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地下水监测方法和仪器概述
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地下水监测方法和仪器概述
地下水监测方法和仪器概述
第1期2010年2月水利水文自动化
AutomationinWaterResourcesandHydrology
NO.1Feb.,2010
地下水监测方法和仪器概述
姚永熙
（水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）
摘 要：
地下水主要监测要素有地下水位、水温、水质、出水量，有时还按需要进行地下水流速流向调查。
总结了地下水水位、水质、水温、出水量等的监测要求，监测方法和仪器的应用状况、性能，简要分析了地下水流速流向的监测调查方法，以及地下水监测资料的收集、记录和传输，并对国内外各监测方法和仪器作了简略比较。
比较结果说明：
目前国内目前观测地下水的自动化程度很低，应用的仪器设备简单；国内外先进的自动监测仪器可以自动测量记录地下水观测数据，并构成数据自动收集系统。
关键词：
地下水监测；监测方法；监测仪器；水位；水质；出水量；水温；监测资料
中图分类号：
P335 文献标识码：
A 文章编号：
1672-3279（2010）01-0006-08
我国地下水的主要监测要素是地下水水位、水温、水质和出水量。
由于特殊需要，还可能监测地下水流向和流速。
考虑综合影响，地下水位的观测准确性不容易普遍达到±0.01m，可考虑按“水位监测误差应为±0.02m”（并限定变幅10m）执行，比较符合实际情况。
上述规范也都在修订中。
而现行的地下水水位计的仪器标准则落后于实际情况。
1 地下水水位监测
1.1 地下水水位的监测要求
地下水水位是最普遍、最重要的地下水监测要素，地下水水位一般都以“埋深”进行观测，再得到水位。
按SL183-2005《地下水监测规范》要求，人工观测时，“两次测量允许偏差为±0.02m；水位自动监测时，“允许精度误差为±0.01m”。
在其附录中对传感器规定“组建系统应选用3级以上设备”，3级精度的水位计水位误差是±3cm（10m水位变幅范围内）[1]。
在SL360-2006《地下水监测站建设技术规范》中规定“水位监测误差应为±0.02m”[2]。
测量地下水水位的仪器并不比测量地表水位的水位计先进。
使用条件中有利的方面为：
水体的地下环境比较稳定，水位变幅较慢（除抽水试验外），水质也比地表水好；不利的一面为：
埋深可能很深，测井管可能很小。
收稿日期：
2009-12-22
1.2 地下水位的监测方法和仪器
监测地下水位的方法可以分为人工观测和自动观测2种，使用相应的人工和自动观测设备。
1.2.1 地下水位人工观测仪器
人工观测地下水位基本上应用测盅和电接触悬锤式水尺，还有更简单的代用措施。
1.2.1.1 地下水位测盅
测盅是最古老的地下水位测具，测盅盅体是长约10cm的金属中空圆筒，直径数厘米，圆筒一端开口，另一端封闭，封闭端系测绳，开口端向下。
测量时，人工提测绳，将测盅放至地下水面，上下提放测盅。
测盅开口端接触水面时会发出撞击声，由此判断水面位置，读取测绳上刻度，得到地下水埋深值。
此方法很简单，目前还一直在较大范围使用。
由于判断测盅接触水面会产生误差，同时测绳的长度也存在误差，水位观测值不会很准确。
测盅没有正规产品，此方法也不应再继续使用。
作者简介：
姚永熙（1946－），男，江苏苏州人，教授级高级工程师，主要从事水文仪器与水利水文自动化研究工作。
第1期
姚永熙：
地下水监测方法和仪器概述
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1.2.1.2 电接触悬锤式水尺
这种地下水位测量设备也常被称为“悬锤式水位计”、“水位测尺”。
仪器由水位测锤、测尺、接触水面指示器（音响、灯光、指针）、测尺收放盘等组成。
测尺是一柔性金属长卷尺，其上附有2根导线，卷尺上有很准确的刻度。
测锤有一定重量，端部有2个相互绝缘的触点，触点与导线相联；也可以以锤体作为1个触点。
2触点接触地下水体时，电阻变小（导通）。
地上与2根导线相联的音响、灯光、指针指示发出信号，表示已到达地下水水面。
从测尺上读出读数，可以知道地下水位埋深。
这种仪器简单，便于携带，对使用者的熟练程度要求不高，可以用于各种地下水位的观测。
由于能很准确地指示地下水面的位置，水位测量准确性较高。
测尺是专门制作的，高质量的产品可以达到±1cm/100m的准确度（刻度）。
定期按规定进行计量或校核后能保证地下水位测值的准确性。
测尺的长度基本不受限制，有500m的产品，可以用于不同的地下水位埋深与变幅。
国内和国外都有这类产品，其技术性、结构都差不多。
测尺都是覆盖塑料涂层的钢卷尺，刻度1mm；水位测锤用不锈钢材质制造，带触点，直径小于20mm；水位指示用音响、灯光、指针形式，都是直流电池供电，准确度（刻度）能达到±2cm/100m或±1cm/100m。
有些产品可测井深，可以选配温度传感器测量地下水温。
1.2.2 地下水位自动监测仪器
能自动测量地下水位的仪器主要有浮子式和压力式2种地下水位计，曾经应用过自动跟踪式悬锤水尺。
大口径测井、埋深不大时，可以应用所有类型的地表水位计。
1.2.2.1 浮子式地下水位计
浮子式地下水位计的结构和测地表水位用的浮子式水位计相同。
感应水位变化的都是浮子、悬索、水位轮系统，一般也都有平衡锤，或者用自收悬索机构取代平衡锤。
早期的长期水位记录用长图纸带划线方式，目前已基本不生产。
现在的产品用编码器将水位值编码输出供固态存贮记录或遥测传输。
一般的产品，其编码器在地面上；先进的产品，整个仪器，包括水位感应、编码器、固态存贮、电源等所有部分都悬挂在井中水面上自动工作。
浮子式地下水位计一般都能在10cm口径的测井管中工作，有些可装在5cm口径的井内工作，水位轮、浮子、平衡锤的直径都很小。
小浮子感应水位变化的灵敏度较差。
地下水埋深较大，悬索长，也影响水位感应灵敏度。
因此，地下水位计的记录机构，编码器的阻力应尽可能小些，还应避免悬索和水位轮之间打滑，应优先选用带球钢丝绳、穿孔带作为悬索。
一些产品应用自收悬索的方法，不应使用放入井中的平衡锤，以便于使用于小口径测井。
用于地表水的浮子式自记水位计可以直接用于井径较大（大于40cm），地下水埋深较浅的地下水位测量。
浮子式地下水位计结构简单、可靠，便于操作维护。
只要测井口径满足安装要求，可以用于所有地点，水位测量的准确性也较高。
水位编码器的性能各异，选用时要注意。
地下水埋深较大时，尤其要注意悬索、水位轮的配合，了解和控制可能产生的误差。
浮子式水位计对测井的倾斜度有要求，应用时需注意。
不同产品的性能差距很大，具体如下：
（1）用普通日记水位计改造的产品适用井径：
10cm；水位变化范围：
0～10m；水位准确性：
±2cm；水位记录：
24h，划线记录；平衡锤：
平衡锤进入测井。
（2）国内的浮子式编码地下水位计
水位输出：
格雷码编码输出，供记录和数据传输；
适用井径：
12cm；
仪器结构：
仪器主体在地面上。
可选自收悬索方式，不使用平衡锤。
（3）国外先进的的浮子式地下水位计适用井径：
50mm（2英寸）；
适用埋深水位范围：
埋深不限，水位变化范围0～15m，可按需要配置；
水位准确度：
水位输出记录方式：
内置编码器、固态存贮器、电池，自动存贮。
记录能力：
电池寿命15a，存贮数据15000个；仪器结构：
一体化结构，没有地上部分，可以
8水利水文自动化2010,
（1）
整体悬挂安装在井内工作。
1.2.2.2 压力式地下水位计
压力式地下水位计的原理结构和测量地表水的压力水位计一致。
仪器测量水面以下某一点的静水压力，再根据水体的密度换算得到此测量点以上水位的高度，从而得到水位。
水面上承受着大气压力，所以水下测点测到的压力是测量点以上水柱高度形成的水压力与水体表面的大气压力之和。
换算成水位高度时应减去大气压力，或者应用补偿方式自动减掉大气压力。
在应用的仪器设备中，这一补偿过程是自动进行的。
压力式水位计包括压力传感器和水位显示记录器、专用电缆、电源等，也可以是一体化的。
一体化压力式地下水位计的压力传感器、测量控制装置、固态存贮器、电源都密封安装在一细长圆柱状的机壳内，具有相应的耐压密封性能。
用专用缆索挂在地下水测井内的最低水位以下。
仪器按设定时间间隔自动采集、存贮水位数据。
其存贮的水位数据可以通过专用电缆或光纤在地面上采集，采集时使用一般电脑或专用数据收集器。
也可能需要定时将仪器整体提上地面，采集数据。
需要接入自动化系统时应用专用电缆传输。
国外产品基本上是这种一体化形式。
传感器＋主机形式的压力式地下水位计由压力传感器和测量控制装置组成，用专用电缆联接。
压力传感器用专用缆索悬挂在地下水测井内的最低水位以下，测控装置在地面上。
电源和记录装置也可能是单独的，和测控装置相联。
国内产品目前都是这种形式。
浮子式水位计的水位准确性会受小测井的影响，而压力式水位计没有这问题。
可以用于直径5cm的地下水位测井，甚至1英寸直径的测井。
因此可以认为使用中对测井口径没有要求，而且基本上可以适用于任何埋深。
地下水中的泥沙含量少，水质密度较为稳定，很适合压力式地下水位计的应用。
因而，压力式地下水位计适合地下水位的高准确度测量。
一体化的压力地下水位计的所有工作部分都在地下水测井的水下，不受地面上的干扰，工作稳定。
此水位计同时可测量水温，具有温度补偿修正功能。
陶瓷电容式压力传感器弥补了硅压力传感器的一些不足，使压力传感元件更加稳定。
压力式地下水位计的水位测量准确性已高于浮子式地下水位计。
需要同时测量某些水质参数时，可以选用同时具有某些水质参数测量功能的多参数压力水位计，同时测量记录水位、水温、水质等参数。
1.2.2.3 自动跟踪式悬锤水尺
应用电接触悬锤式水尺时，需要人工下放测锤，观测灯光、音响信号，以判别测锤是否正好接触水面。
自动跟踪式悬锤水尺用一电机自动下放测锤，测锤接触水面时，导通信号控制电机停止转动。
测尺下放时联动一编码器，或者用步进电机下放测尺，测得接触水面时测尺的下放长度。
此长度数据编码输出，或由步进电机输出，就能自动测得地下水位。
这类仪器结构较复杂，可动部件较多，可靠性差，水位测量误差也较大。
目前已没有适用的产品。
1.3 国内外地下水位监测仪器的比较
1.3.1 人工观测用国内外地下水位仪器比较
国外大量应用电接触悬锤式水尺人工观测地下水位。
国内外都有这类产品，其性能差别不大。
国外不使用测盅观测地下水位。
1.3.2 自动监测用国内外地下水位计比较1.3.2.1 浮子式地下水位计的比较
国内的此类产品主要是兼用于地表水位测量的仪器。
共同特点是浮子较小，直径一般在6～10cm之间；另一特点是水位记录装置或编码器体积较大，阻力也偏大，都要安装在地面上。
大多数产品并不是专门为地下水位测量而设计的，还没有设计成能较大范围地应用于各种地下水位测井的水位计。
国外产品都是专门设计用于地下水位测量的，其浮子很小，有些产品的浮子连同平衡锤可以安装在5cm直径的测井内。
典型的产品，其编码器和存贮记录器是一体化、小型化的，可以吊装在测井内。
悬索采用带球钢丝绳，使用标准接口，可以接入自动化系统。
国内还没有可以和国外先进产品相比较的浮子式地下水位计。
1.3.2.2 压力式地下水位计的比较
国内有几种压力式地下水位计产品，是专门设计用于地下水位自动测量的，不是一体化结构。
可以长期自动测量地下水位，也可以用固态存贮方式存贮，且都能以标准接口输出接入自动化系统。
有的可以自动测量水温，并同时对水位进行修正。
水位测量准确性可以基本满足规范要求。
第1期姚永熙：
地下水监测方法和仪器概述9
国外的压力式地下水位计产品种类很多，在国内销售的典型产品各有特点，但它们的综合性能，各项指标都不同程度地超过国产产品。
基本情况如下：
（1）结构与体积，国外产品基本上都是一体化的，传感器、固态存贮器、电源在一个整体内，悬挂在水下工作，其直径可以小于3cm，用于1英寸直径的测井；
（2）存贮量大，存贮数据都大于10000个；（3）使用方便，功耗低，多数仪器工作6～8年不需更换内装电池，不需调整，但有些仪器不能自行更换电池；
（4）水位准确性高，多优于±1‰，可以达到±0.5‰；
（5）可靠性高，MTBF都大于3a；
（6）多参数记录性能，很多产品具有多参数测记性能，包括水温、水质参数；
（7）保护措施好，具有不同程度的防干扰、抗雷击、防破坏措施；
（8）产品化程度高，这是保证产品性能稳定可靠的最重要条件。
1.4 地下水位监测仪器的应用
水文系统目前基本依靠人工观测地下水位，大量使用测盅测量地下水位，少量站点应用地下水位测尺测量地下水位。
少数测站能自动测记地下水位，基本上使用浮子式地下水位计，划线记录。
有少量地下水位遥测系统，使用浮子式编码水位计或压力式水位计。
除数据存贮可靠性外，这些方法和仪器能满足现行要求。
但实际上人工观测地下水位的准确性差别很大，难以达到2cm误差的要求。
2 地下水水质监测
2.1 地下水水质监测要求
SL219-98《水环境监测规范》规定了地下水水质监测项目[3]，参数与地表水接近，其分析方法按地表水规定执行。
此规范也规定了地下水采样方法。
此规范没有规定对地下水水质自动监测的要求。
2.2 地下水水质监测方法和设备
地下水水质监测方法可以分为人工采样分析和自动监测2种方法。
自动监测又可分为电极法水质自动测量和抽水采样自动分析方法。
地下水水质自动监测基本上都采用电极法水质自动测量仪器。
人工测量时一般都只在现场采集水样，带回实
验室分析。
也可以使用便携式自动测量仪在现场进行人工自动测量和采样现场分析。
地下水采样最好使用地下水采样泵和采样器，型式较多。
一些采样器是工业上用的，也可用于一般的地下水采样。
2.2.1 电极法水质直接测量仪器
电极法水质直接测量仪器的传感器（水质测量电极或相应的测量元件）放入水体中，能直接感测或转换得到某一水质参数的数值。
某一种电极只能测得某一种水质参数。
感应头直接感应水质，没有可动部件，可以较长时期在水中工作，连续测量。
使用时，将仪器悬挂在地下水测井的水下。
一体化产品的测量电极、测控电路、数据存贮器、电源等部件是一整体，在水下自动完成测量、记录，通过专用电缆读取数据和遥测传输。
非一体化仪器的测控、记录、电源部分在地面上。
电极法水质仪的特点：
（1）应用范围广，可以对大多数水质进行直接测定；
（2）线性范围广，这是指测得电位等量值与水质参数的关系稳定而言；
（3）快速，这是自动测量所必须的，不过也是相对于自动分析法而言的；
（4）设备简单，电极简单、牢固、体积不大，便于安装应用；
（5）价格较低，比自动分析仪器便宜很多。
电极法水质仪的局限性：
（1）一些产品的维护要求较高，有定期清洗、更换耗件的要求；
（2）测量准确度稍低。
这是相对于自动分析法来讲的；
（3）不同测量电极的产品性能差别很大。
地下水水质的电极法直接测量仪器很多，性能差异不大，但国产产品罕见。
一种国外的地下水位水质多参数仪器参数特点：
（1）仪器尺寸：
可用于50.8mm（2英寸）直径的测井；
（2）可测参数：
水位、水温、电导率、溶氧、pH、盐度、浊度等参数；
（3）最多同时测量参数：
13个；（4）存贮方式：
固态存贮；（5）接口：
RS-485；
10水利水文自动化2010,
（1）
2.2.2 地下水水质自动分析仪器
用于地下水的水质自动分析仪器和用于地表水的相同。
工作时要从地下水测井中直接抽取水样。
在地下水埋深较深时，及需要分层采样时，对水样采取设备有特殊要求。
极少将水质自动分析仪器安装在地下水测井现场自动测量地下水水质。
2.2.3 人工在现场直接测量地下水水质的仪器
这类仪器都是便携式的，分为2类：
一类是便携式直接法水质测量仪，另一类是便携式水质分析仪。
这2类仪器主要用于地表水水质的现场人工测量，都需要现场采取水样（或投放入水体中）进行测量。
2.2.4 地下水采样设备
地下水采样设备分为采样泵和采样器2类。
地下水采样泵将地下水抽出地面，一般都具有大扬程、流量小的特点。
按工作特性不同，有底阀、双阀、气囊式、蠕动、不连续间隔等取样泵。
其中的底阀取样泵可以人工操作，最大扬程30m。
低流量的气囊式取样泵用压缩空气挤压气囊将水样提升出地面，水样不和气体接触，也不受搅拌和抽吸。
低流量采样又减少了对地下水体的扰动。
因此，得到的水样代表性较好。
一些取样泵可以工作在直径2cm的测井内。
地下水采样器放入地下水面以下，取得某一指定深度的水样，在提升到水面的过程中不能与地下水体发生水的交换。
在进入地下水面到达指定深度的过程中，也不应有这一行程中的水体停留在采样器中。
简单的地下水采样器一般以长圆形采样筒为主体，上、下端具有自动开闭的简单阀门，控制水样的进入和防止漏失。
也可用落锤的方式击下钟形采样筒，采取水样。
采样容积基本上在0.5～1.5L范围，配有有刻度的悬挂测绳，用手摇绞盘提放，手摇绞盘类似于悬锤式地下水位计。
地下水采样器一般工作在口径大于5cm的测井内。
国内水文系统大多数取样方法只是在生产井出流处取水样，基本上没有使用专用的地下水采样设备进行地下水水质采样。
其他行业有一些应用。
国外比较普遍地应用自动水质监测设备、地下水采样器和采样泵。
3 地下水水温监测方法和仪器
3.1 地下水水温监测要求
规范要求水温的观测允许误差为±0.2℃，同时观测的气温的允许误差也是±0.2℃。
3.2 地下水水温监测方法和仪器
人工测量地下水温时应用各种数字式温度计测温，流出地面后可以用一般温度计测水温。
自动测量水温的传感器一般和其它传感器安装在一起，构成水位、水温测量传感器，多参数水质传感器等。
单独自动测量水温的仪器使用半导体、铂电阻等传感器。
这些仪器都能达到测温准确性要求。
3.3 国内外地下水水温监测仪器的比较
国内外各种测温仪器的性能差别不大。
但国外的地下水位、地下水水质自动监测仪器都带有水温测量传感器，而国内还极少有这类产品。
3.4 地下水水温监测仪器的应用
水文系统基本用人工方法测量地下水温。
一种方法是在地下水抽出地面后进行测量，另一方法是用数字式温度计直接放入地下水测井中测量。
基本没有自动测量记录地下水温的站点。
4 地下水出水量监测
地下水以泉水方式自动流出地面，或用水泵抽出地面。
以泉水形式出流地面时，出水量的测量和渠道流量测量方式相同；以水泵抽出地面时可以以管道流量的方式进行测量。
这2类流量测量的方法和使用仪器都有规范规定，也比较成熟。
2.3 国内外地下水水质监测仪器的比较
国内使用的仪器基本上都是国外产品，国内外合作生产的也很少。
4.1 泉水出流流量测量
泉水流量一般不会很大，其泥沙含量也不大。
针对这些特点，可以优先考虑使用量水建筑物法、流速仪法。
应用量水建筑物法测量流量时，只测水位，可以方便地做到自动测量。
应用各种自动水位计测量上游水位，只是水位准确度要求高，水位测量误差要达到±3mm。
水量和流速很小时，可以使
2.4 国内外地下水水质监测仪器的应用状况
水文系统基本都用取水样回实验室分析的方法测量地下水水质。
也有开始使用地下水水质自动监测仪器，但应用极少。
其它行业应用得多一些。
第1期姚永熙：
地下水监测方法和仪器概述11
用小浮标测速的方法；水量很大时，可以使用其它河流流量测验仪器。
4.2 水泵抽水量流量测量
在管道内可以使用各种管道流量计，如水表、电磁管道流量计、声学（超声波）管道流量计等。
一般地下水中泥沙很少，适合使用水表来计测水量，水表价廉、可靠。
电子水表可以用于自动化系统，应优先考虑。
但很多地下水的泥沙含量并不小，会很快损坏水表，其他管道流量计又较贵，所以还普遍应用电功率法由水泵耗电量得到水量。
水泵出水流入渠道后可以使用明渠流量测验方法测量流量。
4.3 地下水出水量监测仪器的应用
水文系统承担地下水出水量测验工作的站点不多。
对于泉流量，多数用流速仪面积法人工测量。
也使用堰槽法测量，主要使用测流堰，人工测量水位，很少应用水位自动测量仪器测量。
对于水泵抽水管道出流，常使用水表直接测量和用水力机械法、电功率法推算，由于测点数量非常多，适用的方法仪器需要具有价廉、耐用、较准确、便于使用的性能。
上述方法和现有产品还不能满足要求。
5 地下水流速流向的监测调查方法
测量地下水流速流向有多种方法，大多数只是应用方法。
有些测量结果属于定性范畴，构成专用仪器的较少。
测量结果多数用于调查性的监测，很少有长期监测的。
按应用方法分类，主要有：
抽水试验法、示踪法、电位差法。
抽水试验法是传统方法，在多井地区可以应用；示踪法可以在单井中应用，同位素示踪法有专门仪器；电位差法是测量地电场/电位的水文物探方法。
用测量地电位的方法可以判别一地块的地下水流速流向，多用于专门调查。
6 地下水监测资料的收集、记录和传输
6.1 地下水监测资料的收集、记录
目前，大量地下水监测参数由人工观测，人工记录收集。
一般传统仪器用记录纸划线记录，先进的产品
都是固态存贮记录。
这些记录方式和地表水参数记录仪器基本一致。
不同的是地下水固态存贮记录和测量探头是一体化的，包括水位、水质参数。
一体化的密封仪器悬吊安装在井下，长期工作。
6.2 地下水监测资料的遥测传输（数传仪）6.2.1 现状概况
国内水文系统已开始应用地下水信息的遥测传输设备，目前建设的自动收集系统、应用的仪器设备和水文自动测报系统基本一致。
一些系统是参照水文自动测报系统的规定建设的，所用的设备仪器通用于水文自动测报系统。
其它部门，如地质调查局、地震局应用的数传仪已不同程度考虑了地下水测量的需要。
水文系统、地质调查局、地震局、一些公司也都在继续开发应用于地下水数据收集的数传设备。
6.2.2 地下水数传仪技术特点
地下水自动测报系统和水文（地表水）自动测报系统有很多相同的技术特性，但是，地下水自动测报系统也有自己的技术特点，具体如下：
（1）地下水的测次有规律，以定时观测为主要方式；
（2）由于地下水参数变化较慢，一般观测时，可以将较多的定时监测数据一次性发送给中心，如每天将前一天的多个定时监测数据一起上传传输，但用于专门观测的地下水测井，如地震、抽水试验等，其测量频度可能非常高；
（3）参数稳定，以水位、水温及水质为主；（4）基本采用标准化接口；（5）基本都有在站数据存贮；
（6）应用环境特殊，尤其是地下水测井内；（7）设备有小型化要求；
（8）防护和环境适应性和地表水监测要求不同；（9）低功耗要求更高，有的站要求只用电池供电。
6.2.3 典型数传仪产品
6.2.3.1 NSY.DA-2型数传仪（国产）技术指标
（1）可接水位计类型：
浮子式（格雷码输出）、压力式、超声波、雷达等水位计，4～20mA输入；
（2）等待电流：
小于5μA；
（3）固态存贮功能：
能存1a的数据；（4）通讯方式：
GPRS或SMS短信；（5）主要工作方式：
定时发送数据，5min至24h间隔可设，可以定时发送短期内存数据，数据均有时标；
12水利水文自动化2010,
（1）
（6）内置电池：
可发射数据2000次以上，电池充电后可继续使用；
（7）可使用外接电源，电压6V；
（8）铸铝外壳密封，可安装在野外与地下水测井口；
（9）环境温度：
-40～60℃。
6.2.3.2 国外典型产品
（1）内置锂电池，寿命1～5a；
（2）可选RS-232/RS-485
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