中心主旨：水位計可用于河流、渠道、水庫及湖泊等水位的測量。傳統(tǒng)的浮子水位計利用浮子反映水位的變化，通過測繩和轉(zhuǎn)輪的機械傳動記錄水位，傳統(tǒng)的浮子水位計存在懸索和轉(zhuǎn)輪打滑脫落等問題，系統(tǒng)誤差大，并且需要布設(shè)在測井內(nèi)。低成本磁感應(yīng)浮子水位計依靠電磁感應(yīng)元件測量水位，克服了傳統(tǒng)浮子水位計機械傳動的不足。

０　前　言

    根據(jù)水位計工作原理的不同，可以將水位計分為：壓力式水位計、浮子式水位計、超聲波水位計和激光水位計。壓力式水位計根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，運用壓敏組件作傳感器來測量水位。超聲波式水位計利用超聲波反射的原理來測量水位，傳感器向水面發(fā)射超聲波，超聲波遇到水面立即發(fā)生反射，采用傳播的時間、安裝高度間接計算水位。浮子式水位計利用浮子跟蹤水位升降，以機械方式直接傳動記錄水位，浮子式水位計需有測井設(shè)施。激光水位計與超聲波水位測量水位的原理相似，采用激光反射的原理來測量水位。由于在農(nóng)田水位的灌溉渠道一般為規(guī)則斷面，在恒定均勻流動假設(shè)的前提下，在水位－流量關(guān)系曲線上，水位與流量存在一一對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)水位可以推求出斷面的過水流量，因此在利用儀器測量灌區(qū)渠道的流量方面，采用水位計比較簡單實用。

    在我國，浮子水位計的研發(fā)和使用可以追溯到２０世紀７０年代［１］。２００６年，祝玲等人研制了適用于自動測量引黃灌區(qū)斗口流量的智能浮子式水位計［２］，其利用倒置的量筒中浮子傳感器移動測量水位的變化情況，不需要安裝在專門的測井內(nèi)，但在渠道水流中泥沙含量過大的情況下，容易在量筒中淤積，從而水位計無法正常工作。謝崇寶和黃斌改進了機械式浮子水位計，引入了電子存儲設(shè)備，可以實時記錄并存儲水位的變化過程［３］。２０１２年，侯煜等人對傳統(tǒng)的機械式浮子水位計進行了改進，研制了新型浮子水位計，采用上下輪的封閉式結(jié)構(gòu)，改進了浮筒與重錘，減少了測繩與轉(zhuǎn)輪打滑的可能性［４］。

１　工作原理

    機械式浮子水位計工作原理如圖１所示，根據(jù)浮筒和重錘的受力有：

    對于確定的機械浮子水位計來說，Ｆｆｔ為一固定值，由于浮筒受到的浮力一定，也就是說浮筒總是保持同樣的浸沒深度。水位上升Δ時，浮筒跟蹤水面變化，浮筒也上浮Δ的距離，重錘會牽引懸索下降同樣的距離。當(dāng)水位下降時，原理類似。懸索移動帶動轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，與轉(zhuǎn)輪同軸的編碼器也隨之轉(zhuǎn)動，并輸出編碼值到數(shù)據(jù)采集裝置，采集裝置根據(jù)編碼值計算得到實際水位值。傳統(tǒng)的浮子水位計的缺點有：①當(dāng)重錘露出水面時，會產(chǎn)生一定的誤差；②當(dāng)水位變化劇烈時，可能造成懸索打滑；③需要安裝在測井中。

    在本文中研發(fā)了一種新型磁感應(yīng)浮子水位計（圖２）。磁感應(yīng)浮子水位計測桿內(nèi)等距布設(shè)磁敏開關(guān)，磁浮球懸浮在水面上，在水位變化時，磁浮球跟隨水面沿著測桿上下移動。

    式中：Ｇｆｑ為磁浮球受到的重力；Ｆｆｑ為磁浮球受到的浮力。

    對于確定的磁感應(yīng)浮子水位計來說，由于磁浮球受到的浮力一定，磁浮球總是保持同樣的浸沒深度。如圖３所示，磁浮球內(nèi)部的磁敏開關(guān)６會閉合，數(shù)據(jù)采集裝置根據(jù)電流信號，判斷磁敏開關(guān)６的位置計算得到水位。為了防止水位短時間內(nèi)的劇烈波動帶來的誤差，數(shù)據(jù)采集裝置在短時間內(nèi)采集３０次數(shù)據(jù)，只存儲其平均值作為本次的觀測值。磁感應(yīng)浮子水位計的量程取決于測桿的長度，其精度取決于磁敏開關(guān)的間距。

２　關(guān)鍵構(gòu)件及特點

    磁感應(yīng)浮子水位計如圖４所示，組成部分有：

    （１）磁浮球：磁浮球懸浮在水面上，當(dāng)水位變化時，磁浮球沿著測桿上下移動，追蹤水面的變化。

    （２）測桿：內(nèi)置磁敏開關(guān)，磁敏開關(guān)在磁浮球磁場的作用下，會由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)，接通電路，產(chǎn)生電流信號。

    （３）數(shù)據(jù)采集、存儲模塊：位于磁感應(yīng)水位計頂部的密封盒中，其功能為按照設(shè)定的時間間隔，采集電流信號，將電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，并存儲起來。

    （４）通信模塊：位于獨立的密封盒中，支持ＧＰＲＳ／ＣＤＭＡ通訊方式，由外部供電，在實時通訊狀態(tài)下，通過ＧＰＲＳ／ＣＤＭＡ模塊將水位測量數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機上。

    磁感應(yīng)浮子水位計的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)化和存儲模塊設(shè)計為一體，可以提高效率，降低功耗。在非實時通訊的狀態(tài)下，２節(jié)５號電池可工作一年。電路板、磁敏開關(guān)、采集存儲模塊、電池都密封在水位計的測桿或頂部密封盒內(nèi)，不接觸水體?？梢栽诓捎檬殖謹?shù)據(jù)通訊終端，對磁浮子水位計進行參數(shù)設(shè)置，讀取水位資料。磁感應(yīng)浮子水位計采用電磁感應(yīng)的方式獲取水位信息，不再采用機械傳動的方式，解決了懸索可能變形及打滑脫落問題。整個水位計的密封性較好，僅在更換電池時需打開密封蓋，因此不受其可以克服壓力式水位計的缺點，不受水體中的泥沙影響。同時磁感應(yīng)浮子水位計受溫度等環(huán)境因素影響不大，不需要進行溫度修正。（本文相關(guān)推薦：磁翻板液位計）

３　使用效果及評價

    在我國的大部分灌區(qū)水位計的量程較小，主要集中在０．５和１ｍ，采用磁敏開關(guān)作為水位感應(yīng)器件的優(yōu)點為在水位計量程較小時成本低廉，有利于在灌區(qū)管道中大量推廣。磁感應(yīng)浮子水位計的精度取決于磁敏開關(guān)的密度，試制了精度１和０．５ｃｍ，量程為０．５和１ｍ的磁感應(yīng)浮子水位計。將試制的水位計安裝在山東省濱州市簸箕李灌區(qū)的渠道上，使用情況良好。