水位测量新技术，浮子式水位计

2.2.3.1　浮子式水位计的工作原理及类型

1.工作原理

浮子式水位计的工作原理是用浮子感应水位。浮子漂浮在水位井内，随水位升降而升降。浮子上的悬索绕过水位轮悬挂一平衡锤，由平衡锤自动控制悬索的位移和张紧。悬索在水位升降时带动水位轮旋转，从而将水位的升降转换为水位轮的旋转。

用模拟画线记录水位过程的浮子式水位计，水位轮可带动一传统的水位画线记录装置记下水位过程。

用于自动化系统或数字记录的浮子式水位计，水位轮的旋转通过机械传动使水位编码器轴转动。其结果是一定的水位或水位变化使水位编码器处于一定的位置或位置发生一定的变化。水位编码器将对应于水位的位置转换成电信号输出，达到编码目的。此水位编码信号可以直接用于水位遥测。同时水位轮也可带动一传统的水位画线记录装置记下水位过程，或者就用数字式记录器（固态存储器）记下水位编码器的水位信号输出。

2.浮子式遥测水位计的组成

浮子式遥测水位计由水位感应部分、水位传动部分、水位记录或水位编码器三部分组成。

（1）水位感应部分。水位感应部分由浮子、水位轮、悬索和平衡锤组成。

浮子需要有一定的重量，安装在水位轮上后应能稳定地漂浮在水面上，随水面升降而升降。绝大多数的浮子都设计成空心状，有很好的密封性，能够单独浮在水面上。连接上平衡锤后，只是将浮子提起一定的浮起高度而已。但也有个别仪器将浮子设计为实心状，使用时，依靠平衡锤的重量将浮子的一部分拉出水面。实心浮子不存在漏水问题。浮子一般用金属和合成材料制成，空心密封，扁平形状的较多。不论其上、下部为何种圆锥体、圆弧形或平面，浮子的中段都有一圆柱形工作部位。正常工作时，水位基本上处于此工作部位的中间位置。国内水位计的浮子直径以200mm最为普遍，为了节约建井费用，一些水位计提高了灵敏度，使用150mm和120mm直径的浮子。

悬索应由耐腐蚀的材料制成，现在普遍使用线胀系数小的不锈钢丝绳制作。悬索应能承受浮子和平衡锤的重量，并能自如地绕过水位轮而不发生永久变形。悬索的形状要稳定，保证不因温度和受力变化而发生影响测量精度的伸缩和直径的变化。

设计较好的水位计是将悬索和水位轮之间的带传动关系改为链传动关系，可以完全消除悬索和水位轮之间的滑动现象，并能达到在长期不断的水位升降中，悬索和水位轮之间不会发生相对滑动。目前采用链传动的悬索有带球钢丝绳和穿孔不锈钢带两种。

1）带球钢丝绳。在不锈钢丝绳悬索上按一定间距固定不锈钢小球，工作时，水位轮转动，钢丝绳上的小球会一一嵌入水位轮外缘V形槽中相应的圆球状凹孔内，起到链传动的作用。小球直径为3～4mm，间距为10～20cm。

2）穿孔不锈钢带。在作为悬索使用的不锈钢带上等距离钻孔，再在水位轮外缘上按同样间距嵌入尖头销钉。工作时，水位轮转动，水轮上的销钉依次进入钢带上的小孔，起了链传动作用。钢带上的孔径为2～3mm，孔距为10～20cm。

改为链传动后，消除了滑动现象。但是在10m以上，甚至长达50m的长悬索上，等距离固定小球或打孔，要控制很高的精度，通常要求在10m变幅内，间距累积误差不能超过2～3mm，并要保证在任何状况下，悬索上的小球都能正确地嵌入水位轮凹孔内，或水位轮的销钉能正确进入钢带小孔内，以保证仪器正常工作。

水位轮的外径尺寸要求很高，是水位测量误差的主要影响因素。水位轮的直径大小在一定程度上决定了水位井的直径，因此选择小一些的水位轮能节省基建费用。但小水位轮会增加水位测量误差，同时需要配用较大直径的浮子，较大直径的浮子又要求较大的水位井。这些影响因素是相互关联的。

平衡锤的作用是平衡浮子的重量，张紧悬索，保证悬索正常带动水位轮旋转。在水位陡涨和波浪影响时，浮子会有短期失重现象，这时悬索可能和水位轮发生滑移。为了防止这种滑移的发生，一些水位计在浮子上部的悬索上挂一较轻的辅助平衡锤。当浮子被水位突然托起失重时，此辅助平衡锤和平衡锤仍能张紧悬索，保证不发生滑动。

（2）水位传动部分。水位传动部分的作用是将水位轮的转动传到水位记录部分和水位编码器，使水位的变化能和记录部分的水位坐标或水位编码器的输入准确地对应起来。按此不同要求，可以分为水位画线记录和水位编码信号输出两种类型。

以日记水位计为代表的短周期自记水位计是将记录纸卷在一个水位滚筒的外侧，水位轮和水位滚筒同轴，水位轮和水位滚筒同步转动，没有水位传动环节。

长期自记水位计的连续运行时间都在一个月以上，使用长图形记录纸。记录纸长达10m，由自记钟控制着缓慢地走动。而水位坐标只有10cm或20cm宽，只代表1m或2m水位。所以水位记录装置要使用来复杆，将大变幅的水位往复记录在10cm或20cm宽的水位坐标上。

（3）水位编码器。

1）水位编码器的作用。水位的升降使浮子和悬索带动水位轮旋转，水位编码器的作用是将水位轮的旋转角度、位置转换成代表相应水位的数字信号或电信号。水位编码器的输出可以是一个模拟量，如电流、电压等，也可以是一组代表数字量的开关状态或电信号。水位的变化带动水位轮旋转，此旋转角度通过齿轮组啮合到水位编码器输入轴，编码器又将其轴的角度转动变化转换成数字量输出。这类编码器称为轴角编码器。随水位变化而旋转的水位轮可以很方便地和轴角编码器相连，组成浮子式遥测水位计。

水位感应部分就是一浮子式感应系统，传动部分是一组齿轮，将水位轮的旋转传递到编码器的输入轴，同时使编码器的输入轴每转一圈代表的水位变化和输入轴的信号分度完全对应。

编码器可以是专门制造的，也可以使用工业上的通用编码器。它的内部有一组信号发生机构，发出通断开关信号或光电脉冲信号；其外部有一输出接口，将这些信号脉冲输出。大多数编码器另附有一组机械式数字输出，显示编码器当前轴的位置所代表的水位数字，便于人工读出水位和安装调校编码水位计。

2）水位编码器的分类。可按编码方式、编码的码制、编码的产生方式来分类。

按编码方式分类可以分为增量编码器和全量编码器两类，还有通称为“半全量编码”的方式。

增量编码器是将水位的变化转换成相应的脉冲输出，再用接收器判别脉冲的性质以决定水位的升降变化，在原水位上加上此变化，得出变化后的水位。例如：在水位升1cm或降1cm时产生一个正或负脉冲，接收装置根据接收到的脉冲的正负判定水位是升了1cm还是降了1cm，再在原水位上加上1cm或减去1cm，得到新的水位。增量编码器可以做得非常简单，成本低廉。但是，由于水位的变化是连续的，一旦有一次判断错误，产生的差错将一直传递下去。水位仪器在野外长期运行，增量编码器信号的产生和电信号的传输、处理、记录难免不受到各种干扰而出错，一旦出错就会影响整个水位记录。所以，各个环节都必须做得非常可靠，才能投入运行。增量编码器对运行环境的要求也比较高，不能有较大的干扰存在，这在客观上影响了增量编码器的推广应用。

全量编码器将水位数字的全量转换成一组编码，并以全量码输出，接收器再将这一组全量码转换成水位数字。由于水位有效数字可以长达6位，但水位变幅一般不会超过4位（99.99m），所以全量编码器的量程多为4位。例如：当水位是1317.62m时，全量编码器可以将17.62m转换成约定的数字信号输出。此信号经译读后还原成17.62m，加上固定的基准值1300m，就得到了当时水位1317.62m。

半全量编码应用的也是全量编码器，但编码位数较小。如使用28（256位）的格雷码编码器，只能对应于2.56m水位变幅，水位上涨超出2.56m水位时，编码器又从0.01m开始。这时，编码器内的电路会通过数据比较判断处理，使水位数据在原来的2.56m基础上累加编码器输出值。如果在2.56m处水位下降，编码器内的电路同样能通过数据比较，判断出实际水位就是编码器的输出值。半全量编码方式的编码器由编码位数较小（可以小于26，64位）的编码器和相应的电子电路组成。应用编码位数小的编码器可以降低造价，减少编码器转动阻力，提高水位测量灵敏度。但增加了电子电路，增加了复杂性，降低了抗干扰性能，往往还需要专用电源，这些因素可能使可靠性降低。

按编码的码制分类，增量型和全量型的编码码制都有多种类型，这里只介绍两种最常用的全量型编码码制。我国水利部的遥测水位计标准推荐使用格雷码（Cray Code）和二—十进制编码——BCD码（Binary Coded Decimal）两种方式，两种都是全量编码。

BCD码是一种通用的编码方式。它是将十进制数字中的每一位数用二进制的方法进行编码，得到一组二进制数字代表一个十进制数。十进制和二进制转换详见表2.1，如果水位是17.62m，对照表2.1，1762可以用0001 0111 0110 0010 16个二进制数表示。这种编码方式就称为BCD码。

表2.1　十进制和二进制转换

机械式BCD编码器的输入必须将通常的连续转动转变成步进式转动输入，否则将引起错误的编码输出而不能应用。因此，机械式BCD编码器必须装有步进机构，将输入轴的连续转动转变为一次一个分度值的步进转动，使编码器不可能停在中间位置上。步进机构比较复杂，也容易出故障，同时还增加了运动阻力，增大了水位误差。早期的编码器曾有这样的结构，现已逐步被淘汰，改成适应性较好的格雷码码制了。

格雷码是循环码的一种，其定义是相邻两数码（十进制数）的二进制编码中仅有一位发生变化。由于格雷码使用得很多，有时会把循环码称为格雷码。格雷码的实质也是用二进制的0和1来表示十进制数字。十进制的0～15用格雷码表示见表2.2。

表2.2　十进制数字与格雷码对照表

格雷码具有以下特点：相邻两数码仅有一位发生变化（单位间隔码）；头尾两数码也仅有一位发生变化（循环码）；当从头尾两端去掉同样数目数码时，代码序列仍保持循环码特点；除最高数位数码外，其余各位代码都与中线对称。

这些特点使格雷码编码器即使在变化的中间状态，其输出至多也只相差一个分辨力，从而可以适应输入轴的连续变化而不会出错，结构上也不再需要步进机构。另外，码盘码轮的设计很简单，也易于制作，所以格雷码成为主要的使用码制。格雷码编码器的量程是按二进制计算的，使用范围都是2n。用于水位测量时，一般制作成28（256）、210（1024）、212（4096）。还有一些码制，同样可避免需要步进机构的缺点。例如余3反射码、BCD循环码等，但应用较少。

按编码信号的产生方式分类可分为机械接触信号和光电信号两个主要类别。

多数编码器使用机械接触信号，信号产生的方式有电刷和码道接触、码轮凸起推动微动开关和磁钢吸合干簧管等三种方式。电刷和码道接触方式使用最早，普遍使用于平面码盘。在合成材料制作的平面码盘上，按格雷码制式覆盖上铜箔，铜箔上镀上导电性好、耐磨、耐腐蚀的贵金属，保证与电刷有良好的接触。电刷采用金属丝制作，材料为铂铱合金等贵金属。要求有良好的导电性、耐磨性、耐腐蚀性和优良的弹性。为了保证接触可靠，一条码道上往往使用2～3根电刷同时工作。也可以设计成码轮式结构，码道制作在码轮外缘上，这样的设计便于安装电刷和机械式数字显示器。码轮的进位可采用现有成熟的方式，简单可靠。接触丝方式对码道和接触丝都有很高的要求，容易磨损和失效，影响使用可靠性。

用微动开关的断开、闭合作为0、1信号的区分，使编码器的结构更为简单。微动开关体积很小，它的外部有一弹性很好的簧片，簧片的弹起或压下控制着内部一单刀双向开关的状态。在码轮的外缘上按需要制作相应的凸、凹状。码轮旋转后，当凸起部分压住簧片时，开关内部的双向开关处于一种通断状态。当凹下部分对准簧片时，簧片弹起，开关内部的双向开关处于另一种相反的通断状态。一个码轮片和一个微动开关构成一条码道，一组微动开关对应一组码轮片构成了一个编码器。

用干簧管代替微动开关，在码轮上的相应位置装上磁钢，当码轮旋转时，磁钢接近干簧管使它的触点闭合，达到发生信号的目的。这种信号发生方式对磁钢和干簧管要求较高，国内没有采用。

机械接触式编码器的码轮或码盘在转动时要受到电刷的压力、微动开关簧片的压力、磁钢的磁性吸力，它们都会产生一定的旋转阻力，影响测量准确性。所以研制了基本无阻力的光电信号编码器。信号的产生依靠一组光源和一组光敏器件，在光源和光敏器件之间安装一平面码盘，码盘上对应的码道位置上作出一些符合编码码制的通孔。当码盘上的通孔位于光源和光敏器件之间时，光线通过通孔照到光敏元件上，产生信号。反之就没有信号发生，完成了编码任务。光电编码器转动阻力极小，提高了仪器的准确性和灵敏度。由于要使用很多光电器件，它在工作读数的短时间内要有电源受控供电，故增加了仪器的功耗。目前的光电器件质量很好，用蓄电池供电也很可靠。

水位编码器的水位编码信号输出使用一专用电缆，可以是并行输出的多芯电缆，如格雷码、BCD码等全量编码方式，也可以是几芯电缆，如增量编码。一些编码器内部带有处理电路，将信号处理成标准输出形式，如RS—232、RS—485、SDI12等型式。由于编码和输出方式的不同，平时工作时，有些编码器不需电源，有些要有电源，但在读取数据时都必须有电源供电。

3.浮子式水位计的主要类型

（1）浮子式日记水位计。这是我国最早普及使用的自记水位计。自记周期为一天，所以称为日记水位计。记录方式是在记录纸上画线记录水位过程，用自记钟带动记录笔走动，水位轮带动记录滚筒转动，建立起时间、水位坐标。

（2）浮子式长期自记水位计（画线记录）。日记水位计只能记录一天的水位过程，不能满足长期自记的需要。因此曾经发展了一些自记周期较长的自记水位计，自记周期在一周、一个月、三个月以上。我国曾经有过月记和季记两种浮子式长期自记水位计。它们都采用长周期的机械或石英自记钟，带动长图形记录纸走动，水位轮带动来复装置使记录笔来回走动记下水位变化。

由于电子记录（固态存储）方式的发展，画线记录的长期自记方式只应用于很少场合。

（3）浮子式遥测水位计。将浮子、水位轮的水位感应系统通过机械传动系统连接一个轴角编码器，就构成了一台浮子式遥测水位计。

此编码器可以是全量编码器或者是增量编码器，目前应用较多的是格雷码码制的全量编码器。一般都应用机械接触的方式产生信号。在灵敏度要求较高时，采用光电编码器。

（4）其他类型的浮子式水位计。①浮子式地下水位计：也可采用浮子式水位计测记地下水位。由于地下水位井的管径很小，有时又很深，使得所用水位计的浮子和平衡锤都要很小，极影响测量准确性。地下水位变化很慢，测量要求低于地表水，使得它仍可用浮子式水位计测记。②斜井式浮子水位计：浮子水位计都要有一水位测井，且都要求是直立式测井。但有些地点很难建直井，如坝上，有些地点新建井花费太大。为方便施工，也有应用斜井式浮子水位计的。在水体和仪器房之间架两根斜度一致的圆管，分别放入浮子（球）和平衡锤（球），两者都能在管内滚动。连接浮子（球）和平衡锤（球）的悬索绕过水位轮，带动水位轮转动，使水位计工作。斜井必然影响水位测量准确性，在设计中要全面考虑。还会产生一个水位升降和斜井斜长的转换问题。

斜井式浮子水位计的斜井安装示意图如图2.4所示。

图2.4　斜井安装示意图

在斜井中可以应用激光水位计测量水位。只需设一根斜井井管，在管中设一专门设计的激光反射浮子，此浮子的激光反射面应能准确代表水位，又能稳定地对准、反射激光束。做到这些要求有不少困难，但如能做到，将使斜井水位计的水位准确度大大提高。

2.2.3.2　浮子式水位计的结构

现以SW40型日记水位计、浮子式长期自记水位计和WFH—2型全量机械编码水位传感器为例来介绍浮子式水位计的结构。

1.SW40型日记水位计

这种仪器是国内使用最多的日记水位计，使用年限也最长，已正式生产40多年。改型的SW40—1型日记水位计使用石英自记钟，水位轮和浮筒也都改小了。但两种型号的基本结构是一致的。

（1）工作原理。SW40型日记水位计外形如图2.5所示。由浮筒感应水位变化，通过水位轮将水位的上下变化转换成记录装置中记录筒的圆周运动，构成水位过程线的纵坐标——水位；以走时装置中的自记钟带动记录笔作横向运动，构成水位过程线的横坐标——时间，从而在包于记录筒外的记录纸上画出水位过程线。

（2）主要技术指标。记录时间：24h；日时间记录误差：机械钟5min、石英钟3min；水位变幅：不限，记录筒可循环连续记录；水位比例：1∶1、1∶2、1∶5、1∶10；水位记录误差（变幅8m）：1∶1、1∶2为±1.5cm，1∶5、1∶10为±2cm；水位灵敏阈：≤2mm；浮筒直径：200mm；环境温度：－10～40℃；水位轮周长：800mm、400mm；悬索：不锈钢丝绳，直径1mm。

图2.5　SW40型日记水位计

图2.6　FW390—1型长期自记水位计

改型的SW40—1型日记水位计使用石英自记钟，浮筒直径有70mm和100mm两种，水位轮周长400mm。

2.浮子式长期自记水位计

FW390—1型长期自记水位计是国内一种浮子式长期自记水位计，性能较完善，应用中可靠稳定。另一种是SWY20型月记水位计，这类仪器已很少应用。

（1）工作原理。FW390—1型长期自记水位计是一种画线记录方式的浮子式水位计，适用于江河、湖泊、水库、河口等处的水位长期自记。FW390—1型长期自记水位计外形如图2.6所示。

本仪器的特点是性能较为可靠、记录周期长。记录纸由石英自记钟带动并控制运行速度，以6mm/h的速度自动放、收。用浮筒感应水位变化，带动水位轮再传动来复杆旋转，使记录笔在来复杆上来去行走，将水位变化过程划记在记录纸上，得到水位变化过程线。(www.xing528.com)

（2）主要技术指标。工作周期：3个月；水位变幅：10m，最大50m（加长悬索）；水位变率：小于50cm/min；悬索：10mm×0.2mm不锈钢穿孔钢带；记录纸：力感型干式记录纸或墨水记录纸（任选），时间坐标：6mm/h、纸长15m，水位坐标：1∶10或1∶5，有效纸宽20cm；精度：水位记录误差：≤±（水位变幅×2‰＋1cm），时间误差：≤±3min/月；水位报警：机械控制电触点式，报警范围12m；模数转换功能：设有安装机构，可按需要配用轴角编码器；水位轮周长：800mm；环境温度：－10～＋42℃（测井水面不结冰）。

（3）结构。整个仪器分为水位感应、水位记录、走纸机构、水位报警、编码传动和箱体等部分。

1）水位感应部分。工作原理与一般浮子式水位计相同。采用穿孔不锈钢带作悬索，钢带上有ϕ3＋0.05mm的小孔，孔距200mm。水位轮外缘槽底中均匀地装有四个锥形销钉，间隔圆弧长为200mm。水位升降时，这四个销钉与穿孔钢带上小孔依次啮合，类似于链传动方式。从而避免了一般光滑悬索可能发生的滑动，提高了水位感应精度。

2）水位记录部分。水位轮通过齿轮传动带动来复杆旋转。来复杆是传递水位至记录纸的关键零件，来复杆导程20mm，全长200mm。来复杆转动时，导肖在来复沟槽中来去行走，带动主笔架座和主记录笔往返移动。水位每变化20cm，水位轮带动来复杆转一圈，主记录笔移动一个导程（20mm），将水位缩小10倍记录在纸上（水位比例1∶10）。副笔用于判别水位涨落。从其画线不画线，可以判别相应时段内水位的涨落。

仪器有两种记录纸。用力感型记录纸时使用金属针尖作记录笔，不用墨水。力感型记录纸虽然使用可靠，但受碰擦后会影响线迹清晰度，因此本仪器还配备了墨水记录纸供选用。

3）走纸机构部分。走纸机构是一单独部件，以6mm/h的速度自动放、收记录纸。走纸动力和时间控制均由石英自记钟提供，走纸速度为6mm/h。

4）水位报警部分。报警装置为机械控制电触点式，当水位超过某一预定值时，触点接通自动报警。报警范围为12m水位变幅。

3.WFH—2型全量机械编码水位传感器

从20世纪80年代中期开始，我国开始大量建设水文自动测报系统，水文数据的收集也开始向自动化方向发展，遥测编码水位计因而得到很快的发展。在各种编码水位计中，WFH—2型全量机械编码水位传感器以其良好的性能、很好的可靠性而得到普遍应用。WFH—2型全量机械编码水位传感器外形图如图2.7所示。

图2.7　WFH—2型全量机械编码水位传感器

（1）工作原理。WFH—2型全量机械编码水位传感器用浮子感测天然水体水位的变化，同时通过轴角编码器将水位模拟量转换为数字信息量。当水位变化时，浮子把水位涨落的直线运动借助悬索传递给水位轮，使水位轮产生圆周运动，并准确地将直线位移量转换为相应的角位移量（转动）。水位轮轴就是轴角编码器的输入轴。因此，当水位轮旋转的同时，轴角编码器已将水位模拟量A转换，并编制成相应的数字编码D。此数字编码D用多芯电缆并行输出至采集器，由采集器进行显示、存储、处理或转发。

WFH—2型全量机械编码水位传感器可用于各种遥测、数字显示记录水位。在水位数据收集、存储、处理系统中，可作为长期收集水位信息的水位传感器。在水文自动测报系统中，可作为遥测站水位遥测报汛的水位传感器。

（2）主要技术指标。浮子直径：15cm（特殊订货：12cm、10cm）；水位轮工作周长：32cm；平衡锤直径：2cm；测量范围：40m（特殊订货：10m、20m）；分辨力：1cm；最大水位变率：100cm/min；准确度：10m量程时，≤±0.2%FS，＞10m量程时，≤±0.3%FS；水位轮转动力矩：≤0.015N·m；编码码制：格雷码；平均无故障工作次数：1×107次；显示方式：机械数字显示；显示水位数：4位；工作环境温度：－10～＋50℃（测井水体不结冰）；工作环境湿度：95%RH（40℃无凝露）；体积：14cm×15cm×15cm（宽×高×长）。

（3）结构。WFH—2型全量机械编码水位传感器由浮子感测系统和轴角编码器两部分组成。仪器全套设备及其安装示意如图2.8所示。

图2.8　仪器全套设备及其安装示意图

1—轴角编码器；2—悬索；3—浮子；4—水位轮；5—平衡锤

1）浮子感测系统。包括浮子、平衡锤、悬索、水位轮等。

a.浮子。浮子由橡塑材料制成，具有良好的耐腐性能，可在含盐度高的河口或具有腐蚀介质的测井中长期可靠地工作。

仪器的灵敏阈、测量准确度及稳定性直接与感测系统浮子的直径有关。本仪器配用标准浮子直径为15cm，可使用至40m水位量程，ϕ12cm、ϕ10cm小浮子，分别使用于20m、10m水位量程。

直径121cm是基本浮子，为一聚乙烯中空吹塑件，内部装有配重，以使在平衡锤作用下，浮子浸入水中的高度达到设计要求。浮子盖内螺纹的上方有一洞穴，悬索从其上方穿进、打结，即可将浮子悬挂起来。ϕ15cm浮子是在ϕ12cm浮子的外圆套一个ϕ15cm橡胶圈而成。ϕ10cm浮子是实心橡胶体，其中间有一配重，配重上有悬吊螺钉，供固定悬索。

b.平衡锤。用于平衡浮子的重量，使浮子悬浮于水中时，水面线在其最大外缘高度的1/2处。

c.悬索。悬索为ϕ1mm多股（19股）不锈钢丝绳，质地柔软，材料为1Cr18Ni9Ti，具有很好的抗腐性能。

d.水位轮。为一铝合金轮，水位轮配装ϕ1mm悬索后，其工作周长为32cm。

2）轴角编码器。包括十六进制计数器、码轮组部件、开关组部件、插头支部件、机壳、底座和十进制机械计数器。轴角编码器结构如图2.9所示。

图2.9　轴角编码器结构正视图

1—第一码轮组GP1；2—第二码轮组GP2；3—第三码轮组GP3；4—第四码轮组GP4；5—第一开关组GK1；6—第二开关组GK2；7—第三开关组GK3；8—第四开关组GK4；9—进位轮；10—主动计数轮之定位轮；11—主动计数轮之拨轮；12—被动计数轮；13—水位轮枢轴（轴角编码器输入轴）；14—轴承座；15—轴承；16—固定螺丝；17—开关部件；18—机壳；19—底板

a.十六进制计数器。格雷码的码轮应用十六进制。本仪器的十六进制计数器采用外置进位轮间歇式传动进位机构。这种传统的进位机构具有结构简单、使用维修方便、运行精确和工作可靠等特点。

十六进制计数器由3组主动计数轮、进位轮、被动计数轮及相应的支承部分和机壳等组成。其综合功能是使相邻码轮组之间按十六进制进位。

b.码轮组部件。按二进制方式排列，信息量D＝2n，n为码轮位数，当n＝12时，可计算得相应信息量D＝4096，这便是40m水位量程拥有的水位值和码位数。将12位码轮分别组合成部件，40m水位量程为：第一码轮组部件有4位码轮；第二、三码轮组部件各有3位码轮，第四码轮组部件为2位。

码轮组按相应部件分别安装在十六进制的主、被动计数轮的轴套上，用并帽并紧成为一体。

码轮和码轮组按照格雷码编码规律设计，排列有一系列凸轮，各凸轮正对准着其下方开关组部件的开关。码轮组随水位变化产生一定的角位移（模拟量），开关组各开关在凸轮作用下，产生通、断两种开关信号，即“0”和“1”一串的逻辑状态（数字量），这就是将水位模拟量转换为数字信息量的编码原理。

c.开关组部件。与上述码轮组相对应，40m水位量程共有4个开关组，第一开关组有4个开关，第二、三开关组各有3个开关，第四开关组有2个，即开关总数为12个。

本仪器采用带滚轮的微动开关，具有作用力矩小，安装精度高，工作稳定可靠，寿命长等特点。开关组部件为编码器的核心，关系到整机工作的可靠性。

各开关组整齐地安装在印制板上，焊牢，然后用螺钉固定在衬板上，成为开关组部件。从右边（水位轮）算起，其顺序是：第一开关组部件K1、K2、K3、K4；第二开关组部件K5、K6、K7；第三开关组部件K8、K9、K10。第四开关组部件K11、K12。

d.插头支部件。插头支部件由带状电缆插头（DC3—1—14T）、圆形插头（X24J19A）和带状电缆（AWG#28）组成。插座（DC3—1—14T）上有14个插孔，1～12分别与4个开关组的K1、K2、…、K12开关的K焊接头连接，13、14插孔为地线，与开关的公共地线相连。

e.机壳。机壳由铝合金制成，表面经良好的涂覆，具有较强的抗腐蚀性。

f.底座。底座板上有4个安装孔ϕ4.4mm，孔距为86mm×130mm，借木螺钉M3×18将仪器固定在水位计测井的木质台板上。

g.十进制计数器。在十六进制计数器的上前方，装有一个十进制计数器（水位显示器），它们之间通过齿轮变速、传动，将十六进制转换为十进制，这样从机壳上窗口即可方便地读得即实水位。

（4）机械编码工作过程。本轴角编码器采用带凸齿的码轮推动滚轮接点开关来完成格雷码的编码。因此，在每一码轮（码道）上应按导通与断开要求制作凸起和凹下，在凸起处，凸点顶起微动开关，开关接通。在凹下处，微动开关仍处于自然状态，触点断开。机械编码工作过程示意图如图2.10所示。

图2.10　机械编码工作过程示意图

2.2.3.3　浮子式水位计的安装和应用

1.水位观测平台

水位观测平台主要由仪器房、测井、附属设施构成。水位观测平台应符合《水位观测平台技术标准》的要求。

浮子式水位计的水位感应系统（浮子）必须安装在水位观测平台的水位测井内，仪器主体安装在仪器房内。

地表水水位观测平台按形式和在断面上的位置可分为岛式、岸式、岛岸结合式。按其结构和工作方式可分为水平连通管式、虹吸式、斜井式、分级传感式、悬臂式和斜坡式等。

浮子式水位计对平台的要求：

（1）平台测井的断面形状、高度及垂直位置。测井的断面形状可以是圆形、方形或矩形、椭圆形等任意形状，测井应有足够大小的内空，用以安装所使用的浮子式水位计。

测井应垂直于水平面，保证在水位变化范围内，浮子能自由升降。测井底应低于被测最低水位0.5m以上，井口高于被测最高水位0.5m以上。

（2）平台测井的断面尺寸。不论采用何种断面形状，均应保证安装在此水位观测井上的浮子式水位计的浮子距井壁距离在7.5cm以上，平衡锤离井壁也应有7.5cm以上的距离。

测井内安装两台或两台以上的浮子式水位计，所有浮子、平衡锤相互之间的距离应在12cm以上。

（3）仪器房内应有安放仪器的工作台，台面平整水平。仪器房以及整个平台应有电源、信号通信电缆的架设及保护设施。

水位观测平台应符合防洪标准、测洪标准、抗震标准、防雷标准要求。其荷载设计应予充分考虑。

2.浮子式水位计的安装

（1）安装基本要求。在水位观测平台的仪器房内，水位测井的上方安有一仪器安装平台。仪器房内应通风干燥，并有相应的防尘、防虫措施。有些水位观测平台用工业管材构建，或测井很小，上部不能构建可以进人的仪器房，只是一个安装水位计的仪器棚。但除了空间尺寸外，此仪器棚应满足仪器安装、操作方便、仪器工作环境的要求。

（2）仪器的固定位置。浮子式水位计一般都直接安放在测井上方的仪器安装平台上，多数仪器基座上都有固定螺丝孔，可以将水位计用固定螺丝固定在安装平台上。悬索通过安装平台上的孔（缝）悬吊测井内的浮子和平衡锤。一些安装平台很平整，也很稳固，水位计可以不使用固定螺丝固定，而直接安放在平台上的某一位置上。这样的安装虽然不会影响水位工作，但必须确保水位计不会移动，而这是难以长期做到的，尤其是较轻、不大的水位计。所以应尽可能用固定螺丝固定。

（3）水位感应系统的安装。有些水位计的浮子在安装前要加入配重，要按说明书要求进行操作。加入配重后，要注意浮子在水中的沉浮高度和倾斜稳定程度是否正常。浮子应用前要放入水中观察一下，也要观察一下浮子是否密封，不漏水。

安装水位感应部分时，重要的一项工作是确定悬索总长。悬索总长应大于水位轮轴到最低水位的距离。在水位计固定安装好后，计算水位轮轴到最低水位的距离，悬索长度应大于此距离1～2m。具体要求是：能测到最低水位。此时，平衡锤将升至最高处，但不会碰到测井上口处任何阻挡，能测到需要测到的最高水位。此时，平衡锤将降到最低处，但不会碰到测井底部，也不会碰到下部任何阻挡，包括浮子。

（4）检查要求。安装好的浮子式水位计应注意检查以下事项：水位计是否固定得很好，是否晃动和能轻易移动；水位计是否能保证在要求的水平或垂直状态；悬索不会碰擦到安装平台的悬索通过孔（缝）边缘。

浮子和平衡锤和井壁距离是否符合要求，如果有两台浮子式水位计，它们的浮子、平衡锤相互间距离也要符合要求；如果悬索脱出水位轮槽，应保证悬索不会落入测井内，尤其是在安装平台上开有悬索通过缝时；浮子和平衡锤与悬索的连接是否符合要求，是否牢固。

（5）特殊仪器的安装。少量浮子式水位计可能固定安装在垂直基面上。因安装位置不同，有些水位计的悬索可能会经过一些滑轮再进入水位测井。斜井水位计的安装会与一般直井水位计的安装有较大不同；浮子式地下水位计在地下水位井的安装也与地表水位不同，在这些情况下，都应在充分了解它们的特殊性后再进行安装。

3.浮子式水位计的应用

水位计的工作目的是取得准确的水位记录，在应用中基本上会有对水位、对时间和得到水位记录三项工作。按仪器要求进行。

2.2.3.4　浮子式水位计的特性与讨论

浮子式水位计测量准确性很好、工作稳定可靠；结构简单、容易掌握；浮子式水位计类型较多，既有传统的划线记录的日记水位计，又有带编码器的浮子式遥测水位计。既可用于简单的水位自记，又可以用于先进的自动化系统。又因为浮子感应系统测量水位的准确稳定性和这类产品较低廉的价格，使得凡是可以建造水位测井的地点，都会优先考虑使用浮子式水位计。

但是，日记型浮子式水位计只能得到一天的水位记录过程线，既不能得到长期的数据记录，又不能自动进行数据处理。因此，采用浮子式水位编码器的遥测水位计以及固态存储记录器将会大量使用。

由于修建测井需要较大的投资，在有些地方，修建测井很困难，甚至不可能修建测井。故在不宜建造水位测井的地方，应该使用压力式、超声波、雷达等无测井水位计。