投入式液位计量表在大坝监测的应用

北斗大坝变形监测不是北斗卫星高精度定位的具体应用，需要测量整个系统，需要一系列设备的协作

投入式液位计

用于液位测量的仪表的作用也不容忽视，主要作用也是根据水位的变化来测量水库的变形。 本文主要介绍了采用北斗大坝变形监测系统结构、数据处理流程以及定位数据处理误差修正模型提高监测精度的方法。 收集的北斗卫星数据通过通信网络传送到数据处理中心，计算数据得到监测点和基准站的相对位移，达到了监测水库变形的目的。 引言北斗大坝变形监测主要采用北斗差分定位方式，在了解纬度和经度等信息的基准站安装高精度北斗接收机，以大坝上安装的十高精度北斗接收机等设备为监测点，同时观测相同的北斗卫星，取得相应的北斗卫星数据。 收集的北斗卫星数据通过通信网络传送到数据处理中心，计算数据得到监测点和基准站的相对位移，达到了监测水库变形的目的。 1北斗大坝变形监测系统构成北斗大坝变形监测系统，由数据采集子系统、通信网络、数据分析处理中心、远程监测平台等组成。 1.1数据采集子系统数据采集子系统包括基站和监测点两部分。 数据收集子系统的功能是收集基站和监控站的定位信息，并将收集到的数据定时发送到数据处理中心。 基准站是监控系统整体的基准参考，需要建设在稳定的岩盘上，基准站设置高精度的北斗接收机来收集卫星观测数据。 监测站分布于整个变形区域的特征点，整个坝体以多台高精度北斗接收机、电子数据采集主机和电子传感器为监测站。 1.1.1数据采集主机的数据采集主机特点:①高精度卫星接收机一次输出的数据量大、要求高速缓存大、通信链路断开时需要保存大量数据，需要外置TF存储器作为北斗数据存储器。 MCU选定了ST公司( Cortex-M3芯片)。 ②数据采集主机与高精度北斗卫星接收机位于同一金属机壳内，连接高精度北斗接收机的串行无需防雷处理，采用普通串行即可。 RT1 RS232连接北斗接收}JL、北斗数据收集。 ③隔离485接口主要连接电子式水平传感器、垂直位移传感器、485接口液位计、485接口雨量传感器、土层湿度传感器等。 ④带防护装置的网络端口连接到通信网络，将收集到的北斗定位数据和外部感测数据发送到数据处理中心。 ⑤ 4-20mA模拟信号输入端口用于连接4-20mA输出端口的雨量传感器、液位计、土层湿度传感器等。 输入信号被转换成电流/电压，并被发送给MCU的A/D转换器以被数字化。 ⑥许多反斗式雨量传感器等输出的是脉冲信号，可通过计数脉冲输入口访问。 计数脉冲从通常的MCU I/o端口输入，与内部定时器的宽计数器一起计数雨量。 数据采集主机的原理框图如图1所示。 图1数据采集主机原理框图1.1.2水库变形监测常用的电子传感器(1)水库液位计种类繁多，具有投入式液位计、浮子式液位计、超声波液位计、压力式液位计等特点，可根据水库整体周围的具体情况使用。 ①浮子式液位计有浮子感知水位升降的原理。 通过机械方法直接驱动浮子来记录结构的普通水平计，有将浮子给予的旋转角量转换成增量电脉冲或二进制码脉冲并远距离传送的电传输、数字水平计、由微浮子和多个十弹簧管构成的数字传感器水平计等。 应用广泛的是机械浮子液位计。 应用浮式液位计需要测井设备，只适用于岸坡稳定、河床冲击小的低含沙量河段。 ②超声波液位计是一种反射式液位计，应用声波在不同接口反射的原理测量水位。 分为气介式和水介式。 气介式以空气为声波的传播媒介，换能器放置在水面上，在水面上反射声波，通过回波时间无法计算水位。 仪器不接触水体，完全消除水中泥沙、流速冲击、水草等不利因素的影响。 水介式是在河底安装转换器，向水面发射声波，也不需要打井。 两种液位计都可以用电缆保存室内标志和记录。 ③压力式液位计的工作原理是测量水压，估计水位。 其特征是，不需要建造静水井，可以将传感器固定在河底，用压力管消除大气压，直接测量水位。 压力式液位计有两种。 一个是气泡型，在压力管中不断供给空气，用自动调节的压力天平把水的压力转换成机械的旋转角度量，使记录机构运转。 另一种是电测型，将固体压阻元件作为传感器应用，将水压直接转换为电压弹性模量和频率数量的输出，然后用导线送到岸上进行处理和记录。 ④跟踪式液位计也称为接触式液位计，重锤上的电针接触水面发出电信号，使马达正转或反转，随时跟踪水面点的位置测量水位。 一般在陡峭的岸坡上架设铁管，使锤子和绳子在管道中升降，驱动记录和信号装置。 铁管进水口需要沉砂和净水设施。 ⑤

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根据测量的液体静压与该液体高度成比例的原理，利用扩散硅和陶瓷传感器的压电电阻效应，将静压转换为电信号。 经过温度补偿和线性补偿，转换为4-20 mA的标准电流信号输出。 投入式液位计的传感器部分可以直接投入液体中，寄存器部分可以用法兰和支架固定，设置方便。 数据收集主机连接传感器的接口可能只有485接口和4-20 mA输入接口，因此选择水位时请考虑接口的匹配。 (2)雨量传感器常用的雨量传感器为跌倒型雨量传感器，主要工作原理为接口收集的雨水，通过上筒(漏斗)计量跌倒，跌倒用工程塑料注塑成形，用中间隔板分为两个等容积的三角斗室。 这是机械的双稳定构造，一旦某斗室受水，另一斗室就处于待机状态。 接受的雨水容积达到规定值的0. 4 mm (假设测量精度为0. 4 mm )时，由于重力倾倒，变成待机状态，另一斗室变成接水状态。 当该连接水量达到规定值时，自己跌倒，成为待机状态。 反斗测定壁上设置有磁钢，伴随着反斗反斗时从十式导管旁边扫描，切断十式导管。 也就是说，每次跌倒时，十字导管就会接通，发出开关信号(脉冲信号)。 反斗式雨量传感器通过数据收集主体计数脉冲输入接口直接传送脉冲数据。 雨量信息采集可以不使用雨量传感器，使用雨量监测站通过无线UPRS网络将气象数据传送到数据处理中心。 (3)位移传感器的高精度北斗卫星接收机的木体能够进行水平和垂直的位移测量，考虑到成木和安装的便利性等，多采用高精度北斗卫星接收机和电子位移传感器。 位移传感器包括水平位移和垂直位移传感器，主要有电感式、静电电容式、光电式、霍尔式、涡流式位移传感器，激光位移传感器的使用方便，无需其他外部设备即可输出数字和模拟信号，数据收集主机的485接口和4-20 mA输入 1.2数据处理和分析中心的数据处理中心负责处理基站和监控站的北斗数据，数据处理中心包括星历表、原始观测数据，如卫星号、伪距离、伪距离标准偏差、载波相位差、载波瞬时多普勒频率、加载噪声比、 在采用双差分计算模式来优化载波相位差分数据处理方法的基础上，同时处理基站和监视站的载波相位数据，获得关于所获得的监视点参考点的变化量，并获得关于整个坝区域的变化量的信息。 数据处理中心主要由通信网络、数据处理软件、服务器等构成。 1.3远程监控中心远程监控中心可与数据处理中心并列，远程监控中心是整个系统的神经中枢，监控信息处理，融合水文、气象等信息，构成水库变形监控信息自动处理和应急预警信息平台。 2北斗数据处理流程北斗数据处理主要分为数据整理、数据处理、结果分析等几个流程，具体来说在图z1~图4中没有。 3数据处理误差修正模型为相对定位，相关的重要数据处理过程分为基线计算，基线计算分为长基线、中长基线、短基线3类。 本文介绍如何消除或减少与短的基线数据处理有关的误差影响因素的河流、误差。 3.1短基线的卫星历书误差从卫星历书给出的卫星位置和实际卫星位置之间的差称为卫星历书误差。 星历表误差的大小取决于卫星轨道系统的质量，如轨道站的数量和地理分布、观测值的数量和精度、决定轨道的数学模型和决定轨道的软件完整度等。 在一般工程应用中，特别是在北斗短基线的数据处理中，由于基线较短，一般采用广播历书可以满足应用的要求。 在相对定位中，卫星历书误差对计算精度的影响很小，但是在使用广播历书执行相对定位时，因为即使基线长度达到56 km，误差的影响也保持在1 cm之内，所以在短基线( 10 km之内)中误差的影响非常小，并且可以忽略它。 3.2短基线卫星时钟差和接收机时钟差的影响[[3]卫星上的时钟工具是高精度的原子钟，但卫星时钟也不可避免地会产生误差。 该误差还包括系统偏差(例如，时钟偏差、时钟速度、时钟漂移等)，也包括随机性质的偏差。 系统误差通过检验和比较确定，可以用相应的数学物理模型修正的随机误差只能用时钟的稳定度来表现统计特性，不能确定其具体大小和方向。 和卫星时钟一样，接收机时钟也出现误差，接收机时钟是石英时钟，接收机时钟的差比卫星时钟的差显着。 这个误差主要取决于钟表的质量，与使用环境有一定的关系。 码伪距观测值和对载波相位观测值的影响相同。 某个时刻t的时钟差一般在pt一" +a，}t一" +a9 }t一" +{y(t)dt式中为a〔时刻t的该时钟的时钟差； a、t、时刻的钟表的时钟速度a是l )时刻的该钟表的加速度的一半。 在使用载波相位观测值进行相对定位的情况下，根据卫星导航消息给出的卫星时钟参数求出的卫星时钟差不能成为后述的值，在制作观测方程式时必须视为美知参数。 在执行同步观测的情况下，不同的观测值可包括相同的时钟差的影响，因此，通过减去观测方程可以消除这些时钟差的影响。 假设同步观测n个卫星，在短基线(更长的基线)的数据处理中，首先选择一个卫星作为基准星，将其馀的( n-1 )个观测方程式分别从基准星观测方程式中减去，则在求出该( ( n-1 )个差分后的新的观测方程式中，某个对应 在两个车站之间，进行车站之间的单差可以消除卫星时钟的差异。 将不同时刻、不同车站间的时钟差视为独立的美知参数，减去相应的观测方程式，消除这些时钟差的影响，构成方程式。 3.3短基线的电离层延迟影响卫星电磁波信号通过电离层时传播速度的变化，变化的程度主要依赖于载波信号频率和电离层中的电子密度在传播路径上产生很小的弯曲，由此产生的误差的影响称为电离层延迟误差。 消除和削弱电离层延迟的方法有很多。 例如Bent模型、国际参考电离层模型、}Klobuchar模型、双频修正模型等。 另外，采用实测双频观测值构建电离层延迟修正模型等不同观测条件下相应的模型对电离层延迟影响万&rsquo； 的双曲馀弦值。 然而，目前常用的方法是用二频观测值去除电离层的影响，用二频观测值去除一次项电离层的影响后，剩馀高次项的影响在短基线上通常较小，可以忽略。 3.4短基线对流层延迟影响对流层延迟的一般是中性大气指电磁波的折射。 中性大气包括对流层和平流层，是大气从地面上升约40 km的部分。 80%的折射发生在对流层，因此也称为对流层的折射延迟。 对流层相对于15 UHz的电波频率为中性，信号传播产生非色散延迟，电磁波传播路径比几何距离长。 电磁波在对流层的传播速度只与大气的折射频率和电磁波的传播方向有关，与电磁波的频率无关。 对流层折射的影响通常不是天顶方向上对流层折射量与高度角的投影函数m的乘积。 对流层延迟的90%是由大气中的十干燥气体引起的，称为十量的剩馀10%是由水蒸气引起的，称为湿量。 因此，对流层的延迟可以用天顶方向的十、湿度延迟及相应的投影函数表示:其中始终采用IE11模型，IE11模型不仅考虑纬度因素，还考虑对流层季节性变化和高度差异的影响，不包括气象因素，不受气象因素观测误差的影响，也不考虑实测气象数据，无线 对流层的影响在利用模型进行修正后，足够部分的修正精度可以达到cm水平，但湿润成分部分的残留影响仍很大，在精确定位时，应利用参数估计方法将对流层的残留影响估计为一个参数。 大坝变形监测精度要求达到mm级，可以对以上几个误差进行建模处理，满足要求。 结语高精度水库变形监测主要利用连续运行的卫星定位基准站技术、卫星定位数据高精度处理技术、单网络技术、通信技术和信息处理技术等，对水库变形实现全天候自动化、高精度、可靠的监测，优于要求通视的常规测绘技术

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