三线水位传感器

作为世界上知名的水质和流速流量测量仪器的供货商，维赛仪器（YSI）致力于水资源和环境生态保护事业。在不断推出针对地表水测量的水质、水量和流速仪器的同时，YSI推出了针对地下水水位测量的仪器 —— Level Scout 水位跟踪者。进一步丰富了YSI的产品线，为水环境的测量、监测、研究等领域的用户提供了新的工具。Level Scout应用高精度的水位压力传感器技术，具有测量准确，坚固可靠等优点。其水位量程高达210米，误差仅为全量程的± 0.05%（水位高于3米时）。并具有两种大气压补偿装置可供选择：透气式补偿和非透气式配合气压记录仪（可选）。外壳可以选用钛合金或316号不锈钢，IP68防护等级。可储存多达600，000个数据记录，内置电池寿命可达三年。并可以线性、线性平均、事件触发、对数式多种方式进行采样。接口久经野外工作环境的考验，结实而耐用，可持续多年自动运行。YSI Level Scout 数据监控软件用于管理数据，可同时运行、监控传感器达16套，通过串行接口或多路网络接口实现数据通信。通过简单地设置，实时或预设采集和显示数据；同时显示数据表格和图形；测量数据易于导出，可转换成Excel等格式等。应用领域：地下水监测、水资源管理、研究、测井和含水层测量、土壤蒸气提取测试以及明渠、槽位等的测量。

如果问你监测水质意味着什么时，您会想到哪些参数？温度、电导率、pH值、溶解氧和浊度这“五大”参数吗？追踪有害藻华的叶绿素和藻蓝蛋白？以我作为水质仪器经理的经验来看，每当我问这个问题时，“水位”很少是我得到的第一个答案。实际上，在一些圈子中，水位根本不被认为是水质的衡量，而是水量的衡量，被当作一个完全独立的话题来对待。无论你是否相信水位是一个水质参数，水位可能是最重要的，当然也是最广泛的。今天测量的参数，准确的水位测量对于地下水监测、河流和河流测量、湖泊/池塘水位分析、洪水水位记录、灌溉渠道、波浪和潮汐分析都非常重要...不胜枚举。我最近写了气候变化教育的重要性，而水位也与之息息相关。伴随气候变化引发极端天气事件，各地区应对暴雨和洪水、干旱和缺水、海平面上升以及其他与气候相关的问题。此系列文章将重点介绍凭借 Xylem的水位测量实现重要应用的以下三个项目： 地下水监测暴雨监测洪水监测01地下水监测第一个例子来自于我的同事James Chen。James作为YSI的资深水质监测专家，提供从现场应用到销售和业务开发的全方位服务，并曾在世界上最迷人的地方开展工作。例如，James在西藏的拉萨开展过一个项目，监测地下水。出于多种原因，监测地下水水位非常重要，其中包括了解在静态条件和抽水条件下的蓄水层水位、确定水位与当地地表水源的相互作用以及了解地表开发对蓄水层的影响。拉萨被称为“亚洲水塔”，在这样的情况下，James将协助客户监测拉萨的自然资源- 尤其是水质。James用一台EXO1透气式水位主机来完成这项任务。这种仪器的选择至少说明了关于地下水监测的两个非常重要的原则。在传统意义上，水质监测也是一个优先事项。为什么客户要求测量诸如比电导、温度、pH/ ORP和浊度等水质参数，而不仅仅是测量地下水水位？主要原因就是，水量丰富并不代表水源适合饮用。雨水或地表水在渗入地下时会接触受污染的土壤，从那一刻起，雨水或地表水就可能会被污染，并将污染从土壤带到地下水蓄水层。而当液态有害物质通过土壤或岩石渗入地下水时，地下水也可能受到污染。还存在许多其他类型的地下水点源和非点源污染，而在这个项目中，客户需要监测这些威胁。连续监测标准水质参数的变化是一种很好的方法，同时也证明了相比于水位记录仪，使用窄小直径 EXO1进行地下水监测的关键优势。第二个原则，该项目揭示了在某些情况下使用透气式水位深度传感器的重要性。拉萨是世界上海拔最高的城市之一。海拔超过3650米，拉萨的气压比海平面的气压低约35%。正如以下James提供的数据所示，这对水位的测量产生了巨大影响，尤其是在不使用透气式水位传感器的情况下。所以...什么是透气式水位测量，它和深度传感器有哪些区别？02深度vs.透气式水位YSI EXO配备的传感器分为深度和透气式水位两种。深度由一个非透气式的应变传感器进行测量的，这里我们将其称为压力传感器（也称之为“深度传感器”）。压力传感器与电阻相连接，当传感器隔膜片上的压力变化时就会发出电信号。隔膜的一侧暴露在水中，另一侧暴露于真空中。在真空侧，压力恒定不变。在水侧，压力随水压(Pw)的变化而变化，水压与水深成正比。因此，水量越多意味着压力越大，信号被转换成工程单位（磅/平方英寸-PSI 或深度，单位为m、ft或bar）。据此，您就可以知道压力传感器上方的水深。有时，这些测量值被称为绝对深度。我不是特别喜欢“绝对”这个词。因为我始终认为有可能存在极低的测量误差。我认为“绝对”代表的含义是：所有对传感器隔膜施加的压力都会被转换成电信号，然后这些信号由仪器的固件转换成深度，但如果是这样，情况就变得复杂了...如您所见，Pw则不再仅代表水施加的压力。它也代表大气施加在水面的压力，甚至水的密度，受诸如盐等溶质以及诸如温等环境条件的影响。对于许多应用，这些其他因素可以忽略不计。但是在浅水应用中，有两个因素可能会产生严重影响：盐度（也可解释为水的比重ρ）和大气压。在室温1个大气压（即海平面）下，纯水的比重为1。海水的比重则要高 50%，甚至还取决于温度。因此，考虑温度的盐度测量可用于补偿水位测量。其中一个重要的例子是与海平面上升相关的气候变化研究，如在佛罗里达州Clam Bayou案例的经典文章关于海平面上升的YSI应用指南所描述的。Clam Bayou案例研究也描述了第二个关键变量–大气压。特别是在水深较浅的应用中（YSI认为10 m为浅水），大气压波动会影响水位测量的准确性。正因为如此，我们推荐您使用透气式水位主机。透气式水位主机中的压力传感器通过透气管与大气联通。当使用压差传感器时，这确保了整个测量中自动补偿了大气压力(Pair) 。有时气压会发生剧烈波动，例如在暴风雨期间。在生活中，您甚至可能认识一些可以感知这些变化的人，——也许他们会患上气压性头痛。海拔变化也会影响气压，这也是拉萨气压如此低的一个重要原因。因此，让我们从Clam Bayou向上爬升3,650米，看看大气压补偿有多重要。03高海拔水位的气压补偿 我的同事James在西藏拉萨的客户现场安装了一台 EXO1透气式水位主机。之后他的一位合作伙伴也访问了该地点，并在同一口井中安装了一台配有非透气式压力传感器的EXO2主机，他们也想在那里观察水质。这台非透气式主机的深度传感器只是在出厂前进行了校准。工厂校准可能仍然非常好(深度传感器相当稳定)。但是，俄亥俄州的金泉市海拔为260米，实际的传感器本身是在压力控制室中校准的。这也就是在部署之前深度传感器通常应该在室外现场进行校准的原因。在深水应用中，Pw远大于Pair，这可能无关紧要。但如果是在地表水应用，且使用我们的垂直剖面仪进行深度测量的情况下，则一定要进行现场校准。然而，James的合作伙伴起初并不想测量深度，因此他没有校准深度传感器。尽管如此，深度传感器仍在部署过程中进行了记录。10周后，James查看和分析数据时他注意到了一些显著的差异，如下图所示。James比较了他的EXO1主机和合作伙伴的EXO2主机的测量值。在下图中，左侧Y轴表示EXO1水位值，右侧Y轴表示EXO2深度值，两者均以米为单位：从另一个角度来看数据，James绘制了两条线之间的差值，且还是使用米作为Y轴上的度量单位。该图显示了两台主机所测得的水位值之间相差约6.5-6.85米，此外更重要的是它还显示了值在6.67至6.84 米之间的波动。这一点很有趣引起我们的注意，并还会在我们的最终分析中再次出现。我们已经暗示过，拉萨的低气压可能是引起两个探头测得的数据之间的波动和差值的一个原因，但是这一假设是否得到有力证据的支持？James在右侧Y轴上绘制了以百帕斯卡 (hPa) 为单位的气压测量值，并在左侧Y轴上绘制了两个探头所测的深度差 (m)。作为参考，海平面上的1个标准气压为1013.25hPa。除了这两条线看起来相互跟踪程度外，该图的右轴数据还显示出了气压非常之低，与拉萨的高海拔相对应。James继续评估了两个主机所测的深度差值（X轴、ΔDepth，以m为单位）与Y轴的气压之间的相关性。通过线性回归分析，大多数环境科学家认定它们之间存在非常强的相关性：这为在高海拔地区使用透气式水位测量进行地下水监测这一假设提供了有力的依据。04准确度规格当我看到这些数据时，我想到，如果想知道水是什么时候抽出或流入的，主要的深度测量可能不是最重要的，而是检测变化的能力。换句话说，假设EXO2主机测得的起点为9m实际上是错误的，但我仍然能够检测到几厘米的变化，就像我使用透气式水位主机一样。那么如果我有一台EXO2，又不想再买另一台主机，这样够用了吗？以下为来自EXO用户手册的规格信息：这项研究中使用的EXO2是中等深度 (100m) 主机，其准确度规格约为满量程的±0.04% ，即±4cm。相比之下，EXO1浅水透气式主机 (10m) 的准确度规格为满量程的±0.03% ，即±0.3cm。准确度足足提高了10倍以上！然而... 如果James的同事部署的并不是100m量程的主机，而是浅水不透气的EXO2主机，由于浅水非透气式主机（EXO1或EXO2）在10m量程范围内的准确度为±0.4cm，所以所得测量结果可能会与EXO1透气式水位主机的测量值更接近。当然，前提是已经在现场正确校准了EXO2。假设您打算进行校准，您可能会想，为什么还要这么费心使用透气呢？0.4cm我听着挺好的！请记住这些准确度规格是在受控的海平面条件下测得的。气压仍然是必须考虑的干扰因素。使用透气式水位主机，气压补偿将自动完成。但对于非透气式标准主机，必须从外部完成气压补偿，现在有另一个测量误差被引入总误差预估。这就意味着，在这个高度偏远的地区，气压的一些单独测量必须与探测器的水位测量同时进行，气压测量是可靠的，以最终进行大气压补偿，从而完成最终的水位测量。如果这听起来有点混乱，那是因为确实如此。当在拉萨James现场的百帕的变化相差2-4% (16hPa) 时，要做到这一点颇为困难：最后，相对于含水层的总体积，水位变化所代表的估计体积对于选择仪器时的理解也很要，这将提高应用所需的整体准确度。最终分析：这些有关系吗？所以在这个故事中，我们遇到了不同的状况。有两种不同类型的测量值：深度和透气水位。另一个现实是，EXO2主机没有进行现场校准，这进一步增加了深度测量的误差。但是，总体来说，如果James的客户选择信任这台EXO2主机的深度测量结果，而不是EXO1的透气水位测量结果，会发生什么？再看上图，气压变化在 648-632hPa之间波动，EXO1报告的水位变化约为6cm(3.045-2.985m)。但是EXO2报告的水“位”变化为20cm (9.98-9.68)。我们可以估计出，EXO2报告的约17cm的差异是由缺乏气压补偿导致（6.84-6.670m，来自上面的差异图）。如果未进行此补偿，操作人员怎么知道地表水流入、流出或其他因素正在发生呢？如需更多讨论和信息，请联系James.Chen@xylem.com 。05 Case Study此案例研究说明了为什么YSI建议您使用经过适当校准的透气式水位主机进行地下水水位测量。针对地下水监测的YSI标准建议如下：大多数地下水应用，需要使用高准确度的透气式水位传感器。无论是自动（通过透气）还是手动补偿，都建议在高海拔或气压易于出现明显波动的地方实施大气补偿。如果优先考虑其他水质参数，尤其是在可能需要盐度或比重补偿也是必要的，那么透气式水位的主机（而不是压力传感器）是最正确的解决方案。

编者按：一个老牌离心机国营 “三线厂”，在新中国成立七十余年的岁月里，先后经历过内迁、改制、市场化竞争……，他们是如何艰苦奋斗，化解危机，一步步走向行业领先的。2021年4月29日，这是一个让全中国人民激动无比的时刻——长征五号运载火箭成功发射！经过短暂而又漫长的464秒飞行，天和核心舱进入预定轨道并顺利与火箭分离，中国从此拥有了属于自己的空间站。本次天和核心舱搭载了一台由我国独立自主研发的太空离心机，用于协助太空探索及太空实验，目前这台离心机已在空间站供宇航员进行太空实验使用已有3个月，表现稳定良好。这意味着我国自主研发制造的离心机在性能和品质方面已达到行业先进水平，能够在太空环境极端工况下正常使用。生产这台太空离心机的企业名为湖南湘仪实验室仪器开发有限公司（以下简称湘仪），是一家曾经由国企改制的民营企业。无论是营收还是市场规模，如今湘仪已经成为国产实验室离心机领军企业。这次湘仪人再度用扎实的技术和产品品质彰显了国产离心机领军品牌的底气与力量。但不为外人所知的是，湘仪公司的发展却一波三折，曾经历工厂被迫内迁、艰难改制转型、被外资扼住关键技术等“内忧外患”。而故事的一切得从新中国成立后不久说起。峥嵘岁月，铸就辉煌上世纪60年代，我国接连遭受来自美国与苏联的核讹诈。特别是来自苏联对我国工业重地东北的威胁，迫使我国不得不将工业基地搬迁至内陆山区。在1964年至1980年，贯穿三个五年计划的16年中，国家在属于三线地区的13个省和自治区的中西部投入了2052.68亿元巨资；400万工人、干部、知识分子、解放军官兵和成千万人次的民工，在“备战备荒为人民”、“好人好马上三线”的时代号召下，打起背包，跋山涉水，来到祖国大西南、大西北的深山峡谷、大漠荒野，风餐露宿、肩扛人挑，用艰辛、血汗和生命，建起了1100多个大中型工矿企业、科研单位和大专院校,称为“三线厂”。而湘仪就是在这个背景下搬迁至怀化洪江市的“三线厂”。在接到上级的命令后，湘仪的老一辈同志们就像战士一样从全国各地浩浩荡荡的开进湘西大山之中，在这里他们开山辟石，披荆斩棘，将厂区和道路一点一点建立了起来。湘仪离心机厂在建立之初就承担了国家分配的重要任务：研发国产高速离心机和超高速离心机。在和日本TOMY公司的技术合作下，湘仪先后研制了GL-20A高速离心机和8万转超高速离心机，圆满完成了国家交代的任务。GL-20A这款机器也成为了湘仪离心机的主打产品，占据了当时国内离心机市场70%的份额。近期，湘仪甚至找到了一台1992年出厂的GL-20A型离心机，已经稳定运行29年，现在仍在使用。这足见湘仪老一辈开拓者们对品质和工艺的严苛要求。内忧外患，艰难改制 上世纪九十年代，随着中国和世界接轨，原来的计划经济已经无法适应市场需求，国有企业受到市场冲击，纷纷难以维持。湘仪也迎来了时代对自身命运的考验。为谋求发展，2001年湘仪进行了私有化改制。曾任湘仪离心机技术科科长的武育荣同志接手了离心机厂。摆在在他面前的是一个褪去辉煌的湘仪：前任领导层留下了诸多问题；在国企落寞的这几年里，员工们早已失去了曾经的干劲，基本没人对改制抱有希望；产品质量大幅度下滑；之前积压的售后问题也没有为客户积极解决；外部新兴崛起的众多离心机厂家都在疯狂的挤压市场，部分竞争对手甚至恶意造谣湘仪离心机已经垮了……在这样内忧外患的情况下，湘仪总经理武育荣立刻采取措施：内部对公司团队进行优化和培训以加强企业向心力，严把产品质量关，不让一台不合格产品出厂；外部建立新的销售团队，并投入巨资在全国各大城市成立办事处，为客户提供7*24小时的贴心服务。此外，武育荣还将目光投到刚刚兴起的互联网，制作了第一个国产实验室离心机网站。这一系列措施，让湘仪的员工们重拾信心，也让广大客户重拾对湘仪离心机的信心。作为技术出身的武育荣非常重视技术的开发。在2003年非典疫情之后，离心机的需求增大，而当时国产离心机缺少一款既能够高速离心又能低速大容量离心的“一机多用”离心机。湘仪用很短的时间重点研发并推出了H2050R离心机。这款离心机在2005年的卫生部集采中大放异彩。当时招标方在找到湘仪离心机产品前，一度认为国内没有一款符合采购参数要求的离心机。最终，湘仪击败众多国外离心机同行并一举中标256台，创下了国内离心机中标金额之最。之后H2050R也成为了湘仪离心机的主打产品之一。从合作学习到自主创新2008年，湘仪幸运地与贝克曼库尔特合作开发新产品。通过合作，湘仪从贝克曼库尔特身上学习了很多，特别是贝克曼库尔特对新产品的测试流程，深刻影响了湘仪后来新产品的开发。为了达到设计标准，湘仪建立了国内唯一的离心机专用MCA测试室。湘仪与贝克曼库尔特合作研发生产的Avanti XLC(湘仪CL8R）完全达到了国际MCA测试要求。后来湘仪和美国Fiberlite 公司合作，将其研发的碳纤维转子运用在自主生产的高速离心机上。它区别于传统铝合金转子的优势在于质量轻、耐腐蚀、寿命长等。让人始料未及的是，在2009年，作为世界500强企业的赛默飞世尔为了完全掌控碳纤维转子技术，直接收购了Fiberlite 公司。湘仪人第一次感受到了资本力量的强大，也坚定了研发属于湘仪自己的碳纤维转子的决心。经过了近10年的努力，湘仪离心机于2018年推出了全系列的碳纤维转子，填补了我国在碳纤维转子上的空白。打通上下游，掌握核心技术由于小批量、多品种这一采购特点，仪器行业的许多研发企业无法与众多优质供应商高效地合作。湘仪离心机在发展过程中也遇到了同样的问题。来料质量不稳定又如何能保证产品的最终质量呢？湘仪离心机很注重对供应商的管控，会对每批次来料不合格品进行分析，告知供应商并提出改进意见。每年湘仪的供应商大会会邀请全国供应商伙伴来厂，除了介绍湘仪离心机公司发展近况，还会为各品类供应商质量排名，并为优秀供应商颁发奖章。对于那些需要帮助的优秀供应商，湘仪离心机也会以贷款、入资等方式为其提供帮助。而对于离心机核心部件如转子、电机、离心瓶，湘仪始终牢牢掌握核心技术。特别是在电机的研发上，湘仪投入巨大，最终突破了瓶颈，其自产的高速电机相比外购电机拥有更优异的性能，使湘仪离心机的产品质量更上一层楼，当然这也为湘仪离心机今后在超速离心机的研发奠定了基础。湘仪人的梦想：“可上九天揽月，可下五洋捉鳖。”2020注定是一个不平凡的年。这一年湘仪离心机全体员工奋勇向前共度难关，完成了46%的营业额增长。在这一年的总结大会上武育荣致谢全体员工，并提出了湘仪的第一个五年计划——“用五年时间将湘仪离心机打造成世界知名离心机生产商！”武育荣同时指出湘仪离心机想要达成这个目标，应该从内部管理、技术研发、优化服务团队这三个方面入手。1. 内部管理上应追求更加精益的管理制度来提升生产效率和降低生产成本，这将是未来让企业腾飞的关键因素。2. 技术研发上应改变过去以进口品牌为参考的被动模式，根据市场需求来主动创造新款离心机。3. 各地办事处将改变以往单枪匹马作战的模式，建立高效的办事处团队，为客户提升服务品质。从2001年到2021年，湘仪历经20年的努力与奋斗，从一个濒临破产的国有企业发展到国产离心机的领军品牌。武育荣表示，“湘仪人的梦想绝不是超越某个竞争对手，而是像毛主席诗词中说的那样，‘可上九天揽月，可下五洋捉鳖’ 。”