感器系统。由于他们习惯稳定地向水中释放缓慢而稳定的气泡，他们很快就被称为起泡仪。起泡器的开发是为了应对在天然河流中许多地点修建和保持井眼井的困难，特别是那些经历了不断的侧向运动而留下的孤立于井下的井眼井，或那些具有高的臭味和泥石流潜力的井，导致设备损失。起泡仪的基本原理是测压管中的气体压力等于水柱上方的压力通过保持高于预期的最大水位可以施加的更高压力的气体供应并准确检测排放管中的压力现。传统的USGS系统利用高压氮气罐和一系列歧管和调节器向排放管提供缓慢而稳定的氮气输送，从而缓慢地定期释放气泡并保持管道中的稳定压力。
随着时间的推移，原始设计发生了很大变化。这些产品被许多商业供应商包装到自包含的起泡器传感器系统中将压缩机，空气存储器，压力传感器和数据记录装置集成到一个集成组件中。商用传感器系统已经被证明具有良好的构建和可靠性，但成本很高（3000美元至5000美元）。它们利用压缩机维持一小部分压缩空气，并且由于存储的空气相对于所需排出管压力的高压力，具有适度高的电力要求（20-25毫安）。这些商业气动传感器的主要缺点是成本，因此它们的使用远不是普遍的，并且仅限于USGS测量站。
2006年在USBR水资源研究实验室进行的文丘里流量测量校准。当时，研究人员正在探索多种方法来纠正这些不同程度的淹没，需要在水通过建筑物时在多个位置进行压力测量。在实验室模型上使用各种压力水龙头，连接到配备钩式点测量计和游标尺的静水井，使水位检测到0.35 mm（0.001#39;）。最终，通过这项努力确定，在三个不同位置进行的压力测量可成功用于纠正高水位（高达95％）淹水的雨水。 由于这三个位置之间的压力差可能很小，因此需要非常高的准确度，并且可以通过对所有三个测量使用单个传感器来消除潜在错误的重要来源。 最初，这是通过手动将管道从三个位置连接到单个气动传感器来执行的。 在研究初期就意识到，如果这项工作能够实现现场应用，就需要一个具有多样性和电气开关能力的传感器。现有的商业设备相对昂贵，但很明显，大部分成本是由于它们是智能设备。尽管能够提供简单的模拟输出，但它们还包含板载电子设备，以使它们能够作为独立设备运行。 这导致了冗余的电子智能，它没有提供对该项目寻求的功能的增强，而且成本很高据认为，可以用小型空气压缩机和传感元件创建功能传感器。传感器设计中隐含的一点是，向管路短暂添加气体（空气）将在传感器管路内非常快速地达到与系统的排放点（管路）上方的水施加的压力相等的压力，从而允许对于没有任何气体调节器的简单管道。 电动操作的电磁阀可以自动将单个传感元件连接到要测量的合适压力点。 水资源研究实验室利用可用的低成本组件构建了此设计的原型。
研究人员利用Control Design，Inc.（CDI）的协助，利用已经确定的组件生产出一整套低成本气动（LCP）传感器单元。CDI制作了适合安装元件的印刷电路板，简化了接线连接。传感器使用单一压缩空气源，可以将其导入三条独立的压力管线电磁阀和歧管集成了一个压力传感器，可以检测所选线路中的压力。在亚马逊的尤马进行了初始试验，测试了2009年尤马县用水户运河的测量结构个人通信。 Yuma的测试主要是为了验证关于文氏管中潜流测量校正的实验室结论。 但是，它也被证明是LCP传感器实用性的实际测试。声学多普勒电流推进器（ADCP）与Yuma的ume测试一起使用，以验证流量的速率，通过测量多个位置的压力和偶然评估LCP传感器的有效性，提供了对umes进行浸没校正计算的能力。基于在尤马成功使用传感器，CDI开始在商业上提供其产品。
LCP传感器的规格
LCP传感器由现成的现成组件组装而成。该单元围绕托马斯8003055型压缩机构建。 这种小型精密空气供应能够产生3.0 L / min或最大压力2000 mb（30 psi）。流量计应用，至少那些典型的灌溉渠设置，很少遇到水深度大于2米（6.5英尺），所以压缩机的压力很低，不会超过200 mb（2.9 psi）。 在这个压力下，压缩机能够产生约2.6升/分钟。该压缩机由一台12VDC密封轴承电机供电，功率为3000rpm，功率为8.5瓦。
霍尼韦尔ASDX系列传感器完成压力感测。它们有各种压力感应范围，从25 mb（0.36 psi）到7000 mb（100 psi）。CDI LCP传感器通常使用70和350 mb（0-1和0-5 psi）范围。如果需要，可以提供更高的压力范围，尽管200 mb单位特别适合大多数运河设置。传感器元件需要稳定的5 V直流（DC）电源（可选3.3 V DC）。 传感器的输出通常为0.5-4.5 V DC。 该传感器被设计成安装在印刷电路板上。 通常，气动传感器配备有单个压力传感器，尽管可以通过电控歧管阀在必要时使用两个不同的传感器和开关量程。CDI单元允许在单个板上安装两个压力传感器，通过跳线选择。压力传感器的超压范围是所选压力范围的两倍，这对于可能会形成冰层的设备来说是一个重要的考虑因素。如果需要，可以使用泄压阀来保护传感器免受过压。该传感器具有温度补偿功能，能够承受50到105°C。单元本身成本相对较低（lt;40.00美元），如果损坏，可以很容易更换。好在下游使用压缩机，防止通过静压机压力损失。ATTTING将压缩机和止回阀沿一个方向连接到波纹管（起泡器）管线，另一端连接压力传感器。 在Orice管线和压力传感器之间安装一个小金属腔。这个腔室的目的是为达到传感器的压力波动提供阻尼效应，在实验室测试中发现该压力波动是有利的，并且允许压力更快稳定。通常使用的室是Clippard AVT-17-232.8厘米\（2.0英寸\）容量罐。 对于较高的压力排放较大
上述部件包括用于单个输出气动传感器的空气供应和传感器系统。简单的1/8英寸塑料管用于连接。孔口管线可以是任何合适的耐用小直径管材。配件应该是高质量的，并仔细组装以防止泄漏。与压力传感器的连接是1/16管道，需要从容积室中减少。市售的CDI装置在整个过程中都使用不锈钢Clippard。可选地，可以添加歧管以允许感测多个波纹线的压力。对于CDI产品Clippard EV-2 M-12使用电磁阀，安装在Clippard歧管上。 这使得压缩机和传感器可以连接最多四条Orice线。CDI产品使用印刷电路板为组件进行布线，并为物理安装提供便利的机制。 气动传感器的附加组件包括用于保护其他设备的电容器和二极管以及用于连接输入和输出的连接器。 结果是一个紧凑的传感器单元很容易安装在大多数位置（图2）。完成的CDI产品的尺寸大约为140mmtimes;170mmtimes;40mm（5.5#39;times;6.75“times;0.5”）。整个装置的功耗很小。当不主动进行测量时，电路板完全自动关闭，功耗为零。运行时压缩机本身使用相当大的功率，但测量要求压缩机仅运行0.1秒。设置为在15分钟周期内收集单个压力测量结果，功耗相当于小于3.5 mA / h的稳定排放。 使用电磁阀以15分钟周期测量三个独立位置的安装会导致功耗相当于稳定排放低于12 mA / h。
LCP传感器使用
虽然传感器可能能够作为恒定的起泡器并产生模拟电气输出，但是在没有压力调节和更复杂的管道的情况下这样做在功耗方面并不明智。与早期的USGS气动传感器和现代商用单元不同，这些单元使用调节器向Orice管线输送一小部分加压气体，CDI传感器不需要orice管线上的调节器。 相反，压缩机在任何时间进行测量时都会非常小心地循环。 由于预计输出将由数据采集器或其他此类设备转换为数字形式，实际操作是使用相同的设备来控制压缩机（如果需要，还可以使用开关Orice线）。气动传感器一起使用的数据记录器因此需要能够打开/关闭压缩机的电源，以及压力传感器（如果需要最大效率的话）。现在许多现代数据采集器都具有这些类型的输入/输出能力，以及灵活的编程潜力。 本研究期间测试的单元以及作为现场安装示例的单元使用可编程CDI无线终端单元（RTU）来控制传感器。 这些单位在BASIC（RP-52 BASIC）中编程。为了读取传感器，程序触发了压缩机的大约0.1秒的突发功率，该过程周而复始，稍微增加了压力线，并且迫使少量的气体（5毫升）离开。 然后管线内的压力迅速稳定在相当于浸入水中的水分的水头的压力。 在开始评估压力之前，程序会暂停（1 s）。
在评估压力读数时，短暂的压力激增和无调节器需要谨慎。在压缩机循环后，必须确保管线内的压力确实稳定。要做到这一点，需要对压力传感器的模拟输出进行一系列连续采样。所有值都被转换为数字格式并临时存储。然后将初始读数与10个读数的平均值进行比较。如果在用户指定的容差范围之外，则测量被拒绝，并且重复该过程。在目前的迭代中，大约25％的初始读数被拒绝，虽然这可以通过增加可接受的公差（当前相当于0.3mb（0.01#39;））或通过增加压缩机停机后和传感器采样开始之前的暂停。在非常罕见的情况下（少于1％），可能需要第三个测量周期。似乎使用鼠标阀来选择波形线可能与这些被拒绝的初始读数中的大多数（如果不是全部的话）相关联。当前程序打开鼠标阀并同时循环压缩机，但可能需要以与压缩机稍微不同的时间操作鼠标阀，这可以减少拒绝初始读数的发生率。Orice管线管的物理特性（长度/直径）和容积室的大小也对稳定时间产生影响，应由用户考虑。作者使用了20米的Orice线。 据报道，至少有一名用户在450米的海底线运行中获得成功（J Conley，个人通信，2012年10月）。
一旦RTU验证了成功的测量周期，数字压力值将通过斜率和偏移转换为可识别的工程值（水深或米深）并永久存储。然后可以通过遥测（CDI单元中的内置无线电/调制解调器）或手动收集。 在本研究当
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