水文悬索缆道系统-实现水文现代化与新技术

水文悬索缆道是应用最普遍的缆道，这里介绍的水文悬索缆道系统常被简称为缆道系统。悬杆缆道和悬索缆道在某些应用上相似，一些仪器可以通用。吊箱、缆车上可以有人操作，应用的仪器设备与水文悬索缆道不一样。

水文悬索缆道系统包括缆道、驱动设备、信号系统、记录和控制装置（缆道测流控制台）、铅鱼等部分。主要介绍缆道信号系统、缆道测流控制台和铅鱼。

1.缆道信号系统

应用水文缆道测流时要产生和传输接收流速仪信号、用于测深的水面河底信号、用于垂线起点距测量的起点距信号。还可能有测沙、测深仪器的信号接收和控制。

（1）水下信号的产生。水下信号主要包括流速仪信号、水面信号、河底信号。缆道测流都应用转子式流速仪，它们的信号都是机械触点的通断。水面、河底信号都安装在测流铅鱼上。产生信号的方式有两种：一种是机械触点，在进入水下或接触河底时导通；另一种方式是利用水电阻远小于空气绝缘电阻的方式，当两触点进入水体后，电阻急剧减少而产生信号，这种方式大量用于水面信号。这两种方式的结构都很简单。

（2）水下信号的传输。我国缆道测流都应用“无线”测流方式，水下信号传输方式已于前述，都需要水下电源。缆道传输信号较多，还应设置水下信号发生器。

（3）起点距信号的产生与传输。垂线起点距的测量首先要测出循环索运行的长度，可采用计量缆道绞车卷筒的旋转（圈数）信号的方式，也可以在循环索某一滑轮上安装光电、霍尔等计数器，此计数器测量滑轮转数并发出计数信号。通过这些信号和“卷筒”或“滑轮”上的循环索周长计算循环索运行长度。由于所有水平悬挂的钢丝绳都有垂度，不能简单地将钢丝绳长当作水平距离（起点距）。还要对绳长进行修正后才能得到起点距。水文测验中也要用悬索偏角修正水深测量值。

（4）其他信号。用缆道测沙时，可能要向水下的采样器发送开关进水口门的控制信号。用缆道回声测深仪测深时，测深仪装在测流铅鱼上，工作指令和测深数据需要用“无线”方式传输。也可能用真正的无线电波传输方式传输一些仪器的信号。

2.缆道测流控制台

水文缆道已应用发展多年，各种缆道特性也很不一致，但都必须能够收到流速仪、水面、河底信号，都能测到起点距和水深。自动化程度较高的设施以EKL—1型半自动水文缆道测验系统为例来说明缆道测流系统各部分的情况。同时简单介绍EKL—3A型的新型全自动缆道。这两种缆道测流控制台比较先进，结构、技术也较复杂。

（1）EKL—1型水文缆道测流综合控制台。EKL—1型水文缆道测流综合控制台如图2.106所示。主要由水文绞车交流变频无级调速控制、智能缆道测距和无线测流等部分组成，可实现对测流铅鱼的出车、回车、下降、提升的无级变速控制，出车、回车位置测量、显示和下降提升的位置测量、显示，以及在全断面范围内的流速测量和计算等功能，本控制台设有测点自动停车功能和河底信号停车功能。EKL—1型水文缆道测流综合控制台用于半自动缆道测流。

图2.106　EKL—1型水文缆道测流综合控制台

1）系统的主要功能。系统的主要功能有：半自动测流功能，手动测流功能，人工录入数据功能，测次流量报表计算功能，断面流速分布图生成功能，断面测量动态跟踪示图功能，夜间遥控照明功能（可选），遥控变焦图像监视功能功能（可选），缆道泥沙采样器控制信号发生功能，流量报表Email传输功能，测量、计算常规河床和复式河床流量功能。

2）主要技术指标。主要技术指标包括绞车控制、缆道测距仪和水文流速测算仪等。

a.绞车控制。供电电源：380V±10%，50 Hz，220V±10%，50 Hz；驱动电机：0.5～20k W，普通三相交流电机；行车速度：0～1.0m/s（特殊要求可达2m/s）；电机变频频率：0～50 Hz，带显示；减速制动时间：＜1s；限位控制：河底信号停车控制；测点定位自动停车控制。

b.缆道测距仪。起点距测验（带缆道弧度修正）；光电增量编码传感器；计数显示：－99.9～999.9m，分辨率：0.1m；修正系数：0.004～4.000；显示：16×2大字符LCD液晶显示；缆道测深（入水深）；光电增量编码传感器；计数显示：－9.99～99.99m，分辨率：0.01m；修正系数：0.004～4.000；显示：16×2大字符LCD液晶显示。

c.水文流速测算仪。适应范围：各种转子式流速仪（不受所有接触丝抖动影响）；适应信号：1000Hz的音频信号或直流短路信号；灵 敏 度：音频信号优于5m V；显示：16×2大字符LCD液晶显示；显示参数：当前流速仪K值、历时T、信号数N、流速V；设置参数：仪器型号、K、C值、历时和手动、自动测算等标志（所设参数不受掉电影响）。

3）系统的结构和工作原理。整个缆道系统由水文缆道、水文绞车、测流铅鱼、流速仪、水文缆道测流控制台、通信转换接口、计算机、打印机和水文缆道自动测流软件等部分组成。若需夜间测流或大跨度缆道测流，还可加配遥控探照灯和遥控变焦图像监视系统。

测控主要由EKL—1型水文缆道测流控制台（含ELZ—2型水文缆道测距定位仪、LJX—2型水文流速测算仪）、LEX—1型缆道综合信号仪、水文电动绞车、铅鱼、流速仪以及计算机及全自动系统软件等组成。缆道测流控制台的工作原理框图如图2.107所示。每种仪器均可单独使用，又可组合成套使用，全部成套即构成EKL—1型全自动缆道测流系统。

图2.107　缆道控制台工作原理框图

a.LZX—1型缆道综合信号仪。LZX—1型缆道综合信号仪由LZX—1A型水下交流综合信号源和LZX—1B型缆道综合信号接收器两部分组成，LZX—1型缆道综合信号仪如图2.108所示。其特点是可将水面信号、流速信号、河底信号变为频率不同的音频信号，由缆道“无线”发回，而接收器由于采用了锁相环音频译码电路、抗干扰能力强、灵敏度高，从而可在行车过程中将信号取出，可靠地完成缆道测流、测深。也可用于其他缆道测量使用。LZX—1型缆道综合信号仪也可以应用于测船的测流信号传输。

图2.108　LZX—1型缆道综合信号仪

安装此仪器时，应先在室内熟悉并检测，首先检测水下交流综合信号源电池电压，不符合要求时应用充电器对电池充电。如果电压正常，可接线检查，注意水下交流综合信号源和综合信号接收器的接线要求。

然后进行检查。先将灵敏度旋钮顺时针方向旋为最大，将信号源的水面信号线和地线同时没入水中（或短路），接收器的水面信号指示灯将发光，并听见蜂鸣器和继电器的声响；流速信号线与地线短路，流速信号指示灯将发光；河底信号线与地线短路，河底信号指示灯将发光，并能听见蜂鸣器和继电器的声音。仪器算检测正常后，按以下步骤安装。

首先安装水下交流综合信号源：将两个筒身旋紧，以防进水，在水平尾翼上按要求打孔，用来固定仪器配用的安装器具并固定筒身，在垂直尾翼上与流速仪水平的位置上打孔，用来固定水面信号板，保证流速仪和水面信号板同时入水。将电池地线，线路地线和水面信号地线接在一起，并固定于仪器配用的安装器具螺丝上，和铅鱼鱼身连通。再分别将水面信号线接至水面信号板；将流速信号线接至流速仪；河底信号线接到河底信号源上；发送线接到铅鱼绝缘子以上的钢丝绳上。注意：要将钢丝绳上的铁锈刮尽，保证接触良好。几根走线要尽量贴近铅鱼鱼身或钢丝绳，以免引出线挂住水草。缆道水下信号安装如图2.109所示。

图2.109　缆道水下信号安装图

1—水面信号发生器；2—流速仪；3—河底信号托板；4—水下综合信号源

其次安装接收器：先从起重钢丝绳滑轮上引一根导线作为信号接收线，以电源地线作为信号地线，构成输入回路，按前面接线指示接好电源、输入、输出各线。注意正、负极性要求。连接好后测试信号，如果信号差，可在水面放置一金属极板作为信号地线。

接收器的输出分三种形式，对应于水面、河底信号的都是继电器的开关信号，对应于流速仪信号的是光耦导通输出。

b.ELZ—2型水文缆道测距定位仪。ELZ—2型水文缆道测距定位仪（以下简称测距仪）主要用于水文缆道行车过程中的起点距和入水深测量，具有自动修正缆道主绳的垂弧度和入水后起重绳的偏角和无回差等独特功能和起点距和测点深自动停车控制信号输出功能，可配接RS—485通信输出口，与计算机直接联机运行。

测距仪由起点距测量和水深测量两部分组成，起点距、水深传感器均由光电增量编码传感器直接感测循环轮和起重轮的转数，为避免打滑，光电增量编码传感器输入轴与绞车转动轴直接相连，使传感器与绞车转动轴同步转动，每转产生200个信号。测得信号总数，根据绞车卷筒或滑轮上钢丝绳中心周长计算放出或收回的钢丝绳长。

主要技术指标。测量范围：起点距－99.9～999.9m，入水深－9.99～99.99m；分辨率：起点距0.1m，入水深0.01m；计数误差：＜±1%；修正系数：0～1.000（系数超限，自动设置为1）；显示：16×2大字符带背景光液晶显示；定点设置：起点距可设1～99条垂线段，入水深可设0、1、2、3、5个测点；存储：本仪器具有保存系数的功能；使用温度：－10～45℃；存储温度：－30～55℃；电源：DC 12V，功率＜0.5W。

实际应用中，应进行钢丝绳的弧度修正、偏角修正，用实际准确值确定修正系数。绳长修正方法是通过修正系数得实测值加以修正。修正系数的确定方法如下：首先确定绳长系数。绳长系数是指光电增量编码传感器每一信号代表的绳长。初次安装使用时，先初步算出理论绳长系数。用卷绕在绞车卷筒或滑轮上钢丝绳中心直径（此直径等于卷筒或滑轮直径加上钢丝绳直径）计算每转一圈放出或收回的钢丝绳长。(www.xing528.com)

例：某绞车卷筒外径为30cm，钢丝绳直径0.8cm。则外周长为3.1416×30.8＝96.76cm。由于传感器每转产生200个信号，也就是转一周，转轮钢绳移动96.76cm，传感器产生200个信号，即理论绳长系数为96.76/200＝0.484。

将理论绳长系数设置到测距仪的起点距或入水深对应的存储单元中，仪器就可直接测量计算出放出或收回的钢丝绳长。受机械尺寸准确性、钢丝绳直径、可能打滑的影响，理论绳长系数和实际绳长系数有差别，肯定要通过实测进行修正。可以用理论绳长系数进行计算，再进行最后修正。

起点距、入水深是两个独立的计数装置，基本原理相同，但也有不相同部分。在此基础上，确定修正系数，以便对各垂线的起点距和水深进行修正。

安装后，先按上述方法算出绳长系数。将测流铅鱼运行到各条垂线，计算出起点距，然后用经纬仪准确测量得到的起点距进行修正。由于横跨主索均有一定垂弧度，计算得到的绳长是弧线，必然大于应该是直线的起点距，必须进行修正。

起点距修正系数的确定。用经纬仪测出各垂线的起点距y1、y2、…、yi，用绳长系数和传感器信号计算测出的相应绳长是x1、x2、…、xi，则各垂线的起点距修正系数Ki为：

将各垂线段起点距修正系数存在仪器电脑中，实际使用时，仪器自动识别每段修正系数，根据计算得到的相应绳长，进行修正，而精确测出起点距。

测水深时，放出或收回的钢丝绳长和实际水深是不相同的，受横跨主索垂弧度和受水流冲击的钢丝绳偏角影响。入水深修正系数确定比较复杂。偏角改正按测验规范进行，还应测量悬索偏角。由于水深是两次测量绳长的差值，所以钢丝绳垂弧度的影响可能被基本消除了。

c.LJX—2型水文流速测算仪。LJX—2型水文流速测算仪（简称流速测算仪）用于水文缆道和测船上的流速仪测流计数，可以根据已置入的流速仪参数自动计算出流速。

流速测算仪主要由16×2屏幕液晶显示器、AT89C52单片机、RS—485通信口和信号接收电路等组成。该仪器结构简易、耗电省、功能齐全、自动化程度高、稳定可靠，适用性强。适用于接收各种转子流速传感器所产生的交流信号和直流信号。

技术要求：测速公式：V＝K N/T＋C（m/s）（自动计算）；需输入仪器编号：_____________、K_____________、C_____________；测速范围：0.01～10.00m/s；测算误差：≤0.01%；显示屏：2×16位液晶显示；测量方式：有线、无线；信号方式：直流、交流（2500～3000 Hz）；电源：DC 12V，DC 6V可选。

功能：适用于各种转子式流速仪；可以预置流速仪参数，自动计算出每次测得的流速；具有计时计数功能；可以预置信号延时时间；可调节的接收信号灵敏度。

仪器的使用：使用时，先按要求接好电源和流速信号线，打开仪器电源。仪器显示上次关机时所选用流速仪参数，调整流速信号旋钮，使流速仪信号音响正常，若参数不需要改变，即可进入测流。

仪器开机显示流速仪系数K（b）、C（a）、测速历时T、待测的流速仪信号数N。每次测速前都可以用仪器设置的三个按键进行调整。常用流速仪的转子每转一转发出的信号数是不同的，需要置入流速仪型号。

为消除流速信号中接触丝信号的抖动而设计了信号延时时间设置（干簧管信号不要求设置延时）。仪器在每次测量完后，显示T、N，自动按公式计算出流速值并显示。

d.交流变频调速控制系统。包括系统的构成和功能、缆道控制台的安装与连线和缆道控制台的使用方法等内容。

图2.110　交流变频调速控制系统工作框图

系统的构成和功能。交流变频调速控制系统工作框图如图2.110所示，主要功能有：系统总电源控制铅鱼（或吊箱）实行停车、回车、下降、提升等方向的无级调速控制，能执行河底信号及各测点的停车信号，可同时控制两台电机的运行等。

交流变频器是整个系统的核心，对循回电机和起重电机的各种动作控制，由交流变频器的输出来完成。

电源保护及启、闭控制电路对整个系统的安全运行提供一个可靠的电源保障，它不仅为人身安全提供保障，而且对设备的短路故障提供了断电保护。

控制台的出车、回车、下降、提升及停车控制，用来提供变频器的运行命令。出车和下降控制为变频器提供正转运行命令，停车控制则可以随时终止各个方向的运行命令并使电机立即停止运转。

河底信号及测点到达信号是用来停止铅鱼下降运行的，当铅鱼到达河底时，由装在铅鱼上的信号发生器给出河底信号，该信号反馈至变频器，变频器接收到该信号即立刻停止铅鱼运行；测点到达信号是指当铅鱼运行到测流垂线上的测点时由测深计数器给出的信号，该信号同样反馈给变频器，可使铅鱼迅速停止在该测点上。

频率给定器用来控制变频器输出至电机的运行频率，控制电机转速。它可给出从速度0到变频器设定的最高运行频率（可在0～600 Hz范围内在变频器上进行人工设定）。本变频器最高运行频率设定为50Hz。

缆道控制台仅是水文缆道测流装置的一部分，必须与水文测站的水文缆道设施连为一体方可运行。由于本控制台集380V强电控制与电子仪器弱电电源混为一体，安装接线一定要有专业工程师在熟悉水文缆道特性的基础上，详细阅读说明书后进行，非专业电器人员不得进行接线，避免设备及人身事故。安装时应使用符合要求的配线，按要求接好内外连线。尤其要注意动力电源、保护装置、避雷装置的安装。

图2.111　EKL—3A型水文缆道测流综合控制台

（2）EKL—3A型水文缆道测流综合控制台。EKL—3A型水文缆道测流综合控制台（图2.111）是全自动缆道测流综合控制台，是用于水文缆道测流的自动化控制系统。该系统采用工业控制计算机和PLC可编程控制器作为完成自动化缆道测流的控制核心，配合交流变频调速、光电编码测距定位、流速自动测算、音频信号传输等成熟技术和计算机测流控制软件及流量成果自动生成软件等构成。系统可通过计算机对缆道测流装置进行全自动、半自动、手动测流控制，各种测量方式均可最终生成断面流量报表和断面流速分布曲线图。

系统具有很高的自动化程度，其完全汉化的人机界面使得水文站操作人员不再感到难以掌握。系统的软件开发完全按照《水文缆道测验规范》进行，因此系统自动生成的测验成果报表可直接作为整编资料存档。

EKL—3A型水文缆道测流综合控制台具有全自动测流功能，其他功能和EKL—1型水文缆道测流综合控制台（半自动）的功能相同，但系统采用工业控制计算机和PLC可编程控制器作为完成自动化缆道测流的控制核心，其控制、运行、数据处理、通信传输功能优于EKL—1型水文缆道测流综合控制台。

系统组成基本和EKL—1型水文缆道测流综合控制台的不同之处有以下几点：

1）不应用ELZ—2型水文缆道测距定位仪、LJX—2型水文流速测算仪、LEX—1型缆道综合信号仪的信号接收显示仪表，应用一综合信号接收处理电路来接收处理它们的信号，并传输到工业控制计算机和PLC可编程控制器。

2）另外配置了一个综合显示控制器，工业控制计算机不工作时，可以用它进行手动测流。

3）水文缆道自动测流软件更先进、完善。

（3）水文缆道测流综合控制台的应用。水文缆道测流综合控制台的具体型号较多，应用时要按各自的使用手册进行操作。

3.铅鱼

铅鱼是测流取沙中常用的水文测验器具，在悬索悬挂水文仪器测验时必须应用铅鱼，缆道船测中都要用到，用于测量水深、流速及含沙量等。大部分铅鱼在用于测流时要同时具有安装流速仪测速、测深的功能，也需要能装上测沙仪器。测流铅鱼、测深铅鱼、测沙铅鱼往往是同一个铅鱼。